Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng mô hình nhà thông minh (ĐH Bách Khoa Hà Nội)

Tham khảo đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình nhà thông minh IoT. Hướng dẫn chi tiết từ thiết kế đến lập trình và vận hành hệ thống.

• Tác giả: Nguyễn Trung Hiếu
• Người hướng dẫn: Th.S Đinh Thị Nhung
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Xây dựng mô hình nhà thông minh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp Đại học
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Mục đích nghiên cứu
• 1.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG II: TÌM HIỂU LÝ THUYẾT
• 2.1. Mô hình nhà thông minh?
• 2.1.1. Nhà thông minh là gì?
• 2.1.2. Các thành phần của nhà thông minh
• 2.2. Hệ thống giám sát dùng cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
• 2.3. Hệ thống điều khiển
• 2.3.1. Thông số kỹ thuật
• 2.3.2. Giao tiếp với Esp8266
• 2.4. Bộ giao thức truyền thông TCP/IP
• 2.4.1. Giới thiệu về TCP/IP
• 2.4.2. Kiến trúc của TCP/IP
• 2.4.3. So sánh giữa TCP/IP và OSI
• 3. CHƯƠNG III: TỔNG QUAN HỆ THỐNG
• 3.1. IoT Endpoint Device
• 3.2. Công nghệ wifi
• 3.3. Lập trình Socket
• 3.4. IoT Gateway Device
• 3.5. Kit Raspberry Pi
• 3.6. IoT Cloud & IoT Application
• 3.6.1. Giới thiệu chung về hệ điều hành Android
• 3.6.2. Kiến trúc hệ điều hành Android
• 3.6.3. Hệ thống tệp tin trong Android
• 4. CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 4.1. Khối cảm biến
• 4.2. Khối xử lý trung tâm
• 4.3. Khối giao tiếp và hiển thị
• 4.4. Khối cơ cấu chấp hành
• 4.5. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
• 4.6. Sơ đồ mạch in lớp top
• 4.7. Sơ đồ mạch in lớp bottom
• 4.8. Mạch thực tế đã hoàn thiện
• 4.9. Thiết kế phần mềm
• 4.9.1. Công cụ phần mềm
• 4.9.2. Thiết kế ứng dụng
• 5. CHƯƠNG V: ĐÁNH GIÁ VÀ THỰC NGHIỆM
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Đồ án tốt nghiệp Khám phá mô hình nhà thông minh và tầm quan trọng của IoT

Sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy nhân loại hướng tới các sản phẩm tự động hóa, thông minh hóa nhằm phục vụ tối đa nhu cầu sinh hoạt hàng ngày. Trong bối cảnh đó, mô hình nhà thông minh đã nổi lên như một giải pháp đột phá, biến ước mơ về một không gian sống tiện nghi, an toàn và tiết kiệm năng lượng thành hiện thực. Đề tài đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình nhà thông minh không chỉ là một dự án học thuật mà còn là minh chứng cho việc ứng dụng các kiến thức chuyên ngành vào giải quyết các vấn đề thực tiễn. Nghiên cứu này tập trung vào việc tích hợp các công nghệ hiện đại để tạo ra một hệ thống tự động hóa nhà ở toàn diện, có khả năng giám sát, cảnh báo và điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua ứng dụng di động.

Trung tâm của mọi giải pháp smarthome hiện đại là IoT trong nhà thông minh (Internet of Things). Công nghệ này cho phép các thiết bị nhà thông minh giao tiếp và trao đổi dữ liệu với nhau qua mạng internet, từ đó thực hiện các tác vụ tự động hoặc điều khiển từ xa. Nhờ IoT, ngôi nhà không chỉ phản ứng theo lệnh mà còn có thể tự đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu thu thập được từ các cảm biến nhà thông minh. Điều này mở ra khả năng tối ưu hóa các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, và an ninh, mang lại trải nghiệm sống vượt trội cho người dùng. Với sự bùng nổ của công nghệ thông tin tại Việt Nam và trên thế giới, việc nghiên cứu và triển khai mô hình nhà thông minh trên nền tảng nhà thông minh (Arduino, Raspberry Pi, ESP32) đã trở thành một xu hướng tất yếu, hứa hẹn nhiều tiềm năng phát triển trong tương lai. Mục tiêu của đồ án tốt nghiệp này là áp dụng kiến thức đã học để xây dựng một hệ thống nhà thông minh toàn diện, dễ dàng triển khai và tối ưu chi phí, đáp ứng các tiêu chí về tính ứng dụng thực tiễn và khả năng kế thừa.

1.1. Nhà thông minh là gì Các thành phần cơ bản của hệ thống thông minh

Nhà thông minh (Smart Home) là một ngôi nhà/căn hộ được trang bị một hệ thống tự động hóa nhà ở tiên tiến, có khả năng điều khiển các chức năng như chiếu sáng, nhiệt độ, truyền thông đa phương tiện, an ninh, rèm cửa và nhiều tính năng khác. Mục tiêu cốt lõi là nâng cao tiện nghi, an toàn và tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên. Theo định nghĩa từ wiseGeek, một ngôi nhà được coi là 'thông minh' khi hệ thống máy tính của nó có thể giám sát nhiều khía cạnh của cuộc sống hàng ngày. Ví dụ, một hệ thống kiểm soát chiếu sáng thông minh có thể điều chỉnh cường độ đèn để tiết kiệm điện và phù hợp với từng ngữ cảnh. Ngoài ra, hệ thống nhà thông minh còn có thể điều khiển rèm cửa, nhiệt độ, hệ thống camera giám sát, khóa cửa tự động và các giải pháp phòng ngừa trộm cắp. Các ứng dụng sáng tạo hơn bao gồm điều khiển giải trí tại gia, hệ thống điện thoại nội bộ và hệ thống tưới cây tự động. Tất cả các chức năng này được thực hiện thông qua việc kết nối các thiết bị nhà thông minh với một hệ thống máy tính trung tâm, cho phép theo dõi trạng thái và đưa ra các quyết định điều khiển phù hợp.

Các thành phần chính của một hệ thống nhà thông minh bao gồm các loại cảm biến nhà thông minh (như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, chuyển động), các bộ điều khiển hoặc máy chủ, và các thiết bị chấp hành. Nhờ hệ thống cảm biến, các bộ điều khiển có thể liên tục theo dõi môi trường bên trong ngôi nhà. Dựa trên dữ liệu thu thập được, máy chủ sẽ đưa ra các quyết định điều khiển các thiết bị chấp hành (ví dụ: bật/tắt đèn, quạt, điều hòa, mở/đóng rèm) một cách tự động để duy trì một môi trường sống tối ưu. Điều này thể hiện nguyên lý hoạt động nhà thông minh cơ bản: thu thập dữ liệu, xử lý thông tin và phản hồi bằng hành động.

