MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong thời đại công nghệ đang phát triển nhƣ hiện nay, đặc biệt là khi Việt Nam đang hòa nhập và phát triển Công nghệ 4.0 thì IoT là một đề tài không thể thiếu nhƣng vẫn chƣa đƣợc phát triển rộng rãi đến môi trƣờng giáo dục. Vì vậy, áp dụng công nghệ IoT vào trƣờng học giúp giảng viên giảm thiểu đƣợc những công việc chuẩn bị trƣớc mỗi buổi học, giúp sinh viên tiếp cận và hiểu rõ hơn về IoT. Trƣớc mỗi buổi học, các thiết bị trong phòng thực hành nhƣ máy lạnh, Server cần phải đƣợc khởi động trƣớc để chuẩn bị cho buổi học, thay vì các Giảng viên và Kỹ thuật viên tại trƣờng phải tự khởi động các thiết bị, ta có thể ứng dụng IoT cụ thể là nền tảng Hassio để tự động thực hiện các thao tác tắt bật, giảm thiểu đƣợc công việc trƣớc mỗi buổi học.
Mục tiêu Mục tiêu của đề tài là xây dựng hệ thống điều khiển từ xa các thiết bị điện trong phòng B111 dựa trên nền tảng Hassio. Đề tài không chỉ dừng ở mức mô hình, mà chúng tôi muốn xây dựng hệ thống có thể đáp ứng đƣợc một phần nhu cầu của ngƣời sử dụng nhằm tự động hóa một các thao tác tắt mở thiết bị hằng ngày. Cụ thể hơn,vào mỗi buổi sáng, Kỹ thuật viên tại trƣờng có thể giảm thiểu đƣợc công việc mở máy lạnh và Server của phòng học, ngoài ra có thể theo dõi từ xa trạng thái, tắt bật thiết bị từ xa và gửi thông báo nếu có những hiện tƣợng bất thƣờng nhƣ cửa mở hoặc phát hiện ngƣời trong phòng khi quá khung giờ cho phép. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu hƣớng đế đối tƣợng là các thiết bị IoT với nhiều chủng loại khác nhau, đƣợc tập hợp và kết nối thông qua một hệ thống điều khiển trung tâm có tên Home Assistant.
Cụ thể hơn, các thiết bị bao gồm cảm biến cửa, chuyển động Xiaomi, công tắc WiFi Sonoff, thiết bị 1 điều khiển sóng hồng ngoại Broadlink và nền tảng trung tâm chạy trên máy tính Raspberry. Mô hình của đề tài sẽ đƣợc lắp đặt thử nghiệm tại phòng B111 của trƣờng, nên phạm vi sẽ giới hạn ở mức điều khiển các thiết bị trong phòng B111 bao gồm: Bật tắt theo lịch trình máy lạnh, máy tính Server, máy chiếu và đèn trong phòng, hoặc có thể điều khiển và theo dõi từ xa thông qua WebApp. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, tìm hiểu các tài liệu về nền tảng Hassio và cách hoạt động, tham khảo thêm nội dung trên các diễn đàn. Điều tra, bằng cách khảo sát thói quen của ngƣời sử dụng, để đƣa ra các ngữ cảnh tự động theo lịch trình hoặc theo môi trƣờng xung quanh một cách hiệu quả là hợp lý nhất, nhƣng tự động bật tắt thiết bị điện theo khung giờ hoặc theo dữ kiện của các cảm biến.
Mô hình hóa, sau khi đã hoàn tất các bƣớc chuẩn bị cần thiết, bắt đầu tạo lên các mô hình sao cho phù hợp với môi trƣờng và ngƣời sử dụng. Mô hình phải thật cụ thể và chi tiết để quá trình thi công có thể đảm bảo đƣợc tiến độ và chất lƣợng. 2 CHƢƠNG II: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 1. Phân tích hệ thống Tại phòng B111 có những thiết bị sau: máy lạnh, máy tính Server, đèn phòng.
