MC LC
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
1.4.7. Giao tiếp trong Wifi
Trao đổi dữ liệu trong Wifi đƣợc chia làm 3 giai đoạn [23]:
- Giai đoạn 1: Dữ liệu đƣợc chuẩn bị để truyền, nó đƣợc mã hóa thay đổi thành tín hiệu số. Tại đây tần số truyền dữ liệu cũng đƣợc lựa chọn tùy thuộc vào kỹ thuật sử dụng để gửi tín hiệu không dây.
- Giai đoạn 2: Dữ liệu đƣợc truyền thông qua sóng vô tuyến.
- Giai đoạn 3: Dữ liệu đƣợc nhận sau đó tiến hành giải mã tín hiệu số, xác nhận và cuối cùng là sử dụng.
1.4.8. Ưu nhược điểm.
u điểm: ễ dàng cài đặt, tính linh hoạt cao, chi phí phù hợp, độ tin cậy, khả năng bảo mật tốt, tốc độ nhanh.
h ợc điểm: Tiêu thụ điện năng cao, phạm vi hoạt động giới hạn.
1.4.9. So sánh WiFi với một số công nghệ không dây khác.
ng nghệ kh ng dây kh ng phải là một ý tƣởng mới, trong thời đại c ng nghệ hiện nay, nhu cầu phát triển các hệ thống kh ng dây ngày càng nhiều trên những lĩnh vực khác nhau. Vấn đề là c ng nghệ nào sẽ thích hợp trong lĩnh vực nào, trƣờng hợp nào, điều này phụ thuộc vào phạm vi hoạt động, khả năng bảo mật, băng th ng, tốc độ, giá cả, cách truyền tín hiệu, khả năng kết nối giữa các thiết bị, năng lƣợng và tính dễ sử dụng của c ng nghệ đó, cho phép kết nối kh ng dây ở khoảng cách xa, giá thành phù hợp (Wi-Fi), có công nghệ giá rẻ nhƣng khoảng cách lại quá ngắn nfrared data association ( r A), có những thiết bị mà năng lƣợng là nguồn sống còn thì vấn đề tiết kiệm năng lƣợng đƣợc đặt lên hàng đầu. Wi i là một c ng nghệ dung hòa giữa vấn đề sử dụng năng lƣợng, khoảng cách, giá cả, bảo mật và tính dễ sử dụng. Ta có bảng so sánh đặc tính của Wi i, luetooth và Hồng ngoại sau:
Bảng 1.2: So sánh giữa Wi-Fi, Bluetooth và Hồng ngoại
802.11b (Wi-Fi) Bluetooth Hồng ngoại
Tầm hoạt động
Phiên bản kh ng dây của chuẩn Ethernet.
Truy cập mạng không dây với khoảng cách dài
Thay thế cho cáp của thiết bị cá nhân.
Truy cập mạng kh ng dây khoảng cách trung bình Infrared data association (IrDA) thay thế cáp của các thiết bị cá nhân. Truy cập mạng không dây với khoảng cách ngắn
ăng thông 11 Mbps, chia sẻ 1 Mbps, chia sẻ 4Mbit/s - 16 Mbit/s ăng thông hiệu
quả
Tối thiểu từ 2 - 3 Mbps với W P
hiễu
ác thiết bị sử dụng sóng radio khác, các vật liệu, thiết bị xây dựng.
ác thiết bị sử dụng sóng radio khác, các vật liệu, thiết bị xây dựng. Không ảo mật Kh ng an toàn nếu không đƣợc bảo mật tốt. Mức độ liên kết WEP đƣợc cài sẵn dễ bị bẻ gẫy. ó thể tin tƣởng vào các ứng dụng phân quyền và đƣợc mã hoá Kh ng bảo mật bằng wifi. Mức độ liên kết đƣợc thiết lập sẵn là “Authorized”. Khó đụng độ hơn khi trong trạng thái sniffing. Vẫn yêu cầu các ứng dụng có phân quyền và mã hoá. ản thân Hồng ngoại đã thiết lập bảo mật sẵn. ăng l ợng ti u thụ Rất cao ần rất nhiều năng lƣợng để duy trì kết nối. Thấp hơn nhiều ó 3 chế độ Standby modes: Sniff, Hold,
Park để giảm năng lƣợng duy trì kết nối.