1.2. Xu hướng tự động hóa và ứng dụng IoT trong giải pháp Smarthome

Xu hướng tự động hóa và công nghệ 4.0 ứng dụng nhà thông minh đang định hình lại cách chúng ta sống và tương tác với không gian của mình. Từ việc điều khiển các thiết bị gia dụng đơn lẻ đến việc tạo ra một hệ thống tự động hóa nhà ở hoàn chỉnh, mục tiêu là tối đa hóa sự tiện lợi và hiệu quả. Việc ứng dụng IoT trong nhà thông minh đã cách mạng hóa lĩnh vực này, cho phép các thiết bị nhà thông minh không chỉ hoạt động độc lập mà còn giao tiếp và phối hợp với nhau một cách thông minh.

Giải pháp smarthome dựa trên IoT mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Đầu tiên, khả năng điều khiển từ xa nhà thông minh thông qua smartphone hoặc giao diện web giúp người dùng quản lý ngôi nhà mọi lúc mọi nơi, miễn là có kết nối internet. Điều này phá vỡ giới hạn về không gian vật lý, mang lại sự linh hoạt tối đa. Thứ hai, các cảm biến nhà thông minh liên tục thu thập dữ liệu về môi trường, từ đó hệ thống có thể tự động điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng để duy trì điều kiện tối ưu và góp phần vào tiết kiệm năng lượng nhà thông minh. Thứ ba, với khả năng phân tích dữ liệu thời gian thực, người dùng có thể nắm bắt trạng thái hoạt động của mọi thiết bị, đưa ra các yêu cầu hợp lý cho hệ thống. Mặc dù có những thách thức về tốc độ đường truyền và đặc biệt là an ninh nhà thông minh do việc truyền tải thông tin rộng khắp, lợi ích mà IoT mang lại cho việc phát triển mô hình nhà thông minh vẫn rất lớn, khẳng định vị thế của nó như một công nghệ cốt lõi trong các đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình nhà thông minh hiện nay.

II. Thách thức lớn khi xây dựng mô hình nhà thông minh hiện đại

Việc xây dựng mô hình nhà thông minh cho đồ án tốt nghiệp hay triển khai thực tế luôn đi kèm với nhiều thách thức đáng kể. Để tạo ra một hệ thống tự động hóa nhà ở hiệu quả, đòi hỏi sự kết hợp phức tạp giữa phần cứng, phần mềm và các giao thức truyền thông. Một trong những vấn đề hàng đầu là sự đa dạng của các thiết bị nhà thông minh và việc làm thế nào để chúng có thể tương thích và giao tiếp liền mạch với nhau. Việc lựa chọn nền tảng nhà thông minh (Arduino, Raspberry Pi, ESP32) phù hợp cũng là một quyết định quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng mở rộng và chi phí của dự án.

Bên cạnh đó, lập trình nhà thông minh không chỉ dừng lại ở việc điều khiển cơ bản mà còn phải phát triển một giao diện người dùng nhà thông minh trực quan, thân thiện, cho phép người dùng tương tác dễ dàng với hệ thống. Vấn đề kết nối nhà thông minh (Wi-Fi, Zigbee, Z-Wave) cũng đặt ra những yêu cầu về độ ổn định và phạm vi phủ sóng. Đối với đồ án tốt nghiệp, việc quản lý chi phí cũng là một yếu tố quan trọng, đòi hỏi sinh viên phải cân nhắc kỹ lưỡng giữa hiệu năng và giá thành của từng linh kiện. Nghiên cứu thực tế cho thấy, việc tích hợp nhiều công nghệ khác nhau như cảm biến, vi điều khiển, và điện toán đám mây IoT có thể dẫn đến những khó khăn trong quá trình gỡ lỗi và tối ưu hóa hiệu suất tổng thể của hệ thống. Đặc biệt, việc đảm bảo an ninh nhà thông minh là một thách thức không nhỏ, khi các thiết bị được kết nối internet có thể trở thành mục tiêu của các cuộc tấn công mạng, đòi hỏi các giải pháp bảo mật mạnh mẽ. Các kỹ sư tương lai cần phải trang bị kiến thức sâu rộng về cả phần cứng lẫn phần mềm để có thể vượt qua những rào cản này và tạo ra một giải pháp smarthome thực sự đáng tin cậy và tiện ích.

2.1. Vấn đề kết nối và bảo mật trong hệ thống tự động hóa nhà ở

Trong một hệ thống tự động hóa nhà ở hiện đại, vấn đề kết nối nhà thông minh (Wi-Fi, Zigbee, Z-Wave) là cốt lõi để các thiết bị nhà thông minh có thể giao tiếp hiệu quả. Tuy nhiên, việc truyền tải dữ liệu qua mạng không dây luôn đi kèm với những thách thức về độ ổn định và tốc độ. Tài liệu nghiên cứu cho thấy, do các thiết bị giao tiếp thông qua hệ thống Internet chung, tốc độ đường truyền có thể ảnh hưởng lớn đến quá trình cập nhật và điều khiển. Việc lựa chọn giao thức kết nối phù hợp, như Wi-Fi cho các ứng dụng băng thông cao hoặc Zigbee/Z-Wave cho các thiết bị công suất thấp, là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

Song song với kết nối, an ninh nhà thông minh là một mối quan tâm hàng đầu. Khi mọi thiết bị đều được kết nối internet, nguy cơ bị tấn công mạng hoặc lộ lọt thông tin cá nhân tăng lên đáng kể. Báo cáo đã đề cập đến các chuẩn bảo mật trong mạng không dây như WEP, WPA và WPA2. Mặc dù WEP đã lỗi thời do nhiều lỗ hổng bảo mật, WPA và WPA2 (với cơ chế mã hóa AES) đã được phát triển để tăng cường an ninh. Tuy nhiên, WPA2 vẫn còn một số lỗ hổng từ WPA để lại, đặc biệt là thông qua các hệ thống bổ trợ như WPS. Việc truyền thông tin đi xa mà không giới hạn không gian thông qua IoT trong nhà thông minh làm cho vấn đề bảo mật trở thành một trở ngại lớn cho hệ thống. Do đó, các đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình nhà thông minh cần chú trọng đến việc triển khai các giải pháp bảo mật nhiều lớp, từ mã hóa dữ liệu đến xác thực người dùng, để bảo vệ hệ thống khỏi các mối đe dọa tiềm tàng, đảm bảo sự riêng tư và an toàn cho người sử dụng.

