Đặt vấn đề Trong bối cảnh xã hội hiện đại với tốc độ đô thị hóa và công nghệ ngày càng phát triển, vấn đề an toàn, an ninh trong hộ gia đình đang trở thành mối quan tâm lớn đối với nhiều người. Những nguy cơ như trộm cắp, hỏa hoạn, rò rỉ khí gas, ngập úng hay chập điện không chỉ gây thiệt hại về tài sản mà còn đe dọa trực tiếp đến tính mạng con người. Đặc biệt, khi các thành viên trong gia đình thường xuyên đi làm hoặc đi học, không có người ở nhà, thì việc kiểm soát và giám sát tình trạng an ninh càng trở nên khó khăn hơn. Trong nhiều trường hợp, khi phát hiện sự cố, người dân thường không kịp phản ứng hoặc không có biện pháp xử lý kịp thời, dẫn đến hậu quả nghiêm trọng.
Hiện nay, với sự tiến bộ của công nghệ, các hệ thống giám sát và cảnh báo thông minh đang trở thành một giải pháp tối ưu giúp tăng cường an toàn cho hộ gia đình. Những hệ thống này có thể tích hợp các thiết bị cảm biến, camera an ninh, báo động và ứng dụng điều khiển từ xa để giúp người dùng dễ dàng theo dõi và xử lý tình huống ngay cả khi không có mặt tại nhà. Chẳng hạn, khi có kẻ lạ xâm nhập, hệ thống sẽ ngay lập tức gửi thông báo đến điện thoại của chủ nhà và kích hoạt chuông báo động để răn đe. Tương tự, nếu phát hiện khói hoặc rò rỉ khí gas, hệ thống có thể tự động tắt nguồn điện, đóng van khí và gửi cảnh báo để người dùng kịp thời ứng phó, giảm thiểu rủi ro.
Mặc dù có nhiều lợi ích rõ ràng, nhưng thực tế cho thấy vẫn còn nhiều hộ gia đình chưa quan tâm đúng mức đến việc lắp đặt hệ thống giám sát và cảnh báo, một phần do chi phí đầu tư ban đầu, một phần do chưa hiểu rõ về tính năng và cách thức hoạt động của hệ thống này. Do đó, việc nghiên cứu và phổ biến các giải pháp giám sát, cảnh báo thông minh không chỉ giúp nâng cao nhận thức của người dân mà còn góp phần xây dựng một môi trường sống an toàn hơn. Vậy hệ thống giám sát và cảnh báo trong hộ gia đình nên được thiết kế như thế nào để đảm bảo hiệu quả tối đa? Những công nghệ nào có thể được ứng dụng để tăng cường tính năng của hệ thống này? Đây là những vấn đề quan trọng cần được xem xét và nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu nhất.2 Mục tiêu của đề tài Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu, phân tích và thiết kế một hệ thống giám sát và cảnh báo kết hợp công nghệ nhằm nâng cao mức độ an toàn và hiệu quả giám sát cho các hộ gia đình trước các nguy cơ như xâm nhập trái phép, hỏa hoạn, rò rỉ khí gas và các sự cố điện nước. Cụ thể, đề tài hướng đến việc xây dựng một hệ thống có khả năng giám sát theo thời gian thực, thu thập và xử lý dữ liệu từ các cảm biến, đồng thời đưa ra các cảnh báo sớm giúp người dùng kịp thời ứng phó với các tình huống nguy hiểm.
Bên cạnh đó, đề tài còn nghiên cứu mở rộng tích hợp các công nghệ tiên tiến như Internet vạn vật (IoT), trí tuệ nhân tạo (AI) và điện toán đám mây nhằm tối ưu hóa khả năng nhận diện nguy cơ, giảm thiểu cảnh báo sai và nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống. Một mục tiêu quan trọng khác là đảm bảo hệ thống có tính khả thi cao, dễ triển khai trong thực tế, có chi phí hợp lý và khả năng mở rộng linh hoạt theo nhu cầu của người dùng. 1 Thông qua nghiên cứu này, đề tài không chỉ góp phần nâng cao nhận thức về an toàn trong hộ gia đình mà còn tạo tiền đề cho việc ứng dụng các giải pháp công nghệ thông minh vào đời sống, hướng đến một môi trường sống an toàn, hiện đại và bền vững.3 Các bước triển khai đề tài - Tìm hiểu lý thuyết liên quan đến đề tài như: mạng cảm biến không dây, giao thức truyền tin không dây ESP-NOW, STMP, … - Tổng quan thiết kế hệ thống. - Thiết kế các module phần cứng.
