Lập Trình IoT Với Arduino ESP8266 Và XBee: Hướng Dẫn Chi Tiết

Lập trình IoT với Arduino và ESP8266 đang trở thành xu hướng trong lĩnh vực công nghệ hiện đại. 482 trang · Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM · 2018.

• Tác giả: Nguyễn Tất Thiện
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tất Bảo Thiện
• Trường học: Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Hướng Dẫn Lập Trình IoT Với Arduino ESP8266 Và XBee
• Loại tài liệu: Tài Liệu Hướng Dẫn
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về hệ thống nhúng
• 1.2. Tổng quan về IOT
• 1.3. Tổng quan về Arduino
• 1.4. Arduino và Raspberry
• 1.5. Các linh kiện thực hành
• 2. CHƯƠNG 2: ARDUINO VÀ CẢM BIẾN
• 2.1. Tổng quan về cảm biến
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC HÀNH VỚI ARDUINO
• 3.1. Bài tập 1: Đọc giá trị điện áp ngõ vào Analog
• 3.2. Bài tập 2: Điều khiển tốc độ sáng tắt với biến trở
• 3.3. Bài tập 3: Lập trình với ngõ vào (Input)
• 3.4. Bài tập 4: Mạch sử dụng hai nút nhấn và một Led
• 3.5. Bài tập 5: Mạch sử dụng chiết áp
• 4. CHƯƠNG 4: ARDUINO VÀ CẢM BIẾN
• 4.1. Arduino và cảm biến Nhiệt độ-Độ ẩm
• 4.2. Cảm biến tiệm cận
• 4.3. Arduino và cảm biến hồng ngoại
• 4.4. Cảm biến Quang
• 4.5. Cảm biến khói - đầu dò khói
• 4.6. Arduino và cảm biến dịch chuyển PIR
• 4.7. Đo nhiệt độ, độ ẩm từ xa với bo thu phát cao tần
• 5. CHƯƠNG 5: TRUYỀN THÔNG CÓ DÂY VÀ KHÔNG DÂY
• 6. CHƯƠNG 6: CẤU HÌNH CHO ESP8266
• 7. CHƯƠNG 7: CÁC BÀI TẬP CƠ BẢN DÙNG ESP8266
• 8. CHƯƠNG 8: MỘT SỐ TÍNH NĂNG KHÁC CỦA ESP8266
• 9. CHƯƠNG 9: SỬ DỤNG MICRO PYTHON TRONG ESP8266
• 10. CHƯƠNG 10: LẬP TRÌNH IOT VỚI ARDUINO VÀ XBEE
• 10.1. Cấu hình cho XBEE
• 10.2. Các bài tập cơ bản dùng XBEE

Tóm tắt

I. Hướng Dẫn Tổng Quan Về Lập Trình IoT Với Arduino ESP8266

Lập trình IoT với Arduino và ESP8266 đang trở thành xu hướng trong lĩnh vực công nghệ hiện đại. Arduino là một nền tảng mã nguồn mở, dễ sử dụng, cho phép người dùng phát triển các ứng dụng IoT một cách nhanh chóng. ESP8266 là một module Wi-Fi giá rẻ, giúp kết nối các thiết bị với Internet. Việc kết hợp hai công nghệ này mở ra nhiều cơ hội cho các dự án sáng tạo trong lĩnh vực Internet of Things.

1.1. Tổng Quan Về Arduino Và ESP8266

Arduino là một bo mạch vi điều khiển, dễ dàng lập trình và kết nối với nhiều cảm biến. ESP8266 cho phép kết nối Internet, giúp truyền tải dữ liệu từ các cảm biến đến máy chủ hoặc ứng dụng di động.

1.2. Lợi Ích Của Việc Sử Dụng IoT

Sử dụng IoT giúp tự động hóa quy trình, tiết kiệm thời gian và chi phí. Các ứng dụng như tưới cây tự động, giám sát nhiệt độ, và điều khiển thiết bị từ xa trở nên khả thi hơn.