2.2. Lựa chọn nền tảng và thiết bị nhà thông minh tối ưu cho đồ án

Việc lựa chọn nền tảng nhà thông minh (Arduino, Raspberry Pi, ESP32) và các thiết bị nhà thông minh là một quyết định chiến lược, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả và khả năng thực hiện của một đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình nhà thông minh. Mỗi nền tảng có những ưu và nhược điểm riêng. Arduino nổi bật với sự đơn giản, dễ học và chi phí thấp, phù hợp cho các dự án cơ bản. Raspberry Pi mạnh mẽ hơn, hoạt động như một máy tính mini, cho phép chạy các hệ điều hành phức tạp và xử lý dữ liệu lớn, lý tưởng cho vai trò IoT Gateway. ESP32, với khả năng tích hợp Wi-Fi và Bluetooth, là lựa chọn tuyệt vời cho các thiết bị đầu cuối IoT, cung cấp khả năng kết nối nhà thông minh hiệu quả và chi phí thấp.

Ngoài nền tảng xử lý, việc chọn cảm biến nhà thông minh và thiết bị chấp hành cũng rất quan trọng. Nghiên cứu đã sử dụng cảm biến DHT11 để đo nhiệt độ và độ ẩm, một lựa chọn phổ biến do chi phí rẻ và dễ dàng tích hợp. Đối với công nghệ điều khiển nhà thông minh, việc tích hợp mạch điện tử với vi điều khiển như ESP8266 để điều khiển các thiết bị điện trong nhà là rất quan trọng. Báo cáo nhấn mạnh rằng việc xây dựng một cơ sở dữ liệu đáp ứng đủ các tiêu chí, đa nền tảng, và có tính kế thừa cao là mục tiêu quan trọng. Đồng thời, phần cứng cần dễ dàng triển khai và giảm thiểu chi phí phát sinh. Sự kết hợp thông minh giữa các nền tảng và thiết bị sẽ tối ưu hóa hiệu suất, giảm thiểu chi phí, và đảm bảo tính khả thi của giải pháp smarthome trong phạm vi đồ án tốt nghiệp.

III. Phương pháp xây dựng phần cứng cho đồ án mô hình nhà thông minh

Để hiện thực hóa mô hình nhà thông minh trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp, việc xây dựng phần cứng là bước đi đầu tiên và cốt lõi. Phương pháp này tập trung vào việc lựa chọn, tích hợp các linh kiện điện tử và vi điều khiển để tạo nên một hệ thống tự động hóa nhà ở có khả năng hoạt động ổn định và chính xác. Nghiên cứu đã đề xuất một sơ đồ khối hệ thống bao gồm các khối chức năng cơ bản: khối nguồn, khối cảm biến, khối xử lý trung tâm, khối giao tiếp và hiển thị, cùng với khối cơ cấu chấp hành. Mỗi khối đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo nguyên lý hoạt động nhà thông minh được duy trì xuyên suốt.

Khối cảm biến chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu môi trường, cung cấp thông tin đầu vào cho hệ thống. Khối xử lý trung tâm, sử dụng vi điều khiển, sẽ phân tích dữ liệu này và đưa ra các lệnh điều khiển phù hợp. Khối cơ cấu chấp hành sẽ thực thi các lệnh đó, ví dụ như bật/tắt đèn, quạt, hoặc rèm cửa. Cuối cùng, khối giao tiếp và hiển thị sẽ cung cấp một giao diện người dùng nhà thông minh, cho phép người dùng giám sát và điều khiển hệ thống thông qua smartphone hoặc web server. Việc thiết kế mạch nhà thông minh chi tiết, bao gồm cả sơ đồ nguyên lý và mạch in, là bước không thể thiếu để đảm bảo tính chính xác và khả thi của sản phẩm. Các sinh viên thực hiện đồ án tốt nghiệp đã phải dành nhiều thời gian tìm hiểu về các tiêu chuẩn kỹ thuật, tương thích linh kiện, và quy trình lắp đặt để tạo ra một prototype smarthome hoàn chỉnh. Sự thành công của phần cứng là nền tảng vững chắc cho việc phát triển phần mềm và các tính năng thông minh tiếp theo, góp phần tạo nên một giải pháp smarthome thực sự hiệu quả và đáng tin cậy, đặc biệt là khi tích hợp với IoT trong nhà thông minh.

3.1. Tích hợp cảm biến nhà thông minh và nguyên lý hoạt động DHT11

Trong quá trình xây dựng mô hình nhà thông minh, việc lựa chọn và tích hợp các cảm biến nhà thông minh là yếu tố then chốt để thu thập dữ liệu môi trường. Đồ án đã sử dụng cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 như một thành phần chính của hệ thống giám sát. Cảm biến này được chọn vì chi phí thấp và khả năng lấy dữ liệu dễ dàng thông qua giao tiếp 1-wire digital. DHT11 có khả năng đo độ ẩm từ 20-90% (sai số ±5%) và nhiệt độ từ 0-55°C (sai số ±2°C), với điện áp hoạt động từ 3-5.5V DC.

Nguyên lý hoạt động nhà thông minh của cảm biến DHT11 bao gồm hai bước chính: gửi tín hiệu Start từ vi điều khiển (MCU) và đọc giá trị. Đầu tiên, MCU thiết lập chân DATA là output, kéo xuống mức thấp trong >18ms, sau đó đưa lên mức cao và chuyển sang chế độ input. DHT11 sẽ phản hồi bằng cách kéo chân DATA xuống thấp trong 80us, rồi lên cao trong 80us. Sau đó, DHT11 sẽ gửi 5 byte dữ liệu: byte 1 và 2 cho độ ẩm (phần nguyên và thập phân), byte 3 và 4 cho nhiệt độ (phần nguyên và thập phân), và byte 5 là byte kiểm tra tổng. Nếu Byte 5 bằng tổng của 4 byte trước, dữ liệu được coi là chính xác. Quá trình này đảm bảo dữ liệu môi trường được thu thập một cách đáng tin cậy, làm cơ sở cho công nghệ điều khiển nhà thông minh và các quyết định tự động hóa tiếp theo, góp phần vào việc tiết kiệm năng lượng nhà thông minh và tối ưu hóa môi trường sống.

