30
a) Giới thiệu:
MQTT được viết tắt từ Message Queue Telemetry Tranport.
Đây là một giao thức truyền thông điệp (message) theo mô hình publish/subscibe ( publish – theo dõi), sử dụng băng thông thấp, độ tin cậy cao và có khả năng hoạt động trong điều kiện đường truyền không ổn định. MQTT đã ngày một phổ biến do sự phát triển của IOT.
Hình 3.22: Hình tượng trưng giao thức MQTT
MQTT là lựa chọn lý tưởng trong các môi trường như: Trong môi trường mạng kém, thiếu tin cậy
Khi chạy trên thiết bị nhúng bị giới hạn về tài nguyên tốc độ và bộ nhớ. Được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực dầu khí, nhà thông minh.
Những nơi mà giá mạng viễn thông đắt đỏ hoặc băng thông thấp hay thiếu tin cậy. Khi chạy trên thiết bị nhúng bị giới hạn về tài nguyên tốc độ và bộ nhớ.
b) Tính năng và đặc điểm nổi bật: [8]
- Nhẹ và hiệu quả: Các máy khách MQTT rất nhỏ, yêu cầu tài nguyên tối thiểu nên có thể được sử dụng trên các bộ vi điều khiển nhỏ. Tiêu đề tin nhắn MQTT nhỏ để tối ưu hóa băng thông mạng.
- Truyền thông hai hướng: MQTT cho phép nhắn tin giữa thiết bị với đám mây và đám mây với thiết bị. Điều này giúp dễ dàng truyền thông tin đến các nhóm.
- Quy mô lớn: MQTT có thể mở rộng quy mô để kết nối với hàng triệu thiết bị IoT.
31 - Gửi tin nhắn đáng tin cậy: Độ tin cậy của việc gửi thông tin là rất quan trọng đối với nhiều trường hợp sử dụng IoT. Đây là lý do tại sao MQTT có 3 mức chất lượng dịch vụ được xác định: 0 - nhiều nhất một lần, 1- ít nhất một lần, 2 - chính xác một lần.
-Hỗ trợ cho các mạng không đáng tin cậy: Nhiều thiết bị IoT kết nối qua mạng di động không đáng tin cậy. Hỗ trợ của MQTT cho các phiên liên tục giúp giảm thời gian kết nối lại khách hàng với nhà môi giới.
-Đã bật bảo mật: MQTT giúp dễ dàng mã hóa tin nhắn bằng TLS và xác thực máy khách bằng các giao thức xác thực hiện đại, chẳng hạn như OAuth.
c) Ứng dụng của MQTT
Chính vì những ưu điểm nổi bật đó mà MQTT xuất hiện trong rất nhiều các dự án và trong rất nhiều các lĩnh vực: nhà thông minh, ô tô, dầu khí,….
Các ứng dụng thực tế [8]:
- OpenHAB, nền tảng nhà thông minh mã nguồn mở hỗ trợ MQTT.
- Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn SensorThings API của Open Geospatial Consortium bao gồm một phần mở rộng MQTT trong giao thức tin nhắn. Nó đã được chứng minh ở một đơn vị thí điểm IoT của Bộ An ninh Nội địa Hoa Kỳ.
- XIM, Inc. đã giới thiệu một ứng dụng MQTT client cho Android và iOS, tên là MQTT Buddy.
- Node-RED hỗ trợ MQTT với TLS kể từ phiên bản 0.14.
- Home Assistant, nền tảng nhà thông minh mã nguồn mở, hỗ trợ MQTT và cung cấp bốn tùy chọn cho MQTT broker.
- Ejabberd hỗ trợ MQTT kể từ phiên bản 19.02.
- Eclipse Foundation với giao thức Sparkplug tương thích MQTT. Sparkplug được xây dựng dựa trên MQTT, cộng thêm các tính năng cần thiết trong các ứng dụng công nghiệp thời gian thực.
3.3.2. Mô hình Pub/Sub và Cơ chế hoạt động của MQTT: 1. Mô hình Pub/Sub: 1. Mô hình Pub/Sub:
- Thành phần: ● Client
32 Subscriber - Nơi nhận thông điệp
● Broker - Máy chủ môi giới
Client
Client của MQTT là bất kì một thiết bị nào chạy trên thư viện MQTT và kết nối với MQTT Broker qua internet. Client được chia là hai thành phần là Publisher và Subcriber. Client chỉ được làm ít nhất một trong hai nhiệm vụ, có thể publish các message lên một hay nhiều topic hoặc là subcriber vào một topic nào đó để nhận thông tin từ topic này.
Broker
Broker được coi như một trung tâm của các client thưc hiện Pub/Sub. Có thể nhận và xử lí thông tin từ hàng ngàn Client khác nhau.