II. Những Thách Thức Khi Lập Trình IoT Với Arduino ESP8266

Mặc dù lập trình IoT với Arduino và ESP8266 mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức. Việc kết nối không ổn định, bảo mật thông tin và khả năng tương thích giữa các thiết bị là những vấn đề cần được giải quyết. Đặc biệt, việc xử lý dữ liệu lớn từ nhiều cảm biến cũng là một thách thức lớn.

2.1. Vấn Đề Kết Nối Internet

Kết nối Internet không ổn định có thể gây ra sự cố trong việc truyền tải dữ liệu. Điều này ảnh hưởng đến hiệu suất của các ứng dụng IoT.

2.2. Bảo Mật Thông Tin Trong IoT

Bảo mật là một vấn đề quan trọng trong IoT. Các thiết bị cần được bảo vệ khỏi các cuộc tấn công mạng để đảm bảo an toàn cho dữ liệu.

III. Phương Pháp Lập Trình IoT Với Arduino Và ESP8266

Để lập trình IoT hiệu quả, cần nắm vững các phương pháp cơ bản. Sử dụng thư viện Arduino, cấu hình ESP8266 và lập trình giao thức truyền thông là những bước quan trọng. Việc sử dụng các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, và cảm biến chuyển động cũng rất cần thiết.

3.1. Cấu Hình ESP8266 Để Kết Nối Internet

Cấu hình ESP8266 để kết nối với mạng Wi-Fi là bước đầu tiên. Cần thiết lập SSID và mật khẩu để thiết bị có thể truy cập Internet.

3.2. Sử Dụng Thư Viện Arduino Để Lập Trình

Sử dụng các thư viện như ESP8266WiFi và ArduinoJson giúp đơn giản hóa quá trình lập trình và xử lý dữ liệu từ cảm biến.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của IoT Với Arduino Và ESP8266

Các ứng dụng thực tiễn của IoT với Arduino và ESP8266 rất đa dạng. Từ việc giám sát môi trường, điều khiển thiết bị từ xa đến các hệ thống tự động hóa trong nông nghiệp. Những ứng dụng này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao hiệu quả công việc.

4.1. Giám Sát Môi Trường

Sử dụng cảm biến để theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí. Dữ liệu thu thập được có thể được gửi đến máy chủ để phân tích.

4.2. Tự Động Hóa Trong Nông Nghiệp

Hệ thống tưới cây tự động giúp tiết kiệm nước và thời gian. Người dùng có thể điều khiển hệ thống từ xa thông qua ứng dụng di động.

V. Kết Luận Về Tương Lai Của IoT Với Arduino Và ESP8266

Tương lai của IoT với Arduino và ESP8266 rất hứa hẹn. Sự phát triển của công nghệ sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng sáng tạo. Việc cải thiện khả năng kết nối và bảo mật sẽ là những yếu tố quyết định cho sự thành công của IoT trong tương lai.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ IoT

Công nghệ IoT sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều ứng dụng mới trong các lĩnh vực như y tế, giao thông và nông nghiệp.

5.2. Tầm Quan Trọng Của Bảo Mật Trong IoT

Bảo mật sẽ trở thành một yếu tố quan trọng trong việc phát triển các ứng dụng IoT. Các giải pháp bảo mật cần được cải thiện để bảo vệ dữ liệu người dùng.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Hướng Dẫn Lập Trình IoT Với Arduino ESP8266 Và XBee là tài liệu thực hành chuyên sâu thuộc tủ sách STK, do TS. Nguyễn Tất Bảo Thiện (Khoa Kỹ thuật Điện tử 2, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Cơ sở TP.HCM) và KS. Phạm Quang Huy (Khoa Điện - Điện tử, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đồng biên soạn, Nhà xuất bản Thanh Niên xuất bản. Trong hệ thống đào tạo kỹ thuật, tài liệu này giữ vai trò là tập 5 trong bộ giáo trình 10 tập chuyên đề về lập trình, khai thác và ứng dụng vi điều khiển Arduino trong các hệ thống dân dụng và công nghiệp.