Rất thấp
Thiết bị hỗ trợ
ƣợc lắp đặt sẵn trong các laptop hiện đại, hoặc các thiết bị yêu cầu: external H/W card
ƣợc lắp đặt sẵn trong các laptop hiện đại, hoặc các thiết bị yêu cầu: external H/W card
ƣợc khẳng định trên phạm vi toàn thế giới với hơn 150 triệu thiết bị hỗ trợ cùng với phần cứng và nhiều phần mềm cơ sở khác. hững b ớc tru cập v o mạng LAN
Yêu cầu kiến thức về thiết lập mạng
Yêu cầu biết thiết lập
access point ơn giản
hoảng cách 100 m 10 m 1 m
Giá thành $25 $5 $1
Ứng dụng hỗ trợ TCP/IP TCP/IP, OBEX OBEX
Phải kết n i theo đ ờng thẳng Không Không Tầm hoạt động trong một hình nón mà góc ở chóp là 300 và không thể xuyên vật cản. S thiết bị có thể truy cập đồng thời
1.4.10. Bảo mật.
Từ khi ra đời, Wifi đƣợc cho là kh ng đảm bảo an toàn về quyền riêng tƣ, dữ liệu truyền qua Wifi có thể dễ dàng bị đánh cắp. Từ đó, các biện pháp bảo mật cho Wifi đã đƣợc sử dụng, có hai tiêu chuẩn bảo mật phổ biến: Wireless Equivalent Privacy (WEP) và Wifi Protected Access (WPA).
1.5. HOME ASSISTANT (HASS) 1.5.1. Khái niệm 1.5.1. Khái niệm
Home Assistant (Hass) là một mã nguồn mở miễn phí, thƣờng đƣợc cài đặt trên máy tính, giúp ta kết nối tất cả các thiết bị thông minh vào cùng một hệ thống, quản lý giám sát nhà thông minh ở bất kỳ đâu trên thế giới và trên mọi thết bị.
Home Assistant đƣợc lập trình bằng ngôn ngữ Python, đƣợc cộng đồng phát triển nên nó đƣợc cung cấp hoàn toàn miễn phí, khả năng an toàn, bảo mật thông tin do nó hoạt động trong mạng LAN, không hề đƣa dữ liệu đi bất cứ đâu. Nhà sáng lập nên Home Assistant chính là Nabucasa, là ngƣời phát triển để đƣa hệ thống Home Assistant lên Cloud (hệ thống điện toán đám mây) giúp cho việc quản lý Home Assistant trở nên dễ dàng và thuận tiện.
Hình 1.25. Giao diện màn hình Home Assistant
Home Assistant (Hass) giống nhƣ một bộ não trung tâm, nhận lệnh từ các nơi gửi về và xử lý rồi lại gửi đi các thiết bị đích để thực thi. Nó có ƣu điểm là khả năng tích hợp cao với các thiết bị khác. Hiện tại các thiết bị có thể
tích hợp với Hass trên 1492 thiết bị, khả năng mở rộng của Hass hiện tại rất tốt. Khi các thiết bị đƣợc tích hợp vào Hass thì chúng sẽ làm việc chung với nhau, dù chúng là những hãng khác nhau. Nếu chúng ta chỉ dùng thiết bị điều khiển trung tâm của riêng một hãng nào đấy thì hầu nhƣ chỉ các thiết bị của hãng mới hoạt động liên kết đƣợc với nhau [24].
1.5.2. Một số đặc điểm của Home Assistant
- Giống nhƣ hầu hết các hệ thống tự động, Home Assistant cung cấp bản client trên điện thoại và máy tính để điều khiển các thiết bị nhà thông minh từ xa. Home Assistant không hoàn toàn khác biệt so với các framework IoT khác nên nó dễ dàng kết nối với nhiều nền tảng khác nhau từ Nest đến Ardunio hay Kodi, …
- Có một điểm mạnh của Home Assistant do Python mang tới đó là: Việc mở rộng hệ thống rất dễ dàng. Python là ngôn ngữ năng động, nó cho phép tạo ra sự linh hoạt mà những nhà lập trình Java luôn thèm khát. Với Python thật dễ dàng để kiểm tra và tạo các mẫu thử cho từng phần mới trên bản cài đặt hiện có mà không bị ảnh hƣởng vĩnh viễn đến các thành phần khác. ặc biệt là với phiên bản Python mới mà MicroPython vừa đƣa ra dành cho các hệ thống nhúng, nhƣ Arduino và ESP32 thì khả năng nó sẽ trở thành ngôn ngữ chung cho tất cả các mức độ IoT, từ cảm biến đến tự động hóa để tích hợp với các dịch vụ của bên thứ ba. Home Assistant là một chƣơng trình dựa trên sự kiện, kết hợp máy trạng thái theo dõi thực thể - tất cả các thiết bị đƣợc chọn. Mỗi thực thể có một định danh, điều kiện trạng thái và các thuộc tính. Thuộc tính là các mô tả của trạng thái, chẳng hạn nhƣ màu sắc, mức độ sáng trên bóng đèn th ng minh Philips Hue.