Các thiết bị có cơ chế bật tắt khác nhau, nên ta chia ra làm 3 nhóm sau: - Sóng IR: Máy lạnh, máy chiếu + Các thiết bị này có thể dùng remote hồng ngoại để bật tắt từ xa, nên có thể quản lý thông qua Broadlink RM Mini 3, đây là thiết bị cho phép điều khiển các thiết bị sử dụng sóng hồng ngoại, tín hiệu điều khiển sẽ đƣợc truyền từ Raspberry thông qua kết nối WiFi đến thiết bị Broadlink, và sau đó chuyển thành tín hiệu hồng ngoại gửi đến máy lạnh. - Wake-on-LAN: Máy tính Server + Để khởi động máy tính Server tại phòng B111 cần sử dụng Wake-on-LAN để đơn giản hóa quá trình quản lý. Wake-on- LAN là giao thức cho phép khởi động một hoặc nhiều máy tính đang kết nối vào mạng LAN thông qua địa chỉ MAC của card mạng máy tính. Nền tảng Hassio tích hợp sẳn chức năng Wake- on-LAN, rất thuận tiện cho việc quản lý và tự động hóa.
- Công tắc Sonoff WiFi: Đèn Phòng + Các đèn tại phòng B111 đƣợc đấu điện trực tiếp vào Sino thông thƣờng, vì vậy để có thể điều khiển đƣợc ta cần sử dụng công tắc Sonoff để thay thể. Công tắc Sonoff ngoài việc điều khiển trực tiếp trên mặt cảm ứng, thì công tắc còn hỗ trợ quản lý tắt mở thông qua WiFi, nhờ đó ta có thể kết nối công tắc vào Hassio để quản lý và điều khiển. Ngoài ra để hỗ trợ cho việc tự động hóa, hệ thống cần một bộ thiết bị cảm biến bao gồm cảm biến chuyển động, cảm biến cửa, cảm biển độ ẩm, nhiệt độ và thiết bị nhận sóng Zigbee. 3 - Thiết bị cảm biến cửa sẽ hỗ trợ cho việc nhận biết có ngƣời trong phòng để tạo nên những ngữ cảnh tự động nhƣ bật đèn khi có ngƣời bƣớc vào phòng.
- Thiết bị cảm biến chuyển động hỗ trợ cho việc nhận biết còn ngƣời trong phòng hay không, để thiết lập tắt các thiết bị không cần thiết một cách tự động. - Hai thiết bị trên sử dụng sóng Zigbee để giao tiếp với Hassio, Zigbee là một giao thức mạng không dây xây dựng trên tiêu chuẩn IEE 802.4 phổ biến trong việc truyền tín hiệu của các thiết bị IoT. Cần phải sử dụng một thiết bị để thu tín hiệu Zigbee đƣợc gắn trực tiếp trên Raspberry và chuyển dữ liệu về cho Hassio. Để hoàn thiện mô hình, cần phải có những ngữ cảnh tự động theo lịch trình, tại phòng B111 ngữ cảnh tự động sẽ dựa trên lịch trình giảng dạy của Giảng viên.
Để tạo nên một ngữ cảnh tự động cần dựa trên các điều kiện sau: - Lịch giảng dạy - Thời gian - Có ngƣời trong phòng - Máy tính đã tắt - Không còn ngƣời trong phòng 4 Quy trình xét điều kiện: - Quy trình tự động mở thiết bị Hình 2. 1 Quy trình tự động bật thiết bị 5 - Quy trình tự động tắt thiết bị Hình 2. 2 Quy trình tự động tắt thiết bị 6 2. Raspberry là gì? - Theo Wikipedia, Raspberry Pi là từ để chỉ các máy tính chỉ có một board mạch (hay còn gọi là máy tính nhúng) kích thƣớc chỉ bẳng một thẻ tín dụng, đƣợc phát triển tại Anh bởi Raspberry Pi Foundation với mục đích ban đầu là thúc đẩy việc giảng dạy về khoa học máy tính cơ bản trong các trƣờng học và các nƣớc đang phát triển.
3 Máy tính thu nhỏ Raspberry 2. Phiên bản Raspberry Pi 3 B+ - Raspberry Pi 3 Model B+ là sản phẩm mới nhất trong gia đình Raspberry Pi, nổi bật với chip 4 nhân 64-bit có tốc độ 1.4GHz – nhanh nhất từ trƣớc đến nay! Phiên bản này hỗ trợ Wifi Dual- band 2.4GHz và 5GHz, Bluetooth 4.2/Bluetooth Low Energy, 7 cổng Ethernet tốc độ cao (300Mbps) và Power over Ethernet (PoE) thông qua PoE HAT. - Bên cạnh những thay đổi đó, kích thƣớc bề ngoài cũng nhƣ phần mềm của Raspberry Pi 3 Model B+ vẫn đƣợc giữ nguyên, vì vậy bạn hoàn toàn có thể sử dụng lại các phụ kiện cũ nhƣ vỏ, thẻ nhớ, adapter (nguồn điện) hoặc các phần mềm đang chạy trên Raspbian/Ubuntu hiện tại. 4 Raspberry Pi 3 Model B 2.