Về vị trí trong chương trình đào tạo, giáo trình được thiết kế cho các học phần chuyên ngành như Hệ thống nhúng (Embedded Systems), Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks) và Lập trình Internet of Things (IoT). Mục tiêu học tập (learning outcomes) của tài liệu bao gồm:

1. Hiểu rõ cấu trúc hệ thống IoT: Nắm vững 3 thành phần cốt lõi gồm Cảm biến & Cơ cấu tác động (Sensors & Actuators), Sự kết nối (Connectivity) và Con người & Quy trình điều khiển (People & Processes).
2. Làm chủ phần cứng cơ sở: Hiểu rõ kiến trúc vi điều khiển ATmega328P-PU trên bo mạch Arduino Uno R3, các đường cấp nguồn (5V, 3.3V, Vin 7–12V), giao thức kết nối I/O số, PWM và bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC).
3. Triển khai mạng truyền thông không dây: Cấu hình và lập trình truyền nhận dữ liệu qua module Wi-Fi ESP8266 và module sóng vô tuyến XBee.
4. Xây dựng ứng dụng nhúng hoàn chỉnh: Thu thập dữ liệu từ các cảm biến môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, khí gas/khói, chuyển động PIR) và truyền về bộ thu phát từ xa.

Cách tiếp cận của giáo trình đi từ việc chuẩn hóa kỹ năng thao tác phần cứng trên testboard, phân tích nguyên lý chân tín hiệu, sau đó mở rộng sang lập trình vi điều khiển và cấu hình các giao thức mạng không dây phục vụ bài toán IoT thực tế.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Giáo trình được cấu trúc thành 4 phần chính, bao gồm 10 chương và 1 phần phụ lục:

• Phần 1: Giới thiệu (Chương 1): Cung cấp tổng quan về hệ thống nhúng và IoT; lịch sử phát triển thuật ngữ từ năm 1999 (Kevin Ashton); cấu trúc vi xử lý ARM; phân tích so sánh kỹ thuật giữa bo mạch vi điều khiển Arduino (Uno R3) và máy tính mini đơn bo Raspberry Pi 3; hướng dẫn quy chuẩn kết nối trên testboard (tọa độ chân cắm, thanh bus nguồn âm/dương).
• Phần 2: Arduino và Cảm biến (Chương 2 – Chương 4):
  • Chương 2: Phân loại và nguyên lý các dòng cảm biến đo lường.
  • Chương 3: Các bài tập thực hành cơ bản trên Arduino Uno (Đọc điện áp Analog, điều khiển tốc độ xung qua biến trở, cấu hình chân ngõ vào Input, ghép nối nút nhấn và LED, sử dụng chiết áp).
  • Chương 4: Ghép nối cảm biến chuyên dụng: Cảm biến nhiệt độ – độ ẩm, cảm biến tiệm cận, cảm biến quang (quang trở), cảm biến hồng ngoại, cảm biến khói/đầu dò khói, cảm biến chuyển động hồng ngoại thụ động (PIR), và mạch đo tham số từ xa qua sóng cao tần.
• Phần 3: Lập trình IoT với Arduino và ESP8266 (Chương 5 – Chương 9):
  • Chương 5: Tổng quan giao tiếp truyền thông có dây và không dây.
  • Chương 6: Cấu hình tập lệnh và chế độ hoạt động cho module Wi-Fi ESP8266.
  • Chương 7: Các bài tập thực hành cơ bản gửi/nhận dữ liệu bằng ESP8266.
  • Chương 8: Khai thác các chế độ mở rộng và tính năng nâng cao của ESP8266.
  • Chương 9: Lập trình điều khiển ESP8266 sử dụng ngôn ngữ MicroPython.
• Phần 4: Lập trình IoT với Arduino và XBee (Chương 10): Thiết lập thông số mạng không dây chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4 cho module XBee; xây dựng các bài tập truyền nhận gói tin không dây qua cổng Serial.

