MC LC
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
3.2.5. Phần mềm lập trình (Visual Studio Code)
3.3. TIẾ HÀ H THỰ GHIỆ
3.3.1. Thực hiện kiểm tra trao đổi dữ liệu giữa publish và subcribe
Tiến hành thực nghiệm mô hình:
+ Kết nối nguồn cung cấp cho hệ thống thông qua các rắc nối nguồn. + Kết nối cáp mạng RJ45 từ máy chủ Hass.io, camera P đến Modem WiFi.
+ Mở ứng dụng Home Assistant từ điện thoại hoặc truy cập địa chỉ Website: 192.168.0.100:8123
Username đăng nhập: THANH_CHK22
Password: THANH_CHK22
+ Giao diện hệ thống: bao gồm giao diện giám sát các cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, camera, …) và điều khiển các thiết bị.
Dùng ESP32 (NodeM U) làm lient để kết nối MQTT Broker. Gửi (publish) dữ liệu lên broker, và nhận thông tin (subcribe) từ Broker, kiểm tra publish và subcribe dữ liệu giữa ESP32 và MQTT Broker thực hiện bật tắt thiết bị điện. ài đặt MQTT Broker cho Home Assistant và cấu hình MQTT Broker nhƣ sau:
Hình 3.5. Cấu hình MQTT Broker trên Home Assistant
Kiểm tra chức năng subcribe và publish bằng bật tắt thiết bị: Thực hiện kết nối với mạng wifi trƣớc để có kết nối tới internet, sau đó thực hiện gửi thông tin lên Broker bằng lệnh publish, sau đó chờ thông tin có trên Broker (ở đây là th ng tin do chính nó gửi lên), khi nhận đƣợc thông tin thì ESP32 thực hiện bật/ tắt thiết bị có sẵn trên bộ kit. Kết nối và gửi dữ liệu thành công lên
Hình 3.6. Quá trình kết nối thành công thiết bị lên webserver
Hình 3.7. Quá trình bật tắt từ webserver truyền về thiết bị
3.3.2. Thực hiện đo nhiệt độ, độ ẩm gửi lên MQTT Broker
ấu nối cảm biến DHT11 với NodeM U nhƣ hình vẽ
Hình 3.8. Sơ đồ đấu nối cảm biến DHT11 với NodeMCU
- hân đất của DHT11 nối với chân GND của NodeMCU.
- Chân nguồn của DHT11 nối với chân nguồn 5V của NodeMCU. - Chân tín hiệu của DHT11 nối với chân D2 của NodeMCU.
Sau khi chuẩn bị xong phần cứng, thực hiện chuẩn bị mã nguồn để nạp vào NodeMCU. Thiết bị sẽ kết nối lên Broker, sau đó lấy dữ liệu từ cảm biến DHT11, gửi dữ liệu nhiệt độ độ ẩm lên Broker.
Tạo Code mô tả trƣờng dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm nhận đƣợc từ thiết bị trên Home Asstant.
Hình 3.9. Tạo trường dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm trên Home Assitant
Cảm biết DHT11 thu thập dữ liệu nhiệt độ độ ẩm và thông qua NodeMCU ESP32 gửi lên MQTT Broker và hiển thị ra hai trƣờng dữ liệu.
Hình 3.10. Dữ liệu trường nhiệt độ, độ ẩm trên webserver
3.3.3. Đánh giá kết quả mô phỏng.
Quá trình mô phỏng đã thực hiện đƣợc kết nối từ một client đến MQTT Broker. Gửi (publish) dữ liệu lên Broker, và nhận thông tin (subcribe) từ Broker, kiểm tra publish và subcribe dữ liệu giữa client và MQTT roker để thực hiện bật/ tắt thiết bị. Lập trình để đọc các dữ liệu do sensor cảm biến nhiệt độ, độ ẩm thu nhận đƣợc. Sau đó gửi dữ liệu lên webserver một cách trực quan và dễ hiểu. Qua nhiều lần thử nghiệm, chƣơng trình demo chạy ổn định, đúng nhƣ thiết kế hệ thống. Kết quả cho thấy, kết quả đo thiết bị bằng thủ c ng và đo tự động bằng sensor (chƣơng trình demo) là nhƣ nhau. Phần mềm điều khiển đƣợc viết trên nền Web trực quan và dễ sử dụng đảm bảo các tiêu chí đáp ứng thời gian tốt, sử dụng hiệu quả tài nguyên phần cứng, đảm
3.4. ẾT QUẢ THỰ GHIỆ 3.4.1. Mô hình.