1.5.3. Tính năng của Home Assistant
- Giám sát: Home Assistant sẽ theo dõi tình trạng của tất cả các thiết bị trong nhà thay cho chúng ta, miễn là các thiết bị đó nằm trong danh sách
đƣợc Home Assistant hỗ trợ. Tính tới thời điểm này nền tảng hỗ trợ là 1063 thiết bị đến từ Nest, IFTTT, Google, Hue, MQTT, Facebook, Microsoft,…
- iều khiển: iều khiển tất cả các thiết bị từ một giao diện duy nhất, thân thiện với website, điện thoại, ...
- Tự động hóa: Thiết lập các quy tắc tiên tiến để kiểm soát thiết bị. Và từ đó biến ngôi nhà của chúng ta thành một thiên đƣờng sống đáng mơ ƣớc.
Home Assistant giúp kết nối thiết bị Xiaomi, kết nối thiết bị Broadlink, kết nối oogle Home, Alexa hay hàng trăm các hãng lại với nhau ở cùng một nơi, trong cùng 1 hệ thống để quản lý thống nhất, không mất thời gian qua lại các ứng dụng và gia tăng hiệu quả, sự thông minh cho ngôi nhà thông minh.
Tính đến thời điểm này, Home Assistant đã có thể kết nối 1492 thiết bị của hàng trăm hãng cung cấp thiết bị lại với nhau. Ngoài ra, Home Assistant còn có thể mở rộng chức năng một cách dễ dàng, hay tạo ngữ cảnh cực kỳ thuận tiện và có thể tƣơng tác với tất cả các hãng với nhau. Giống nhƣ hầu hết các hệ thống nhà thông minh, Hass cung cấp bản client trên điện thoại và máy tính để điều khiển các thiết bị nhà thông minh từ xa [24].
1.6. Ả IẾ HÔ G DÂY
Với yêu cầu của đề tài đặt ra là điều khiển, giám sát đƣợc các thiết bị điện phòng học, qua quá trình nghiên cứu, tìm hiểu tài liệu chúng tôi đã chọn giải pháp tối ƣu cho khối xử lý trung tâm là SP32 đƣợc phát triển bởi Espressif Systems. Là một vi điều khiển 32bit, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu ban đầu đặt ra, ngoài ra còn có thể mở rộng thêm một số chức năng khác khi cải tiến hệ thống.
1.6.1. Giới thiệu chip Wifi ESP32. 1.6.1.1. Tổng quan ESP32. 1.6.1.1. Tổng quan ESP32.
ESP32 là một chip đƣợc tích hợp công nghệ Wifi và Bluetooth với công nghệ tiêu thụ năng lƣợng cực thấp. Nó cung cấp một nền tảng tích hợp
mạnh mẽ, đáp ứng nhu cầu hiệu năng tốt nhất, tính linh hoạt, thiết kế nhỏ gọn, hiệu suất cao và độ tin cậy trong nhiều ứng dụng. Các dòng chip ESP32 bao gồm ESP32-D0WDQ6, ESP32- D0WD, ESP32-D2WD và ESP32-S0WD.
spressif đã thiết kế và sản xuất ra một số module để ngƣời dùng dễ dàng tiếp cận hơn với dòng chip ESP32. Các thành phần chính trên những module này bao gồm chip ESP32, bộ tạo dao động thạch anh, mạch ăngten, chỉ khác nhau về một số chức năng tùy từng phiên bản nhƣ số lƣợng chân GPIO, các thiết bị ngoại vi đƣợc thêm vào nhƣ: màn hình L , bảng cảm ứng, khe cắm thẻ SD, module máy ảnh,… dƣới đây là một số phiên bản đã đƣợc phát triển và đƣa vào sử dụng [25].