Progression logic của nội dung đi từ nền tảng điện tử và điều khiển cục bộ (Local I/O Control), mở rộng sang đo lường đa cảm biến (Sensor Interfacing), và tiến tới tích hợp tầng truyền thông mạng (Network Connectivity) qua Wi-Fi và sóng vô tuyến.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Lĩnh vực	Nội dung kiến thức cốt lõi được định hình
Kiến trúc phần cứng	Vi điều khiển AVR 8-bit ATmega328P-PU, xung nhịp 16MHz (hỗ trợ tối đa 20MHz), Flash 32KB (0.5KB dùng cho Bootloader nạp qua Serial), SRAM 2KB, EEPROM 1KB. Hệ thống 14 chân Digital I/O (6 chân hỗ trợ PWM ~), 6 chân Analog Input (A0–A5) với bộ ADC 10-bit nội tích hợp.
Lý thuyết IoT	Mô hình 3 lớp tương tác: Lớp thu thập dữ liệu (Sensors/Actuators) $\rightarrow$ Lớp mạng truyền dẫn (Connectivity) $\rightarrow$ Lớp xử lý và ứng dụng (People & Processes).
Mạch điện tử thực nghiệm	Nguyên lý kết nối testboard: Phân biệt thanh dẫn nguồn (Power bus - cực dương dấu +, Ground bus - cực âm dấu -), cách xác định tọa độ ô cắm (ví dụ: hàng 12, cột C tương ứng vị trí C12), quy chuẩn điện trở kéo lên (pull-up) và chống trôi tín hiệu.
Giao thức truyền thông	Giao tiếp nối tiếp UART/Serial (chân RX0, TX1), giao tiếp tương tự qua ADC, truyền thông mạng không dây tầm gần (XBee) và mạng không dây cục bộ kết nối Internet (Wi-Fi 802.11 b/g/n trên chip ESP8266).

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch nhúng; cấu hình chuẩn xác phần cứng Arduino Uno R3 (cả bản chip cắm DIP ATmega328P lẫn chip dán SMD CH340); nạp phần mềm qua cổng USB; biên dịch mã nguồn C/C++ trên Arduino IDE và mã lệnh MicroPython trên vi mạch ESP8266.
• Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích và lựa chọn giải pháp phần cứng dựa trên yêu cầu dự án (phân biệt khi nào cần dùng vi điều khiển thuần túy như Arduino Uno/Mega để điều khiển nhiều thiết bị ngoại vi, và khi nào cần dùng máy tính mini như Raspberry Pi để xử lý dữ liệu lớn, chạy hệ điều hành Linux hay thuật toán thị giác máy tính OpenCV).
• Kỹ năng thực hành (Practical competencies): Đọc và xử lý tín hiệu điện áp biến thiên từ các cảm biến thực tế; gỡ lỗi chương trình thông qua công cụ Serial Monitor; đóng gói các luồng dữ liệu cảm biến để gửi qua giao diện mạng.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng phương pháp sư phạm tiếp cận theo hướng thực hành ứng dụng (lab-oriented / project-based approach). Nội dung không tập trung thuần túy vào lý thuyết vi mạch mà đi thẳng vào quy trình lắp ráp, sơ đồ kết nối và mã nguồn mẫu.