3.2. Vai trò của Esp8266 và Raspberry Pi trong công nghệ điều khiển

Trong đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình nhà thông minh, nền tảng nhà thông minh (Arduino, Raspberry Pi, ESP32) đóng vai trò trung tâm trong công nghệ điều khiển nhà thông minh. Cụ thể, Esp8266 và Raspberry Pi là hai thành phần then chốt. Esp8266 là một vi điều khiển Wi-Fi SOC (System On Chip) nhỏ gọn, giá rẻ, tích hợp đầy đủ tính năng internet. Với CPU 32-bit RISC Tensilica LX106 hoạt động ở 80MHz, 64KB instruction RAM, 96KB data RAM và hỗ trợ Wi-Fi IEEE 802.4 GHz, Esp8266 có thể được lập trình trực tiếp để điều khiển các thiết bị. Việc giao tiếp với Esp8266 thông qua tập lệnh AT (ví dụ: AT+CWJAP để kết nối Wi-Fi) giúp dễ dàng tích hợp vào hệ thống tự động hóa nhà ở.

Raspberry Pi 3, với bộ xử lý Broadcom BCM2837 quad-core ARM Cortex A53 1.2GHz và 1GB RAM, hoạt động như một máy tính thu nhỏ mạnh mẽ. Trong mô hình IoT của đề tài, Raspberry Pi đóng vai trò là IoT Gateway Device, xử lý dữ liệu phức tạp hơn và quản lý kết nối giữa các thiết bị đầu cuối (như Esp8266) và IoT Cloud. Raspberry Pi có thể chạy nhiều hệ điều hành Linux (như Raspbian) và cung cấp các cổng GPIO để giao tiếp với các thiết bị nhà thông minh khác. Sự kết hợp giữa Esp8266 (là IoT Endpoint Device) và Raspberry Pi (là IoT Gateway Device) tạo nên một xương sống vững chắc cho kiến trúc nhà thông minh, cho phép thu thập dữ liệu, xử lý cục bộ và gửi lên đám mây, đảm bảo khả năng điều khiển từ xa nhà thông minh và tích hợp hệ thống nhà thông minh một cách hiệu quả.

IV. Hướng dẫn lập trình và giao tiếp cho hệ thống nhà thông minh hiệu quả

Để một mô hình nhà thông minh có thể vận hành trơn tru và hiệu quả, việc lập trình nhà thông minh và thiết lập giao tiếp là vô cùng quan trọng. Phần mềm là cầu nối giữa phần cứng và người dùng, biến các thiết bị nhà thông minh thành một hệ thống tự động hóa nhà ở thông minh thực sự. Đồ án đã tập trung vào việc phát triển phần mềm điều khiển smarthome trên nền tảng Android, cho phép người dùng điều khiển từ xa nhà thông minh thông qua smartphone, đồng thời sử dụng web server để hiển thị dữ liệu và trạng thái hoạt động của hệ thống.

Quá trình lập trình nhà thông minh bao gồm việc phát triển các ứng dụng Client-Server, nơi Server (sử dụng Node.js trên Raspberry Pi) lắng nghe và xử lý các yêu cầu từ Client (ứng dụng Android hoặc web). Các giao thức truyền thông như TCP/IP và công nghệ WebSocket được sử dụng để thiết lập kết nối hai chiều hiệu quả giữa Client và Server. Điều này đảm bảo dữ liệu được truyền tải nhanh chóng và đáng tin cậy, ngay cả khi người dùng ở xa. Việc thiết kế một giao diện người dùng nhà thông minh trực quan, dễ sử dụng là yếu tố then chốt để nâng cao trải nghiệm người dùng, cho phép họ dễ dàng giám sát các thông số (nhiệt độ, độ ẩm) và điều khiển các thiết bị điện trong nhà. Ngoài ra, việc phát triển ứng dụng trên nền tảng Android, với thị phần lớn và khả năng tùy biến cao, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi và dễ dàng phổ cập giải pháp smarthome này đến cộng đồng. Tích hợp hệ thống nhà thông minh giữa phần cứng, phần mềm và giao thức truyền thông là chìa khóa để đạt được một đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình nhà thông minh thành công.

4.1. Lập trình nhà thông minh với Socket Nodejs và kiến trúc Android

Việc lập trình nhà thông minh đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các công nghệ giao tiếp mạng và phát triển ứng dụng di động. Trong đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình nhà thông minh này, các tác giả đã sử dụng Socket, Node.js và kiến trúc Android để xây dựng phần mềm điều khiển smarthome. Socket đóng vai trò là cổng logic cho phép các chương trình trên các máy tính khác nhau kết nối và giao tiếp. Có hai loại Socket chính: Stream Socket (dựa trên TCP, đảm bảo độ tin cậy) và Datagram Socket (dựa trên UDP, tốc độ nhanh nhưng không đảm bảo độ tin cậy). WebSocket được sử dụng để tạo giao tiếp hai chiều hiệu quả giữa Client và Server, giảm thiểu lượng dữ liệu không cần thiết so với HTTP truyền thống. Thư viện Socket.io, một thư viện WebSocket nổi tiếng, được sử dụng cho cả Client (Web, iOS, Android) và Server (Node.js).

Node.js là một nền tảng chạy trên môi trường V8 JavaScript, được chọn để xây dựng Server do các đặc tính nổi bật như khả năng xử lý realtime, không đồng bộ, tốc độ nhanh và hiệu năng cao. Node.js lý tưởng cho các ứng dụng I/O, luồng dữ liệu, và API JSON, phù hợp với vai trò điều khiển và giám sát trong hệ thống tự động hóa nhà ở. Đối với phía Client, ứng dụng được phát triển trên hệ điều hành Android. Kiến trúc Android được cấu thành từ nhiều tầng: Linux Kernel, Library, Android Runtime, Application Framework và Application. Việc lập trình nhà thông minh trên Android cho phép phát triển một giao diện người dùng nhà thông minh trực quan, tận dụng các thư viện và API sẵn có. Sự kết hợp này tạo nên một giải pháp smarthome mạnh mẽ, cho phép người dùng điều khiển từ xa nhà thông minh và giám sát các thiết bị nhà thông minh một cách linh hoạt.