Hình 3.11. Mô hình hệ thống hoàn thiện
Luận văn đã thiết kế thành công mô hình mạng cảm biến có khả năng tích hợp IoT, phục vụ cho các ứng dụng trong giám sát thiết bị điện phòng học.
Board ESP32-DevKitC là mạch điều khiển chính trong hệ thống. Chúng tôi đã biết cách ứng dụng chức năng tích hợp Wifi trong board để phát triển hệ thống điều khiển thiết bị từ xa. Từ đó nắm đƣợc bản chất điều khiển, để có thể mở rộng cho các ứng dụng oT sau này, điều khiển đƣợc một hệ thống lớn. Th ng qua đề tài chúng tôi đã biết cách điều khiển và giám sát thiết bị điện qua nternet (Wifi). ồng thời thiết kế đƣợc giao diện Web Server, ứng dụng Home Assistant cho hệ thống điều khiển. Tất cả đều đƣợc lƣu trữ tại MQTT roke. ề tài có sử dụng cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, qua đó chúng tôi biết đƣợc cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng nhƣ cách sử dụng cảm biến, đồng thời đánh giá đƣợc hiệu năng trong việc giao tiếp giữa các thiết bị cảm biến của mô hình ứng dụng. Cảm biến DHT11 thu thập dữ liệu nhiệt độ độ ẩm và thông qua ESP32 gửi lên MQTT Broke và hiển thị ra hai trƣờng dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm.
3.4.2. Điều khiển và giám sát thiết bị cảm biến qua Web Server
iều khiển
Hình 3.12. Giao diện màn hình điều khiển bật/ tắt các thiết bị trên Webserver
Giao diện website điều khiển nhƣ hình 3.12: gồm các nút điều khiển bật/ tắt đèn, quạt, tivi, máy chiếu, giá trị nhiệt độ, độ ẩm đƣợc cập nhật và các trạng thái của thiết bị, … Website này có thể đƣợc truy cập từ bất cứ nơi đâu có kết nối Internet, Wifi, 3G, …
Giao diện màn hình điều khiển khi tất cả thiết bị tắt:
Hình 3.13. Các thiết bị khi chưa được bật trên màn hình điều khiển
Giao diện màn hình điều khiển khi tất cả thiết bị đƣợc bật:
Hình 3.14. Các thiết bị được bật trên màn hình điều khiển
Giám sát
Hình 3.15. Trạng thái thiết bị được giám sát trên MQTT Broker
3.5. H XÉT VÀ ÁNH GIÁ. 3.5.1. Nhận xét
Chúng tôi đã hoàn thành hệ thống đáp ứng cơ bản những yêu cầu ban đầu đặt ra, dƣới đây là một số nhận xét.
u điểm: Hệ thống hoạt động ổn định qua nhiều lần thử nghiệm; đồng bộ trạng thái điều khiển từ mô hình hệ thống, nút nhấn (công tắc), giao diện Web và Server; giám sát đƣợc lịch sử điều khiển thiết bị; giám sát đƣợc nhiệt độ và độ ẩm của bộ điều khiển; tốc độ điều khiển tƣơng đối nhanh, giao diện điều khiển trực quan; dễ dàng sử dụng, lắp đặt và bảo dƣỡng.
h ợc điểm: Hệ thống phụ thuộc vào tốc độ mạng Wifi và sự ổn định của Server MQTT Broker, chƣa tích hợp nhiều tính năng thành một hệ thống IoT hoàn chỉnh.
3.5.2. Đánh giá
Tiến hành truy cập nhật ký, lịch sử của ứng dụng Home Assistant ta có đánh giá nhƣ sau:
Thời gian đáp ứng:
- Lần lƣợt cho các thiết bị nhƣ: quạt, đèn, máy chiếu, tivi, camera, … hoạt động sau thời gian 5 phút, nhật ký hệ thống hiển thị nhƣ sau:
+ Thời gian bật các thiết bị: 1 - 2 giây.