Bảng 1.3: Các phiên bản module của ESP32
Module Th nh phần
Chip Flash RAM
ESP-WROOM-32 ESP32-D0WDQ6 4MB - ESP-WROOM-32D ESP32-D0WD 4MB - ESP-WROOM-32U ESP32-D0WD 4MB - ESP-SOLO-1 ESP32-S0WD 4MB - ESP-WROVER ESP32-D0WDQ6 4MB 8MB ESP-WROVER-I ESP32-D0WDQ6 4MB 8MB
Phiên bản ESP32-WOOM-32 là một module vi điều khiển (MCU) Wifi (Wireless Fidelity) - BT (Bluetooth) - BTE (Bluetooth Low Energy) phổ biến và mạnh mẽ phục vụ cho nhiều ứng dụng khác nhau từ những ứng dụng đơn giản nhƣ điều khiển thiết bị, đọc giá trị cảm biến đến những nhiệm vụ phức tạp nhƣ mã hóa giọng nói, phát nhạc trực tuyến, giải mã MP3,…[25]
Module này đƣợc xây dựng với lõi nhân là chip ESP32-D0WDQ6, chip đƣợc thiết kế để có thể mở rộng. Có 2 lõi CPU (Central Processing Unit) có thể kiểm soát riêng biệt và tần số xung đồng hồ dao động từ 80MHz đến 240MHz. Do tích hợp Bluetooth, Bluetooth LE, Wifi nên rất nhiều ứng dụng có thể thực hiện đƣợc trên module. Sử dụng Wifi cho phép kết nối trong phạm vi rộng, không giới hạn, sử dụng Bluetooth cho phép kết nối một cách dễ dàng. Module cũng hỗ trợ truyền dữ liệu lên đến 150Mbps.
- Kiến trúc [25].
Hình 1.27. Kiến trúc của ESP32
- Một s ứng dụng của ESP32: a số các ứng dụng của SP32 đƣợc phục vụ cho các dự án IoT nhƣ: Nhà th ng minh, Robot c ng nghiệp, nhận dạng giọng nói, nhận dạng hình ảnh, ứng dụng chăm sóc sức khỏe, …
1.6.1.2. Đặc điểm ESP32.
• ức năng l ợng thấp: hip SP32 đƣợc thiết kế cho các ứng dụng di động, điện tử, ứng dụng IoT. ESP32 có tất cả các đặc tính của một chip tiêu thụ mức năng lƣợng thấp, nhiều chế độ hoạt động giúp giảm thiểu tối đa năng lƣợng mà chip tiêu tốn. Ví dụ cảm biến trong ứng dụng IoT, SP32 đƣợc đánh thức theo chu kỳ và chỉ phát hiện khi có một điều kiện cụ thể.
• Tích hợp ho n chỉnh: hip SP32 có khả năng tích hợp cao Wifi và luetooth cho các ứng dụng IoT, với khoảng 20 thiết bị ngoại vi. SP32 tích hợp ăngten, sóng R (Radio frequency), bộ khuếch đại c ng suất, bộ khuếch đại thu tiếng ồn, module quản lý năng lƣợng, …
Thông s kỹ thuật cơ bản của module ESP32-WOOM-32 0
Bảng 1.4: Thông số kỹ thuật cơ bản của module ESP32-WOOM-32
oại ặc tr ng Thông s
Wifi iao thức 802.11 b/g/n (802.11n lên đến 150 Mbps) Tần số 2.4GHz ~ 2.5GHz
Bluetooth
iao thức Bluetooth v4.2 và Bluetooth Lower Energy Radio
NZ với độ nhạy -97dBm
Máy phát Class-1, Class-2, Class-3 AFH
Audio CVSD và SBC
Phần cứng
iao tiếp module
Thẻ S , UART, SP , S O, 2 , Led PWM, Motor PWM, I2S, IR, Counter, P O, cảm biến cảm ứng, A , A
hip cảm biến Hall sensor (từ trƣờng) Thạch anh 40MHz
SPI Flash 4MB
iện áp hệ thống 2.7V ~ 3.6V òng hệ thống Trung bình: 80mA òng điện tối
thiểu của nguồn cung cấp
500mA