4.2. Giao thức TCP IP và kết nối nhà thông minh qua công nghệ Wifi

Kết nối nhà thông minh (Wi-Fi, Zigbee, Z-Wave) là xương sống của mọi hệ thống tự động hóa nhà ở, và giao thức TCP/IP đóng vai trò nền tảng. TCP/IP là bộ giao thức được sử dụng rộng rãi trên internet, bao gồm TCP (tầng vận chuyển) và IP (tầng mạng). TCP là giao thức hướng kết nối, đảm bảo dữ liệu truyền tải đáng tin cậy, đúng thứ tự, có cơ chế báo nhận và phục hồi dữ liệu bị mất. IP là giao thức không liên kết, mỗi thiết bị có một địa chỉ IP duy nhất và dữ liệu được truyền dưới dạng gói tin (datagram). Hiểu rõ cấu trúc và nguyên lý hoạt động nhà thông minh của TCP/IP là cần thiết để thiết kế một hệ thống nhà thông minh ổn định.

Công nghệ Wi-Fi (Wireless Fidelity) là phương tiện chính để thực hiện kết nối nhà thông minh không dây trong đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình nhà thông minh. Wi-Fi sử dụng sóng vô tuyến, cung cấp sự tiện lợi, khả năng di động và dễ dàng triển khai. Các chuẩn Wi-Fi phổ biến (802.11 a/b/g/n/ac) được đề cập trong tài liệu. Tuy nhiên, Wi-Fi cũng có nhược điểm về phạm vi, độ tin cậy và tốc độ so với mạng có dây. Đặc biệt, vấn đề bảo mật trong mạng không dây là một mối quan tâm lớn. Nghiên cứu đã trình bày về các chuẩn bảo mật như WEP (đã lỗi thời), WPA và WPA2 (sử dụng mã hóa AES). WPA2 vẫn là phương thức bảo mật Wi-Fi phổ biến nhất hiện nay, dù vẫn còn lỗ hổng. Việc hiểu biết các giao thức này giúp đảm bảo rằng thiết bị nhà thông minh có thể giao tiếp an toàn và hiệu quả, cho phép điều khiển từ xa nhà thông minh một cách tin cậy và bảo vệ dữ liệu người dùng khỏi các mối đe dọa.

V. Thiết kế mạch và triển khai mô hình nhà thông minh thực tế

Việc thiết kế mạch nhà thông minh và triển khai thực tế là giai đoạn quan trọng để biến ý tưởng đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình nhà thông minh thành một sản phẩm cụ thể. Giai đoạn này đòi hỏi sự tỉ mỉ, chính xác trong việc lựa chọn linh kiện, bố trí mạch in và lắp đặt hệ thống. Sơ đồ khối của hệ thống đã được phân chia rõ ràng thành các khối chức năng: khối nguồn, khối cảm biến, khối xử lý trung tâm, khối giao tiếp và hiển thị, và khối cơ cấu chấp hành. Mỗi khối được thiết kế để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, đồng thời đảm bảo khả năng tích hợp hệ thống nhà thông minh tổng thể.

Khối nguồn sử dụng bộ nguồn Hi-link 5V và IC LM1117 để cung cấp điện áp ổn định 5V cho toàn bộ mạch từ nguồn đầu vào 220V. Khối cảm biến được thiết kế để kết nối các cảm biến nhà thông minh như DHT11/DHT22, cùng với khả năng mở rộng để nối thêm các cảm biến khác qua jump. Khối xử lý trung tâm là trái tim của hệ thống, sử dụng Esp8266 MCU để điều khiển toàn bộ hoạt động chức năng. Khối giao tiếp và hiển thị cung cấp một giao diện người dùng nhà thông minh thông qua web server trên PC hoặc smartphone, cho phép người dùng đọc thông số thời gian thực và gửi lệnh điều khiển. Cuối cùng, khối cơ cấu chấp hành được sử dụng để điều khiển các thiết bị nhà thông minh trong nhà, như bật/tắt đèn, quạt. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch, sơ đồ mạch in lớp top, lớp bottom và hình ảnh mạch 3D, mạch thực tế đã hoàn thiện đều được trình bày chi tiết trong tài liệu, minh chứng cho quy trình thiết kế mạch nhà thông minh chuyên nghiệp. Giai đoạn này đảm bảo rằng prototype smarthome không chỉ hoạt động theo lý thuyết mà còn có thể vận hành ổn định trong môi trường thực tế, thể hiện rõ nguyên lý hoạt động nhà thông minh đã được nghiên cứu.

5.1. Sơ đồ khối và thiết kế mạch nhà thông minh chi tiết cho đồ án

Việc thiết kế mạch nhà thông minh là một bước không thể thiếu trong quá trình xây dựng mô hình nhà thông minh, đặc biệt là trong một đồ án tốt nghiệp. Sơ đồ khối hệ thống cung cấp cái nhìn tổng quan về cấu trúc và mối quan hệ giữa các thành phần. Đề tài đã phân chia hệ thống thành các khối rõ ràng: khối nguồn, khối cảm biến, khối xử lý trung tâm, khối giao tiếp và hiển thị, và khối cơ cấu chấp hành. Mỗi khối được thiết kế để thực hiện một chức năng cụ thể, đảm bảo tính mô-đun và dễ dàng mở rộng. Chẳng hạn, khối nguồn sử dụng bộ nguồn Hi-link 5V và IC LM1117 để chuyển đổi 220V thành 5V, cấp nguồn cho toàn bộ mạch. Khối cảm biến được trang bị DHT11/DHT22 và có thể mở rộng các cảm biến khác.

Khối xử lý trung tâm, sử dụng Esp8266 MCU, là nơi thực hiện các thuật toán điều khiển và giao tiếp. Các sơ đồ nguyên lý cho từng khối (khối nguồn, khối cảm biến, khối xử lý trung tâm, khối cơ cấu chấp hành) đều được trình bày chi tiết, cho thấy cách các linh kiện được kết nối. Sau đó, các sơ đồ mạch in lớp top và lớp bottom đã được thiết kế, thể hiện bố cục vật lý của mạch trên bảng PCB. Hình ảnh mạch 3D và mạch thực tế đã hoàn thiện cung cấp minh chứng trực quan cho quá trình triển khai. Quy trình thiết kế mạch nhà thông minh này không chỉ đảm bảo tính chính xác về mặt kỹ thuật mà còn tối ưu hóa về mặt không gian và chi phí, tạo nên một prototype smarthome hoạt động hiệu quả.

5.2. Các khối chức năng chính cảm biến xử lý và cơ cấu chấp hành

Trong mô hình nhà thông minh được xây dựng, ba khối chức năng chính – cảm biến, xử lý và cơ cấu chấp hành – là các trụ cột của hệ thống tự động hóa nhà ở. Khối cảm biến đóng vai trò là 'giác quan' của ngôi nhà, thu thập dữ liệu về môi trường. Đồ án sử dụng chủ yếu cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11, nhưng cũng có thể tích hợp thêm các cảm biến nhà thông minh khác như cảm biến ánh sáng, chuyển động. Các cảm biến này cung cấp thông tin đầu vào quan trọng, là cơ sở để hệ thống đưa ra các quyết định điều khiển.