- Tiếp tục cho các thiết bị nhƣ: quạt, đèn, máy chiếu, tivi, camera, … ngƣng hoạt động sau thời gian 5 phút, thời gian tắt các thiết bị: 1 - 2 giây.
- Sau nhiều lần thử nghiệm cho các thiết bị nhƣ: quạt, đèn, máy chiếu, tivi, camera, … hoạt động trong những khung thời gian khác nhau: 10phút, 15phút, … 30phút, thì hệ thống các nút mạng hoạt động ổn định, thời gian đáp ứng cũng đạt từ 1 - 3 giây.
T i u hóa mô h nh
- Hệ thống có khả năng tƣơng tác qua lại giữa các mạng và các thiết bị. - Hệ thống đƣợc thiết lập tự động: tự kết nối mạng, tự cấu hình, tự kết nối giữa các thiết bị cảm biến với nhau khi bị cúp điện đột xuất.
- Hệ thống thu thập, giao tiếp và xử lý tự động dữ liệu giữa các thiết bị nhanh chóng.
Quá trình mô phỏng đã thực hiện đƣợc kết nối từ một client lên MQTT Broker. Gửi (publish) dữ liệu lên MQTT Broker, và nhận thông tin (subcribe) từ MQTT Broker, kiểm tra publish và subcribe dữ liệu giữa client và MQTT roker để thực hiện bật tắt thiết bị điện. Sử dụng ngôn ngữ lập trình Python để đọc các dữ liệu do sensor cảm ứng nhiệt độ, độ ẩm thu nhận đƣợc. Sau đó gửi dữ liệu lên webserver một cách trực quan.
Qua nhiều lần thử nghiệm, chƣơng trình demo chạy ổn định, đúng nhƣ thiết kế hệ thống. Ngoài ra chƣơng trình demo còn sử dụng các thiết bị hiện có trên thị trƣờng (nhiệt kế, ẩm kế) để đo thủ công cùng thời điểm với các sensor của hệ thống thu dữ liệu. Kết quả cho thấy, cách đo bằng thiết bị đo thủ c ng và đo tự động bằng sensor (chƣơng trình demo) là nhƣ nhau.
Khả năng ứng dụng và phát triển chƣơng trình thực nghiệm: Với chi phí hợp lý (Bộ ESP32-WOOM-32, máy chủ Home Assistant và các sensor cảm ứng khá thông dụng và dễ dàng mua sắm với giá cả hợp lý), các công nghệ hỗ
trợ sẵn có và khá mạnh (ngôn ngữ lập trình Python và các thƣ viện hỗ trợ), việc triển khai lắp đặt bộ thiết bị và cài đặt chƣơng trình demo tại các phòng học là hoàn toàn khả thi, có thể triển khai bộ thiết bị và chƣơng trình trên nhiều dãy phòng học khác nhau.
Ngoài ra, trong quá trình vận hành hệ thống, chúng tôi đã ghi nhận lại kết quả cuả mô hình cụ thể nhƣ sau:
- Kết n i phần cứng: Phần cứng đƣợc kết nối nhƣ hình 3.16 bao gồm mạch điều khiển trung tâm kết nối với cơ cấu chấp hành thử nghiệm là bóng đèn, quạt, tivi, máy chiếu, camera …. P hoặc Smartphone có thể sử dụng để giám sát, điều khiển và thu nhận trạng thái thiết bị.
Hình 3.16. Kết nối phần cứng thiết bị
- Giao tiếp với Web:
Hình 3.17. Truy cập thiết bị từ mạng LAN Hình 3.18. Ping thiết bị từ mạng LAN Hình 3. 18. Ping t hiết bị từ mạ ng LAN
Giao diện điều khiển đƣợc viết trên nền Web, có thể truy cập qua Internet từ PC hoặc Smartphone. Tiến hành kết nối hệ thống thông qua Ethernet bằng lệnh PING. Kết quả P N thành c ng nhƣ hình 3.18.