Hình 3.23: Mô hình Pub/Sub
Ưu điểm [8]:
Kết nối riêng rẽ, độc lập.Khả năng mở rộng. Thời gian tách biệt (Time decoupling).
33
Nhược điểm [8]:
Máy chủ môi giới (Broker) không cần thông báo về trạng thái gửi thông điệp. Do đó không có cách nào để phát hiện xem thông điệp đã gửi đúng hay chưa.
Publisher không hề biết gì về trạng thái của subscribe và ngược lại. Vậy làm sao chúng ta có thể đảm bảo mọi thứ đều ổn.
Những kẻ xấu (Malicious Publisher) có thể gửi những thông điệp xấu, và các Subscriber sẽ truy cập vào những thứ mà họ không nên nhận.
2. Cơ chế hoạt động của MQTT:
Hình 3.24: Cơ chế hoạt động
MQTT hoạt động theo cơ chế Publish / Subscribe cho phép các thiết bị biên của mạng xuất bản cho Broker. Client kết nối với broker này, sau đó làm trung gian giao tiếp giữa hai thiết bị. Mỗi thiết bị có thể sub hoặc đăng ký các kênh cụ thể. Khi một client khác đăng thông báo về một kênh đã đăng ký, Broker sẽ chuyển tiếp thông báo đó đến bất kỳ client đã đăng ký.
MQTT là giao thức định hướng bản tin. Mỗi bản tin là một đoạn rời rạc của tín hiệu và broker không thể nhìn thấy. Mỗi bản tin được publish một địa chỉ, có thể hiểu như một kênh (Topic). Client đăng kí vào một vài kênh để nhận/gửi dữ liệu, gọi là subscribe. Client có thể subscribe vào nhiều kênh. Mỗi client sẽ nhận được dữ liệu
34 khi bất kỳ trạm nào khác gửi dữ liệu vào kênh đã đăng ký. Khi một client gửi một bản tin đến một kênh nào đó gọi là publish.[8]
Lượng dữ liệu được theo dõi và kiểm soát nhiều do tính năng gọn nhẹ hiệu quả của MQTT.
3.3.3. Kiến trúc MQTT Publish/Subscribe:
Hình 3.25: Kiến trúc MQTT
Thành phần chính của MQTT là Client (Publisher/Subscriber), Server (Broker), Sessions (tạm dịch là Phiên làm việc), Subscriptions và Topics.[8]
MQTT Client (Publisher/Subscriber): Clients sẽ subscriber một hoặc nhiều topics để gửi và nhận thông điệp từ những topic tương ứng.[8]
MQTT Server (Broker): Broker nhận những thông tin subscriber (Subscriptions) từ client, nhận thông điệp, chuyển những thông điệp đến các Subscriber tương ứng dựa trên Subscriptions từ client.[8]
Topic: Có thể coi Topic là một hàng đợi các thông điệp, và có sẵn khuôn mẫu dành cho Subscriber hoặc Publisher. Một cách logic thì các topic cho phép Client trao đổi thông tin với những ngữ nghĩa đã được định nghĩa sẵn. Ví dụ: Dữ liệu cảm biến nhiệt độ của một tòa nhà.[8]
Session: Một session được định nghĩa là kết nối từ client đến server. Tất cả các giao tiếp giữa client và server đều là 1 phần của session.[8]
Subscription: Không giống như session, subscription về mặt logic là kết nối từ client đến topic. Khi đã subscribe một topic, Client có thể nhận/gửi thông điệp (message) với topic đó.[8]
35 MQTT ngày một phát triển do những tính năng nổi bật đặt trưng giúp nhiều dự án tin dùng. Dù đã tồn tại từ lâu nhưng nó trở nên phổ biến từ khi M2M (máy liên kết máy) và IOT ra đời.
3.4. Giao thức Zigbee
3.4.1. Giới thiệu sơ lược về mạng Zigbee
ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá nhân PAN (personal area network).
Hình 3.26: Giao thức Zigbee
ZigBee thích hợp với những ứng dụng không đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu quá cao nhưng cần có mức độ bảo mật lớn và thời gian hoạt động dài. Các mạng ad-hoc sử dụng sóng radio tương tự ZigBee đã được thai nghén từ những năm 1998-1999 khi giới khoa học bắt đầu nhận thấy Wifi và Bluetooth không phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên chỉ đến năm 2004, bộ tiêu chuẩn ZigBee mới chính thức được tạo dựng và thông qua bởi tổ chức ZigBee Alliance. [9]
Zigbee được đặt dựa theo điệu nhảy của loài ong mật sưt dụng để trao đổi thông tin với nhau về chổ cảu hoa và nước
3.4.2. Các tính năng
36 Thiết bị được sản xuất phù hợp cho cả người sử dụng tự lắp đặt hay các nhà tích hợp hệ thống chuyên nghiệp. Tối ưu hóa năng lượng, giảm hao phí điện năng khi sử dụng.