Khối xử lý trung tâm, với vi điều khiển Esp8266 MCU, là 'bộ não' của hệ thống. Nó tiếp nhận dữ liệu từ khối cảm biến, xử lý các thuật toán đã lập trình và tạo ra các lệnh điều khiển. Chẳng hạn, khi nhiệt độ phòng vượt quá ngưỡng cài đặt, khối xử lý sẽ ra lệnh cho khối cơ cấu chấp hành bật quạt hoặc điều hòa. Khối giao tiếp và hiển thị, thông qua web server hoặc ứng dụng di động, cho phép người dùng theo dõi các thông số và điều khiển trực tiếp. Cuối cùng, khối cơ cấu chấp hành là 'cơ bắp' của hệ thống, thực hiện các hành động vật lý theo lệnh từ khối xử lý. Các cơ cấu này bao gồm rơle điều khiển đèn, quạt, rèm cửa tự động hoặc máy bơm nước. Sự phối hợp nhịp nhàng giữa ba khối này đảm bảo nguyên lý hoạt động nhà thông minh được thực hiện một cách hiệu quả, mang lại khả năng tiết kiệm năng lượng nhà thông minh và nâng cao tiện nghi cho người sử dụng, thể hiện khả năng tích hợp hệ thống nhà thông minh một cách toàn diện.

VI. Kết luận và định hướng phát triển cho đồ án nhà thông minh tương lai

Kết thúc đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình nhà thông minh, chúng ta có thể khẳng định tầm quan trọng và tiềm năng ứng dụng to lớn của giải pháp smarthome trong đời sống hiện đại. Đề tài đã thành công trong việc xây dựng một hệ thống tự động hóa nhà ở có khả năng giám sát các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) và điều khiển các thiết bị nhà thông minh từ xa thông qua smartphone. Việc tích hợp IoT trong nhà thông minh và sử dụng các nền tảng nhà thông minh (Arduino, Raspberry Pi, ESP32) đã chứng minh tính khả thi của một kiến trúc nhà thông minh linh hoạt và chi phí hợp lý. Các kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, cung cấp dữ liệu chính xác và cho phép người dùng tương tác dễ dàng với giao diện người dùng nhà thông minh thân thiện. Đây không chỉ là một thành tựu học thuật mà còn là bước đệm quan trọng để các kỹ sư tương lai tiếp tục khám phá và phát triển lĩnh vực này.

Nhìn về tương lai, mô hình nhà thông minh còn rất nhiều dư địa để phát triển và hoàn thiện. Một trong những hướng đi tiềm năng là tăng cường khả năng an ninh nhà thông minh bằng cách tích hợp các cảm biến tiên tiến hơn (như cảm biến khí gas, khói, hồng ngoại) và hệ thống camera giám sát thông minh với tính năng nhận diện khuôn mặt. Việc tối ưu hóa tiết kiệm năng lượng nhà thông minh thông qua các thuật toán học máy (Machine Learning) để phân tích thói quen sử dụng và tự động điều chỉnh cũng là một hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn. Ngoài ra, việc mở rộng khả năng kết nối nhà thông minh (Wi-Fi, Zigbee, Z-Wave) sang các giao thức khác và tích hợp với các hệ sinh thái smarthome lớn hơn sẽ nâng cao tính tương thích. Đặc biệt, việc áp dụng sâu hơn công nghệ 4.0 ứng dụng nhà thông minh, như trí tuệ nhân tạo (AI) để điều khiển bằng giọng nói hoặc phân tích hành vi để đưa ra đề xuất tự động, sẽ biến ngôi nhà trở nên thông minh hơn nữa. Đồ án tốt nghiệp này đã cung cấp một nền tảng vững chắc, mở ra cánh cửa cho nhiều nghiên cứu và phát triển tiếp theo, góp phần vào sự phát triển của công nghệ điều khiển nhà thông minh và mang lại giá trị thực tiễn cho cộng đồng.

6.1. Đánh giá kết quả và ý nghĩa thực tiễn của giải pháp Smarthome

Sau quá trình nghiên cứu và triển khai, đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình nhà thông minh đã đạt được những kết quả đáng ghi nhận, thể hiện ý nghĩa thực tiễn sâu sắc của giải pháp smarthome. Hệ thống đã chứng minh khả năng giám sát và điều khiển hiệu quả các thiết bị nhà thông minh trong mô hình. Các thông số nhiệt độ và độ ẩm được đo lường chính xác bằng cảm biến nhà thông minh DHT11, và dữ liệu được truyền tải thành công đến server và hiển thị trên giao diện người dùng nhà thông minh (ứng dụng Android hoặc web). Khả năng điều khiển từ xa nhà thông minh các thiết bị như đèn, quạt thông qua smartphone đã được thử nghiệm thành công, mang lại sự tiện lợi và linh hoạt cho người dùng.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài nằm ở việc áp dụng thành công các kiến thức về IoT trong nhà thông minh, vi điều khiển (Esp8266, Raspberry Pi), lập trình nhà thông minh (Node.js, Android) vào một sản phẩm cụ thể. Đây là một minh chứng rõ ràng cho việc tích hợp hệ thống nhà thông minh một cách toàn diện. Hơn nữa, với chi phí phần cứng được tối ưu và khả năng triển khai dễ dàng, mô hình nhà thông minh này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hộ gia đình Việt Nam. Việc xây dựng một prototype smarthome không chỉ là một bài tập học thuật mà còn là cơ hội để sinh viên cọ xát với công nghệ mới, rèn luyện kỹ năng giải quyết vấn đề và đóng góp vào sự phát triển của hệ thống tự động hóa nhà ở thông minh.

6.2. Tiềm năng ứng dụng Công nghệ 4.0 và an ninh nhà thông minh

Tương lai của đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình nhà thông minh nằm ở việc khai thác sâu hơn Công nghệ 4.0 ứng dụng nhà thông minh, đặc biệt là trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (ML). Việc tích hợp AI có thể giúp hệ thống nhà thông minh học hỏi thói quen sinh hoạt của người dùng, từ đó tự động điều chỉnh các thông số môi trường (ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm) một cách thông minh hơn, vượt ra ngoài các chương trình cài đặt sẵn. Điều này không chỉ nâng cao tiện nghi mà còn tối ưu hóa tiết kiệm năng lượng nhà thông minh một cách đáng kể. Chẳng hạn, hệ thống có thể tự động bật/tắt thiết bị dựa trên dự đoán sự có mặt của người dùng hoặc điều kiện thời tiết.