Bảng thông số kỹ thuật: Thành Phần Thông Số CPU Broadcom BCM2837B0, quad-core A53 (ARMv8) 64- bit SoC @1.4GHz RAM 1GB LPDDR2 SDRAM Kết nối 2.4GHz and 5GHz IEEE 802.11 b/g/n/ac wireless 8 LAN, Bluetooth 4.2, BLE, Gigabit Ethernet over USB 2. Hỗ trợ 40-pin GPIO, 4 cổng USB2.0 Video và âm thanh 1 cổng full-sized HDMI, Cổng MIPI DSI Display, cổng MIPI CSI Camera, cổng stereo output và composite video 4 chân.264 encode (1080p30); OpenGL ES 1.0 graphics Lƣu trữ MicroSD Điện áp hoạt động 5V/2.5A DC cổng microUSB, 5V DC trên chân GPIO, Power over Ethernet (PoE) (yêu cầu thêm PoE HAT). Bảng 1 Thông số kỹ thuật của Raspberry PI 3 Model B+ 2. Vai trò trong hệ thống - Raspberry Pi 3 B+ đóng vai trò là Server trung tâm, đƣợc cài đặt nền tảng Hassio nhằm liên kết và điều khiển các thiết bị IoT trong hệ thống.
Ngoài liên kết và điều khiển, Raspberry còn xử lý, kiểm tra điều kiện và thực hiện các ngữ cảnh tự động đƣợc thiết lập trƣớc. Broadlink RM Mini 3 2. Giới thiệu về Broadlink RM Mini 3 - Bộ điều khiển mở rộng hồng ngoại Broadlink RM Mini 3 là thiết bị điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua sóng hồng ngoại nhƣ tivi, máy lạnh, máy quạt,… Ngoài khả năng điều khiển các thiết bị dùng sóng hồng ngoại, Broadlink RM Mini 3 còn cho phép kết nối với WiFi để có thể điều khiển thông qua Smartphone. - Với khả năng học lệnh từ các bộ remote hồng ngoại khác, Broadlink RM Mini 3 có thể dễ dàng điều khiển mọi thiết bị hồng ngoại trong nhà.
5 Broadlink RM Mini 3 2. Thông số kỹ thuật : Thành Phần Thông Số Nguồn vào 5v DC 500mA (Micro USB) Hỗ trợ kết nối WiFi 2.11b / g / n Tầm xa của tia hồng ngoại 12m Kích thƣớc: 55x55x64.5mm Trọng lƣợng 75g Mắt hồng ngoại Có 6 mắt hồng ngoại đƣợc xếp 360 độ để đảm bảo lệnh đƣợc phát đi đến tất cả các hƣớng. Bảng 2 Thông số kỹ thuật Broadlink RM Mini 3 2. Vai trò trong hệ thống: - Broadlink RM Mini 3 sẽ đóng vai trò điều khiển các thiết bị sử dụng sóng hồng ngoại, nhƣ máy quạt, tivi, máy lạnh,… Sau khi đƣợc kết nối với nền tảng Hassio, ta có thể điều khiển thông qua 10 Web mà không cần dùng đến phần mềm trên Smartphone và kết hợp với các ngữ cảnh tự động nhƣ tự động bật máy lạnh khi nhiệt độ phòng trên 30 độ hoặc tự động tắt máy lạnh khi không có ngƣời trong phòng.
Công tắc Sonoff 2. Giới thiệu Sonoff T1 US 3C - Công tắc đƣợc thiết kế với 3 phím cảm ứng để điều khiển tắt mở trực tiếp, có kết nối với WiFi để thuận tiện cho việc quản lý từ xa, thích hợp cho các ứng dụng về IoT - Công tắc Sonoff có thể đƣợc điều khiển thông qua ứng dụng eWeLink đƣợc nhà cung cấp phân phối, hoặc đƣợc điều khiển thông qua hệ thống Hassio. 6 Sonoff T1 US 3 Gang 11 Hình 2. 7 Sonoff T1 US 3 Gang (tt) 2.
Thông số kĩ thuật: Thành Phần Thông Số Điện áp hoạt động 100V~ 250V AC Công suất tối đa 2A/240V/gang Hỗ trợ kết nối WiFi 2.11b / g / n Số nút cảm ứng 3 nút Bảng 3 Thông số kỹ thuật Sonoff T1 US 3 Gang 2.