- Tiến hành cho các thiết bị hoạt động để đánh giá hiệu năng của các cảm biến qua nhiều lần chạy thử nghiệm cho mô hình, ta có bảng đánh giá sau:
Bảng 3.1: Số liệu thực nghiệm ông việc S lần Thao tác S lần Thành công Thời gian áp ứng ánh giá
iều khiển bằng nút nhấn 50 50 1 giây ạt iều khiển thiết bị qua
giao diện Web 50 48 1 – 2 giây ạt
iám sát cảm biến Ổn định Ổn định 2 giây ạt
ánh giá chung ạt
Qua những số liệu đƣợc thống kê ở bảng trên, chúng tôi đánh giá hệ thống về cơ bản đã đáp ứng đƣợc mục tiêu đặt ra. Hệ thống hoạt động ổn định sau nhiều lần chạy, kiểm tra thử trong nhiều trƣờng hợp. Mô hình có tính an toàn, dễ dàng lắp đặt và sử dụng, ngoài ra, hệ thống sử dụng nguồn cấp nhỏ 12V nên an toàn cho ngƣời sử dụng trƣớc nguy cơ điện giật.
Hình 3.19. Biểu đồ đánh giá hoạt động của hệ thống
Thời gian đáp ứng từ khi nhấn nút trực tiếp hoặc gián tiếp qua webserver khá nhanh, trong khoảng 1-2 giây. Thời gian đáp ứng khi cập nhật dữ liệu website liên tục mỗi khi có thay đổi trạng thái thiết bị. ể đƣa hệ thống này áp dụng vào thực tế thì chúng tôi cần phải hoàn thiện một số chức năng sau: tối ƣu hóa m hình, thêm một số chức năng nhƣ: cảnh báo chống trộm, báo cháy, … Sau thời gian test thử, mạch và hệ thống cảm biến ổn định. Tốc độ điều khiển và phản hồi nhanh.
Hình 3.20. Biểu đồ đánh giá thời gian đáp ứng của hệ thống
3.6. ẾT U VÀ H Ớ G PHÁT TRIỂ 3.6.1. Kết luận
Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu và thực hiện mô hình, nhiệm vụ đề tài cơ bản đƣợc hoàn thành. Bằng sự cố gắng của bản thân, học hỏi từ Thầy Cô, bạn bè tôi đã hoàn thành đề tài, đạt đƣợc yêu cầu đặt ra là thiết kế và thi công m hình điều khiển, giám sát thiết bị điện cũng nhƣ giám sát đƣợc nhiệt độ, độ ẩm của phòng học và tất cả các bị có trong phòng học bằng giao diện website thân thiện với ngƣời dùng.
Luận văn đã nghiên cứu tổng quan về vấn đề công nghệ Internet of Things, xu hƣớng phát triển của hiện tại và tƣơng lai. Biết đƣợc quá trình trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị và thiết bị với ngƣời dùng qua giao thức MQTT, một giao thức đang ngày đƣợc sử dụng phổ biến với cơ chế gửi dạng publish/ subcrible sử dụng cho các thiết bị Internet of Things với băng th ng thấp, độ tin cậy cao và khả năng đƣợc sử dụng trong mạng lƣới không ổn định. Ngoài ra luận văn cũng đã đƣa ra đƣợc các nội dung chính về tìm hiểu cấu trúc chƣơng trình Python cho SP32 và giải pháp công nghệ Home Assistant, đặc biệt về các hệ thống điều khiển, code điều khiển hệ thống và cách hoạt động của các thiết bị điện,… Quá trình xây dựng ứng dụng IoT trên giao thức MQTT; hiểu về quá trình hoạt động các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm (DHT11)
thu thập dữ liệu, Module wifi ESP32 nhận và gửi dữ liệu lên server, đồng thời thực hiện quá trình mô phỏng bật tắt thiết bị điện từ MQTT Broker, giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong phòng học và gửi dữ liệu lên webserver giúp chúng ta có thể theo dõi thiết bị điện ở bất cứ đâu. Qua đó, ta có thể phát triển tích hợp thêm các cảm biến giúp ngƣời dùng có thể theo dõi, giám sát và bật tắt các thiết bị điện cần thiết trong phòng học bất cứ lúc nào dù đang ở bất cứ nơi đâu qua Smartphone hay Table có kết nối mạng internet.