Bên cạnh đó, việc nâng cao an ninh nhà thông minh là một hướng phát triển cực kỳ quan trọng. Hiện tại, đề tài đã đề cập đến các cảm biến cơ bản, nhưng việc tích hợp các hệ thống camera AI nhận diện khuôn mặt, cảm biến cửa thông minh, cảm biến kính vỡ và hệ thống cảnh báo xâm nhập tiên tiến có thể biến mô hình nhà thông minh thành một pháo đài an toàn. Các giải pháp bảo mật dữ liệu mạnh mẽ hơn, mã hóa end-to-end cho mọi giao tiếp trong hệ thống tự động hóa nhà ở cũng cần được ưu tiên. Việc phát triển các module cho phép mô phỏng nhà thông minh trong các môi trường ảo trước khi triển khai thực tế cũng là một cách để tối ưu hóa thiết kế và kiểm thử hiệu quả. Với những định hướng này, đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình nhà thông minh có thể trở thành nền tảng cho các sản phẩm giải pháp smarthome thương mại, đóng góp vào cuộc cách mạng công nghệ điều khiển nhà thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I chủ yếu giới thiệu tổng quan nhất về IoT – một xu hướng công nghệ cho tương lai. Tuy xuất hiện từ lâu nhưng trong những năm gần đây nó được nhiều doanh nghiệp cũng như các nhà khoa học để ý và phát triển mạnh mẽ. Chính vì vậy các thiết bị thông minh: tivi thông minh, tủ lạnh thông minh,…lần lượt được giới thiệu. Không ngoại lệ, canh tác thông minh là hệ thống tiềm năng của IoT và sẽ được phát triển mạnh mẽ trong thời gian tới.

Page 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG II TÌM HIỂU LÝ THUYẾT Chương hai trình bày các khái niệm, lí thuyết cơ sở của các kiến thức liên quan đến đề tài, các thuật toán triển khai trong đề tài, cũng như các phương tiện, công cụ hỗ trợ. Mô hình nhà thông minh? 2.1 Nhà thông minh là gì? Nhà thông minh (tiếng Anh là "Smart Home") hoặc hệ thống nhà thông minh là một ngôi nhà/ căn hộ được trang bị hệ thống tự động tiên tiến dành cho điều khiển đèn chiếu sáng, nhiệt độ, truyền thông đa phương tiện, an ninh, rèm cửa, cửa và nhiều tính năng khác nhằm mục đích làm cho cuộc sống ngày càng tiện nghi, an toàn và góp phần sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên. Theo wiseGeek, một ngôi nhà (hoặc căn hộ) được coi là "thông minh" bởi vì hệ thống máy tính của nó có thể theo dõi rất nhiều khía cạnh của cuộc sống thường ngày. Một trong những ví dụ cơ bản nhất của nhà thông minh là một hệ thống kiểm soát mức độ chiếu sáng của hệ thống đèn giúp tiết kiệm điện và phù hợp với khung cảnh, chẳng hạn như cài đặt đèn ánh sáng nhẹ cho các bữa tiệc tối.

Hệ thống cũng có thể điều chỉnh rèm cửa theo yêu cầu, kiểm soát nhiệt độ, hệ thống camera giám sát, hệ thống khóa cửa tự động, hệ thống phòng ngừa trộm. Nhà thông minh ngoài ra còn có một số ứng dụng sáng tạo hơn, gồm hệ thống điều khiển giải trí tại gia – loa công suất khác nhau, hệ thống điện thoại, liên lạc nội bộ, hệ thống tưới nước. Các chức năng này có thể được thực hiện nhờ các thiết bị trong nhà được kết nối với nhau để hệ thống máy tính trung tâm có thể theo dõi các trạng thái và ra các quyết định điều khiển phù hợp. Nhà thông minh đã được hình dung trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng từ nhiều năm nhưng nó chỉ trở thành hiện thực kể từ thế kỷ 20 sau sự phát triển rộng rãi của điện và những tiến bộ nhanh chóng của công nghệ thông tin, theo Wikipedia.

Các thành phần của nhà thông minh. Các thành phần của hệ thống nhà thông minh bao gồm các cảm biến (như cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng hoặc do cử chỉ), các bộ điều khiển hoặc máy chủ và các thiết bị chấp hành khác. Nhờ hệ thống cảm biến, các bộ điều khiển và máy chủ có thể theo dõi các trạng thái bên trong ngồi nhà để đưa ra các quyết định điều khiển Page 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP các thiết bị chấp hành một cách phù hợp nhằm đảm bảo môi trường sống tốt nhất cho con người. Các thành phần cơ bản của hệ thống nhà thông minh 2.

Hệ thống giám sát dùng cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 Hệ thống giám sát là tập hợp các thiết bị quản lí gồm các sensor và camera đưa thông tin về cho Cloud- nơi lưu trữ các thông số của nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, mưa, gió…. Từ đó, người dùng có thể thấy được trực quan hơn về điều kiện địa điểm cần theo dõi một cách cụ thể. Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và lấy dữ liệu dễ dàng thông qua giao tiếp 1 wire (giao tiếp digital 1 dây truyền Page 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP dữ liệu duy nhất). Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp có được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào.

Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 Thông số kỹ thuật:  Điện áp hoạt động: 3-5.5V DC  Ngưỡng độ ẩm: 20 - 90%  Sai số độ ẩm: ± 5%  Ngưỡng nhiệt độ: 0 - 55oC  Sai số nhiệt độ: ± 2oC Nguyên lý hoạt động: để giao tiếp được với DHT11 cần thực hiện theo hai bước:  Bước 1: Gửi tín hiệu Start o MCU thiết lập chân DATA là output, kéo chân DATA xuống 0 trong khoảng thời gian > 18ms, khi đó DHT11 sẽ hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm o MCU đưa chân DATA lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào o Sau khoảng 20-40us, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống mức thấp. Nếu t > 40ms mà không kéo được xuống thấp nghĩa là không giao tiếp được với DHT11. o Chân DATA sẽ ở mức thấp trong 80us sau đó nó lại được kéo lên mức cao trong 80us. Quá trình giao tiếp với DHT11 hoàn tất.