Thiết bị sử dụng tiêu chuẩn mở phù hợp với mọi thiết bị điện - điện tử trên thị trường.
• Dễ dàng điều khiển
Công nghệ không dây làm giảm chi phí và những rắc rối của mạng có dây truyền thống. Sử dụng tần số quốc tế 2.4 Ghz dễ dàng lắp đặt và sử dụng.
Tính năng điều khiển tự động hoặc bán tự động: Giải thoát sức lao động của con người. Kết nối Internet cho phép điều khiển từ xa. Tự lắp đặt, tự cài đặt dễ dàng.
• An toàn
Dễ dàng lắp đặt cảm biến không dây để giám sát an ninh ngôi nhà. Nhận thông báo tức thì khi có sự kiện bất thường xảy ra. AES hệ thống không dây được mã hóa đặc biệt, đảm bảo chỉ duy nhất chủ nhà có khả năng điều khiển hệ thống
• Liên kết hoạt động
Tích hợp điều khiển và giám sát các phân hệ điện của ngôi nhà cũng như các hệ an ninh, kiểm soát truy nhập…
Vì các ứng dụng đều được xây dựng ở dạng module do đó người sử dụng chỉ phải mua những thiết bị mà mình cần. Có thể kết hợp sử dụng nhiều dòng sản phẩm mà không cần quan tâm tới nhà sản xuất có thể làm việc với mạng ZigBee khác.
3.4.3. Ứng dụng
• Tần số chung toàn cầu 2.4 GHz • Pin sử dụng có tuổi thọ lớn
• Khoảng cách không dây 70m trong nhà, 400m ngoài nhà
• Việc kết nối mạng linh hoạt đảm bảo đáp ứng mọi quy mô của ngôi nhà • Khả năng mở rộng tới hàng ngàn thiết bị
• Tích hợp khả năng điều khiển và giám sát trạng thái hoạt động của các hệ chiếu sáng, an ninh, rèm cửa, bơm nước, bình nóng lạnh, điều hòa....
37 Có 3 cấu hình mạng cơ bản, tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà người ta thiết lập mạng theo các cấu hình khác nhau: + Mạng hình sao (star network) + Mạng hình lưới (mesh network) + Mạng hình câu (cluster tree topology)
Hình 3.27: Các loại mô hình mạng.
3.4.5. Tổng kết
ZigBee là một dạng kết nối rất mạnh mẽ và linh hoạt, với khả năng kết nối nhiều thiết bị, chống nhiễu tốt và tương tác với các thiết bị trong cùng 1 mạng hoàn hảo nên đây sẽ vẫn là 1 loại kết nối được sử dụng rộng rãi trong thời gian tới cũng như các giải pháp nhà thông minh trong tương lai.
38
CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ HÌNH NGÔI NHÀ
4.1. Giới thiệu:
Đề tài này yêu cầu thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị module điều khiển nhà thông minh. Các thao tác từ ứng dụng trên di động hay web trên máy tính được đưa về vi xử lý, thực hiện các lệnh điều khiển. Cũng như từ vi xử lý đưa dữ liệu lên để hiện thị lên ứng dụng trên điện thoại hay web trên máy tính. Ở chương này, sẽ tập trung tính toán và thiết kế các khối cho hệ thống, dựa vào các chức năng chính của thiết bị từ đó tính toán và lựa chọn các linh kiện, cảm biến phù hợp, thiết kế các bản vẽ cho hệ thống điều khiển. Trình bày chức năng và đặc tính của các thiết bị sử dụng trong mô hình đề tài. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển mô hình,…
4.2. Xây dựng sơ đồ khối chung của hệ thống:
Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống
Thiết bị điều khiển và giám sát (Raspberry Pi 3B)
MQTT Server
Khối xử lí trung tâm NodeMCU ESP-8266
Khối phát Khối đọc Khối thu
dữ liệu Khối nguồn Khối nguồn Giao thức truyền Home Assistant
39
4.3. Xây dựng mạch và phần cứng cho từng thiết bị: 4.3.1. Công tắc thông minh: 4.3.1. Công tắc thông minh:
4.3.1.1. Chức năng chính :
So với công tắc thông thường ở các ngôi nhà đang sử dụng, người dùng có thể bất tiện trong việc di chuyển cũng như là muốn bật/tắt một thiết bị (đèn, rèm) nhưng đang ở một nơi khác. Với vấn đề này thì công tắt thông minh này là một giải pháp hiệu quả. Với các chức năng như:
- Điều khiển bật/tắt cho đầu ra các thiết bị điện(Hỗ trợ 2 đầu vào và hai đầu ra). Đầu ra kết nối với các thiết bị điện còn đầu vào có thể cấu hính làm tín hiệu kích hoạt Cảnh/Lịch.