3.6.2. Hướng phát triển.
Hệ thống hiện tại đã đáp ứng đƣợc việc điều khiển và giám sát các thiết bị điện phòng học. Tuy nhiên, hệ thống có thể phát triển thêm nhiều chức năng khác nhƣ: thêm tính năng giám sát các thiết bị điện trong nhà và điều khiển chúng theo ý muốn của chủ sở hữu, thực hiện các công việc cụ thể khác khi cài đặt nhiệt độ, độ ẩm quá ngƣỡng nhƣ trong ng i nhà,… Thêm nhiều node cảm biến hơn trên một sản phẩm, xây dựng thành mạng cảm biến để có thể thu thập, giám sát và cảnh báo khi có những sự cố vƣợt quá ngƣỡng cho phép. Cần bổ sung thêm một số chức năng nhƣ cảnh báo chống trộm, báo cháy, tích hợp thẻ từ để mở/ khóa cửa phòng học; thiết kế đƣợc một mạch chuyển sang dùng Acqui dự trữ trong trƣờng hợp mất điện, hoặc phát triển thêm khi kết hợp với Solar cell (Pin điện quang) để hệ thống có thể làm việc độc lập với năng lƣợng sẵn có từ tự nhiên. Sản phẩm thu thập và đánh giá nhiệt độ, độ ẩm m i trƣờng có thể đƣợc ứng dụng thực tiễn trong các ngôi nhà thông minh, áp dụng trong nông nghiệp ở các trang trại cần sự đảm bảo về nhiệt độ, độ ẩm (trang trại chăn nu i gà, trồng nấm, vƣờn ƣơm cây, lò ấm trứng…), ứng dụng trong công nghiệp để đảm bảo tính chính xác trong sản xuất. Sản phẩm cũng có thể áp dụng trong giám sát, quan trắc, thời tiết m i trƣờng… ựa vào sự biến đối của nhiệt độ, độ ẩm của m i trƣờng theo thời gian để có những dự báo hoặc biện pháp phù hợp với khu vực cần khảo sát, thực nghiệm.
DA H Ụ TÀI IỆU THA HẢO ác Webside tham khảo
[1] http://IoTvietnam.com/internet-of-things-la-gi
[2] “What is the nternet of Things? An conomic Perspective” Auto-ID Labs. [3] Dr. Ovidiu Vermesan, Dr. Peter Friess, Patrick Guillemin, Internet of
Things Strategic Research Roadmap, 2009 Strategic Research Agenda, The IoT European Research Cluster - European Research Cluster on the Internet of Things (IERC).
[4] Chui, Michael; Löffler, Markus; Roberts, Roger. “The nternet of Things”. McKinsey Quarterly. McKinsey & Company.
[5] Andy, Stephen Clark. "MQTT For Sensor Networks (MQTT-SN) Protocol Specification Version 1.2". Retrieved 9 May 2014.
[6] Everton Cavalcante, Marcelo Pitanga Alves, An Analysis of Reference Architectures for the Internet of Things, Corba 2015.
[7] Vongsingthong, S.; Smanchat, S. (2014). “ nternet of Things: A review of applications & technologies”
[8] "OASIS Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) Technical Committee". OASIS. Retrieved 9 May 2014.
[9] https://viblo.asia/p/mqtt-la-gi-vai-tro-cua-mqtt-trong-iot-V3m5WL3bKO7 [10] Andy, Stephen Clark. "MQTT For Sensor Networks (MQTT-SN) Protocol
Specification Version 1.2". Retrieved 9 May 2014
[11] https://www.vnecotec.com/5-giao-thuc-nhan-tin-iot-hang-dau/
[12] Anna Ha’c, Wireless Sensor Network esigns, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd, Copyright 2003.
[13] Edgar H.Callaway, Jr. Wireless Sensor Networks: Architectures and Protocols, A CRC Press Company, Copyright © 2004 CRC Press LLC. [14] . J. Hughes, J. . Parsons, . L. White (1997), “Principles of Performance