Nhiệt độ hoạt động -40℃ ~ +85℃
Kích thƣớc (18.0) mm x (25.5) mm x (3.1) mm
1.6.1.3. Sơ đồ chân của module ESP32-WOOM-32
Module có tổng cộng 38 chân 0
Bảng 1.5: Định nghĩa các chân module ESP32-WOOM-32
Tên S oại hức năng
GND 1 P (nguồn) Ground
3V3 2 P hân nguồn cung cấp 3V3
EN 3 I (input) ho phép module hoạt động, mức cao SENSOR_VP 4 I GPIO36, ADC1_CH0, RTC_GPIO0 SENSOR_VN 5 I GPIO39, ADC1_CH3, RTC_GPIO3 IO34 6 I GPIO34, ADC1_CH6, RTC_GPIO4 IO35 7 I GPIO35, ADC1_CH7, RTC_GPIO5
IO32 8 I/O (input, output)
GPIO32, XTAL_32K_P, ADC1_CH4, TOUCH9, RTC_GPIO9
IO33 9 I/O GPIO33, XTAL_33K_N, ADC1_CH5, TOUCH8, RTC_GPIO8
IO25 10 I/O GPIO25, DAC_1, ADC2_CH8, RTC_GPIO6
IO26 11 I/O GPIO26, DAC_2, ADC2_CH9, RTC_GPIO7
IO27 12 I/O GPIO27, ADC2_CH7, TOUCH7 RTC_GPIO17
IO14 13 I/O GPIO14, ADC2_CH6, TOUCH6, RTC_GPIO16
IO12 14 I/O GPIO12, ADC2_CH5, TOUCH5, RTC_GPIO15
GND 15 P Ground
IO13 16 I/O GPIO13, ADC2_CH4, TOUCH4, RTC_GPIO14
SHD/SD2 17 I/O GPIO9, SD_DATA2, U1RXD SWP/SD3 18 I/O GPIO10, SD_DATA3, U1TXD SCS/CMD 19 I/O GPIO11, SD_CMD, U1RTS SCK/CLK 20 I/O GPIO6, SD_CLK, U1CTS
SDO/SD0 21 I/O GPIO7, SD_DATA0, U2RTS SDI/SD1 22 I/O GPIO8, SD_DATA1, U2CTS
IO15 23 I/O GPIO15, ADC2_CH3, TOUCH3, RTC_GPIO13
IO2 24 I/O GPIO2, ADC2_CH2, TOUCH2, RTC_GPIO12
IO0 25 I/O GPIO0, ADC2_CH1, TOUCH1, RTC_GPIO11, CLK_OUT1
IO4 26 I/O GPIO4, ADC2_CH0, TOUCH0, RTC_GPIO10
IO16 27 I/O GPIO16, HS1_DATA4, U2RXD IO17 28 I/O GPIO17, HS1_DATA5, U2TXD
IO5 29 I/O GPIO5, HS1_DATA6 IO18 30 I/O GPIO18, HS1_DATA7 IO19 31 I/O GPIO19, U0CTS
NC 32 - -
IO21 33 I/O GPIO21, VSPIHD
TXD0 35 I/O GPIO1, U0TXD, CLK_OUT3 IO22 36 I/O GPIO22, VSPIWP, U0RTS IO23 37 I/O GPIO23, VSPID
GND 38 P Ground
Hình 1.28. Sơ đồ bố trí chân của module ESP32-WOOM-32
1.6.1.4. Chức năng tích hợp trong ESP32
ESP32 có cấu hình khủng, thêm chức năng, tăng số chân /O, thêm nhiều cảm biến, giá thành phù hợp, …
a. Cấu hình ESP32
Hình 1.29. Hình ảnh thực tế board ESP32
CPU:
• CPU: Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor. • hạy hệ 32 bit
• Tốc độ xử lý 160MHz up to 240 MHz
• Tốc độ xung nhịp đọc flash chip 40MHz đến 80 MHz (tùy chỉnh khi lập trình)
• RAM: 520 K yte SRAM: 520 K SRAM liền chip (trong đó 8 K RAM RT tốc độ cao – 8 K RAM RT tốc độ thấp (dùng ở chế độ DeepSleep).
Hỗ trợ 2 giao tiếp không dây
• Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/i
• Bluetooth: v4.2 BR/EDR and BLE
Hỗ trợ tất cả các loại giao tiếp
• 8-bit DACs (digital to analog) 2 cổng • Analog(ADC) 12-bit 16 cổng.
• I²C – 2 cổng • UART – 3 cổng
• SPI – 3 cổng (1 cổng cho chip LASH ) • I²S – 2 cổng
• SD card /SDIO/MMC host • Slave (SDIO/SPI)
• Ethernet MAC interface with dedicated DMA and IEEE 1588