- Điều khiển Bật/Tắt chỉ với 1 chạm nhẹ.
- Điều khiển từ xa thông qua Internet (Sử dụng App Home Assistant). - Hẹn giờ bật/tắt tự động.
- Cơ chế nhóm trực tiếp với các thiết bị cùng loại trong mạng MQTT. Từ đó, nhóm xây dựng sơ đồ khối để thiết kế thiết bị.
4.3.1.2. Sơ đồ khối của thiết bị
Hình 4.2: Sơ đồ khối công tắc thông minh
Khối
nguồn Khối xử lí trung tâm
NodeMCU ESP-8266
Khối phát Khối thu
40
Khối xử lý trung tâm: Đóng vai trò nhận tín hiệu từ khối thu, xử lí tín hiệu đó và
gửi tín hiệu lên cho bộ điều khiển trung tâm để vận hành khối phát. Dữ liệu được lấy từ khối đọc và khối phát do bộ điều khiển trung tâm giám sát và điều khiển.
Khối nguồn: Cung cấp nguồn để các thiết bị hoạt động trong hệ thống.
Khối phát: Dùng để truyền tín hiệu đã qua xử lý từ khối xử lý trung tâm đến các
thiết bị ngoại vi.
Khối thu: Thu thập tín hiệu từ các cảm biến truyền về khối xử lý trung tâm để xử
lý.
a) Khối xử lí trung tâm của thiết bị
Sau quá trình tìm hiểu về các thiết bị điều khiển cho công tắc bật/tắt đèn thông minh nhóm quyết định chọn module NodeMCU ESP 8266 để làm bộ xử lý trung tâm cho thiết bị này. Với đặc điểm có thể tích hợp nhiều ngoại vi với các chân I/O cần thiết, có thể thu và phát wifi phù hợp giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm (rasberry).
Hình 4.3: NodeMCU ESP8266
b) Khối thu tín hiệu
Khối thu tín hiệu trong thiết bị này đảm nhận tín hiệu đầu vào là nút nhấn đưa tín hiệu về khối xử lí trung tâm. Với yêu cầu đề ra nhóm chọn TTP223 Phím Cảm Ứng Điện Dung 1 Kênh V3.
Với Điện áp làm việc 2-5.5VDC, dòng hoạt động: 3uA (Max) phù hợp dòng ra áp ra của ESP8266. Thời gian phản hồi nhanh 60ms - 220ms, IC chính TTP223, kích thước nhỏ gọn 11.5*8mm thích hợp với sản phẩm thông minh.
41
Bảng 4.1: Nối chân giữa Module TTP223và NodeMCU ESP8266.
NodeMCU ESP-8266 TTP223
3.3V VCC
GND GND
D6 I/O
Hình 4.4: Nối chân giữa Module TTP223và NodeMCU ESP8266.
c) Khối phát tín hiệu
Với thiết bị này thì khối phát tín hiệu sẽ là đèn điện 220V mà những ngôi nhà thường sử dụng để chiếu sáng. Để vận hành bằng khối trung tâm nhóm sử dụng Module relay 5V để bật/tắt đèn.
42
Hình 4.5: Kết nối mạch
d) Khối nguồn
Về nguồn cấp cho mạch hoạt động thì nhóm không thiết kế nguồn nuôi riêng mà dùng trực tiếp nguồn điện gia đình. Thông qua bộ adapter để cung cấp đủ nguồn nuôi mạch hoạt động theo yêu cầu thì cần phải cấp nguồn 5V, dòng trung bình khoảng 200mA. Nên chúng ta sẽ chọn adapter có ngõ ra 5V - 0.5A Khi sử dụng chỉ cần cắm điện và sử dụng.
4.3.1.3. Sơ đồ nguyên lí mạch:
Sử dụng một nút nhấn đề điều khiển các thiết bị (đèn, rèm,…) thông qua relay với bộ xử lí chính là Esp8266 gửi tín hiệu điều khiển cho bộ điều khiển trung tâm hiển thị lên Home Assistant.
43
Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lí mạch công tắc thông minh
4.3.1.2. Thiết kế phần cứng 4.3.1.2.1. Vỏ hộp thiết bị 4.3.1.2.1. Vỏ hộp thiết bị
Vỏ
Hình 4.7: Mô hình vỏ của thiết bị
44
Hình 4.8: Mô hình của vỏ màn hình thiết bị
Màn hình
Hình 4.9: Mô hình màn hình cuả thiết bị
Sơ đồ lắp ráp thiết bị
45
Hình 4.10: Sơ đồ lắp ráp thiết bị
Mô phỏng thiết bị
46
4.3.2. Module nhận biết cường độ ánh sáng, chuyển động: 4.3.2.1. Chức năng chính: 4.3.2.1. Chức năng chính:
Điện năng là một nguồn năng lượng quan trọng trong cuộc sống hiện đại, chính vì