- Triển khai chương trình phần mềm. - Kiểm thử, đánh giá hệ thống. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong chương này sẽ trình bày lý thuyết về mạng cảm biến không dây cùng với công nghệ truyền tin không dây ESP-NOW và những ứng dụng, phần mềm, công nghệ được sử dụng ở trong đề tài này như : InfluxDB, Grafana, STMP.1 Mạng cảm biến không dây Khái niệm Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks – WSNs) là một mạng rời rạc gồm nhiều nút không dây, được gọi là các cảm biến, được triển khai nhằm thực hiện các nhiệm vụ cụ thể như giám sát môi trường xung quanh và đo lường các thông số vật lý như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, v. Mạng cảm biến không dây chịu trách nhiệm đo lường, ghi nhận, xử lý và truyền thông tin đến nút đích trong vùng mạng thông qua các tuyến giao tiếp được chỉ định.
Mỗi cảm biến được triển khai trong mạng thực hiện các chức năng như cảm nhận môi trường, xử lý dữ liệu thu thập được và giao tiếp với các cảm biến lân cận. Các nút cảm biến có phạm vi cảm nhận, khả năng xử lý và mức năng lượng hạn chế. Các thành phần trong một hệ thống WSN Cấu trúc tổng quan của mạng cảm biến không dây [1] được minh họa trong Hình 2. Hình 2-1 Cấu trúc tổng quan WSN Một mạng cảm biến cơ bản bao gồm một lượng lớn các nút cảm biến.
Như được thể hiện trong Hình 2.1, một số lượng cảm biến được triển khai trên toàn bộ phạm vi địa lý của mạng và thực hiện các nhiệm vụ như cảm nhận, xử lý, chuyển tiếp và giao tiếp. Tất cả thông tin hoặc dữ liệu được cảm biến thu thập sẽ được chuyển tiếp đến nút sink thông qua việc chuyển tiếp đa chặng, từ đó thông tin sẽ được cung cấp cho người dùng cuối. 3 Cấu trúc của một nút cảm biến: [2] Hình 2-2 Cấu trúc của một nút cảm biến Các thành phần của một nút cảm biến bao gồm một bộ phận cảm biến, một bộ phận xử lý, một bộ phát/thu và một khối cung cấp năng lượng. Các đơn vị cảm biến thường bao gồm hai đơn vị con: cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC).
Các tín hiệu tương tự do cảm biến tạo ra được ADC chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số, sau đó được đưa vào bộ xử lý. Đơn vị xử lý thường được liên kết với một đơn vị lưu trữ nhỏ và nó có thể quản lý các thủ tục làm cho nút cảm biến cộng tác với các nút khác để thực hiện các nhiệm vụ cảm biến được giao. Bộ thu phát kết nối nút với mạng. Một trong những thành phần quan trọng nhất của nút cảm biến là khối nguồn.
Các đơn vị năng lượng điện có thể được hỗ trợ bởi một đơn vị thu gom năng lượng như pin mặt trời. Các đơn vị con khác của nút phụ thuộc vào ứng dụng. Về mặt chức năng, các nút cảm biến có thể được phân thành hai loại: Thứ nhất, các nút giao tiếp bên trong mạng với các nút khác và thứ hai, các nút giao tiếp với môi trường bên ngoài, được gọi là các nút cổng hoặc nút sink (nút đích). Đặc điểm của mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây khác với các mạng thông thường, nó có một số đặc điểm nổi bật như sau: - Mạng cảm biến không dây thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng node mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng.
do vậy mạng cảm biến không dây đòi hỏi một sơ đồ mạng linh động và các node mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình. - WSN không sử dụng được các cơ chế và giao thức truyền thông phổ biến dùng cho mạng máy tính như 802.11 mà đòi hỏi phải có cơ chế & giao thức truyền vô tuyến riêng. 4 - Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin.), giá thành và yêu cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến. - Các thiết bị trong mạng cảm biến không dây có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ.
- Các node trong mạng cảm biến không dây có thể di động làm phức tạp hóa vấn đề định tuyến trong mạng. - Giới hạn về năng lực tính toán (Chip vi xử lý, bộ nhớ hạn chế) của từng node mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng, mạng cảm biến không dây thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm tải cho node gần hết năng lượng) hoặc gửi dữ liệu cần tính toán cho các node có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về tiêu thụ năng lượng. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây [3] Trong mạng cảm biến, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các nút sẽ được định tuyến gửi đến sink. Sink sẽ gửi dữ liệu đến người dung đầu cuối thông qua internet hay vệ tinh.
Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến (Hình 2.3) Hình 2-3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp số liệu với các giao thức, sử dụng mạng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến và sự tương tác giữa các nút cảm biến. Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý dữ liệu di động và phần quản lý nhiệm vụ. 5 - Lớp vật lý: Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý mà tại đó sóng vô tuyến hoạt động, phương thức điều chế vô tuyến và mã hóa tín hiệu vô tuyến. - Lớp liên kết dữ liệu: Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm cho việc ghép các luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi trường.
Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC – Media Access Control) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hóa việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.