 Bước 2: Đọc giá trị trên DHT11: giá trị gồm 5 byte dữ liệu Page 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP o Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm (%) o Byte 2: giá trị phần thập phân của độ ẩm (%) o Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ (oC) o Byte 4: giá trị phần thập phân của nhiệt độ (oC) o Byte 5: kiểm tra tổng (Nếu Byte 5 = Byte 1 + Byte 2 + Byte 3 + Byte4) thì giá trị đo được là chính xác.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 2.3 Hệ thống điều khiển Tích hợp mạch điện tử với MCU là Esp8266 để thực hiện các công viêc cần làm.1 Giới thiệu Esp8266 là một wifi SOC được phát triển bởi công ty Trung Quốc Espressif Systems. Esp8266 được tích hợp đầy đủ các tính năng về internet với kích thước rất nhỏ gọn với mức giá rất rẻ. Bên trong Esp8266 có sẵn một lõi vi xử lý nên có thể trực tiếp lập trình cho nó mà không cần bất kỳ một con vi xử lý nào nữa. Module wifi Esp8266 2.2 Thông số kỹ thuật  32-bit RISC CPU: Tensilica LX106 hoạt động với 80MHz  Chip nạp CP2102  64 Kb instruction RAM, 96 Kb data RAM  QSPI flash ngoài: 512 Kb  IEEE 802.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2 Page 16 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  16 chân GPIO  Hỗ trợ SPI, I2C, I2S, UART, ADC  Chuẩn điện áp hoạt động: 3.3V DC  Dải nhiệt độ hoạt động: -40 oC - 125 oC  Sơ đồ chân: Hình 2.

Sơ đồ chân của Esp8266 2.3 Giao tiếp với Esp8266 Để giao tiếp giữa máy tính với Esp8266 cần chuẩn bị:  Esp8266  USB – UART PL2303  Arduino IDE Nối dây: Bảng 2. Sơ đồ nối chân giữa Esp8266 và PL2303 Page 17 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PL2303 ESP8266 RX TX TX RX 3.3V VCC và CH_PD GND GND Sử dụng tập lệnh AT. Mở Serial trên Arduino IDE lên và chọn tốc độ Baud phù hợp. Một vài lệnh AT cơ bản và quan trọng: Bảng 2.

Một số lệnh AT cơ bản của Esp8266 Cú pháp Mục đích Ghi chú Kiểm tra lệnh, luôn trả về AT “OK” AT+RST Reset module AT+GMR Truy vấn phiên bản firmware 1 – station, 2 – access AT+CWMODE=<mode> Cài đặt chế độ point, 3 – both 0 – 1 kênh, 1 – nhiều AT+CIPMUX Cài đặt số lượng kết nối kênh AT+CWJAP=<ssid>,<pas AT+CWJAP=”bkfet”,” Kết nối tới một mạng wifi sword> 12345678” Chan: channel Enc: encryption (0- AT+CWSAP=<ssid>,<pa Cài đặt các thông số cho Open, 1-WEP,2- ssword>,<chan>,<enc> Access Point WPA_PSK,3- WPA2_PSK, 4- WPA_WPA2_PSK) AT+CIFSR Xem địa chỉ IP của module Đóng kết nối tới một Access AT+CWQAP Point Ngoài những lệnh AT cơ bản này ra còn rất nhiều lệnh AT khác. Với việc sử dụng tập lệnh AT, ta có thể dễ dàng tương tác với Esp8266. Page 18 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.3 Bộ giao thức truyền thông TCP/IP 2.1 Giới thiệu về TCP/IP Bộ giao thức TCP/IP được phát triển từ mạng ARPANET và Internet và được dùng như giao thức mạng và vận chuyển trên mạng Internet. TCP là giao thức thuộc tầng vận chuyển và IP là giao thức thuộc tầng mạng của mô hình OSI.

Giao thức TCP:  Là giao thức hướng kết nối nghĩa là khi muốn truyền dữ liệu thì phải thiết lập kết nối trước.  Hỗ trợ cơ chế full-duplex ( truyền và nhận dữ liệu cùng một lúc)  Cung cấp cơ chế báo nhận: khi A gửi dữ liệu cho B, B nhận được thì gửi gói tin cho A xác nhận là đã nhận. Nếu không nhận được tin xác nhận thì A sẽ gửi cho đến khi B báo nhận thì thôi.  Phục hồi dữ liệu bị mất trên đường truyền (A gửi B mà không thấy xác nhận sẽ gửi lại).

 Là giao thức với độ tin cậy cao nên TCP Header rất phức tạp. Cấu trúc gói tin TCP Header  32 bit sequence number: dùng để đánh số thứ tự gói tin (từ số sequence nó sẽ tính ra được số byte đã được truyền). Page 19 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  32 bit acknowledgement number: dùng để báo nó đã nhận được gói tin nào và nó mong nhận được byte mang số thứ tự nào tiếp theo.  4 bit header length: cho biết toàn bộ header dài bao nhiêu Word(1 Word = 4 byte).

Giao thức IP:  Là một giao thức kiểu không liên kết có nghĩa là không cần có giai đoạn thiết lập liên kết trước khi truyền dữ liệu.  Mỗi giao diện trong 1 máy có hỗ trợ giao thức IP đều phải được gán 1 địa chỉ IP.  Địa chỉ IP gồm hai phần: địa chỉ mạng và địa chỉ máy.  Người ta phân địa chỉ IP ra thành 5 lớp: A,B,C,D,E trong đó lớp A,B,C chứa địa chỉ có thể gán được, lớp D dành riêng cho lớp kỹ thuật multicasting, lớp E được dành những ứng dụng trong tương lai.

Xét cấu trúc của các lớp địa chỉ có thể gán được là lớp A, lớp B, lớp C Bảng 2. Địa chỉ lớp A Netid Host 0xxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx Bảng 2. Địa chỉ lớp B Netid Host 10xxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx Bảng 2. Địa chỉ lớp C Netid Host 110xxxxx xxxxxxxx xxxxx xxxxxxxx Đơn vị dữ liệu dùng trong IP được gọi là gói tin (datagram), có khuôn dạng như sau: Page 20 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.

Datagram của IP Trong đó:  Version (4 bits): chỉ version hiện hành của giao thức IP hiện được cài đặt, việc có chỉ số version cho phép có các trao đổi giữa các hệ thống sử dụng version cũ và hệ thống sử dụng version mới. Trường này bắt buột phải có vì phần đầu IP có thể có độ dài thay đổi tùy ý. Độ dài tối thiểu là 5 từ (20 bytes), độ dài tối đa là 15 từ hay là 60 bytes.