• Hệ thống bài tập thực hành: Từng bài học được chia nhỏ theo mô thức: Sơ đồ nối dây $\rightarrow$ Giải thích chức năng linh kiện $\rightarrow$ Mã chương trình (Code) kèm chú thích chi tiết từng dòng $\rightarrow$ Hướng dẫn quan sát kết quả trên phần cứng thật.
• Quy chuẩn đánh giá và thực nghiệm: Giáo trình nhấn mạnh việc kiểm tra trạng thái hoạt động qua hệ thống đèn LED chỉ thị trên bo mạch (LED nguồn ON, LED truyền nhận dữ liệu TX/RX, LED tích hợp chân L - pin 13) và xuất dữ liệu liên tục lên Serial Monitor để đánh giá độ chính xác của cảm biến.
• Hướng dẫn tự học: Tài liệu đưa ra các chỉ dẫn an toàn kỹ thuật giúp người tự học tránh gây hư hỏng thiết bị:
  • Khuyến nghị sử dụng nguồn nuôi ngoài DC qua jack 2.1mm trong dải điện áp an toàn từ 7V đến 12V.
  • Cảnh báo không cấp nguồn vượt quá 12V để tránh quá nhiệt mạch ổn áp nội, hoặc cấp điện áp trực tiếp vào chân 5V/3.3V bỏ qua bộ điều hòa điện áp (voltage regulator).
  • Quy định kiểm tra kỹ cực tính trên các thanh dẫn nguồn của testboard trước khi đóng điện.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

So với các tập tài liệu cơ bản trước đó (Tập 1, 2, 3 vốn tập trung vào điều khiển linh kiện hiển thị như LED đơn, LED 7 đoạn, LED ma trận, màn hình LCD và các loại động cơ DC, Servo, Bước):

• Tối ưu hóa linh kiện cho môi trường thực tế: Trong khi Tập 4 giới thiệu chung về mạng có dây (Ethernet Shield) và XBee (vốn phổ biến tại các nước phương Tây nhưng chi phí cao và khó tiếp cận tại thị trường Việt Nam thời điểm biên soạn), Tập 5 tập trung khai thác vi mạch ESP8266. Đây là giải pháp kết nối Wi-Fi có giá thành thấp, độ phổ biến cao, giúp giảm chi phí triển khai cho người học.
• Mở rộng môi trường lập trình với MicroPython: Bên cạnh việc viết code C/C++ trên nền tảng Arduino IDE truyền thống, giáo trình dành riêng Chương 9 để hướng dẫn tích hợp MicroPython trên ESP8266, hỗ trợ người học tiếp cận phương pháp phát triển phần mềm nhúng bằng cú pháp Python ngắn gọn và trực quan.
• Phân tích kỹ thuật đối sánh đa nền tảng: Cung cấp góc nhìn kỹ thuật rõ ràng giữa kiến trúc vi điều khiển (MCU - Arduino) và máy tính nhúng (SBC - Single Board Computer như Raspberry Pi 3), làm rõ sự phân công vai trò trong kiến trúc hệ thống công nghiệp và IoT.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên đại học và cao đẳng: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử, Công nghệ Kỹ thuật Máy tính và Công nghệ Thông tin đang thực hiện bài tập lớn, đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về đề tài IoT.
• Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites):
  • Đã học qua lý thuyết mạch điện, linh kiện điện tử cơ bản (điện trở, tụ điện, transistor, diode).
  • Đã làm quen với cấu trúc lập trình ngôn ngữ C/C++ cơ bản.
  • Đã nắm các thao tác cơ bản về cài đặt Arduino IDE và nạp code cho bo mạch Arduino.
• Giảng viên và cán bộ đào tạo: Sử dụng tài liệu làm đề cương bài giảng thực hành, thiết kế ngân hàng bài tập thực tập vi điều khiển và xây dựng các module thực nghiệm trong phòng thí nghiệm nhúng.
• Kỹ sư và kỹ thuật viên tự học: Những người làm việc trong các lĩnh vực liên ngành (Vật lý, Hóa học, Sinh học, Kiến trúc, Xây dựng, Công nghệ thực phẩm) cần một tài liệu có hướng dẫn sơ đồ chân, kết nối phần cứng cụ thể để xây dựng các thiết bị thu thập dữ liệu phục vụ chuyên môn.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình phù hợp nhất với sinh viên khối ngành kỹ thuật, học viên các khóa đào tạo nghề điện tử, và các kỹ sư/chuyên viên kỹ thuật đã nắm qua các lệnh điều khiển I/O cơ bản của Arduino và cần học cách tích hợp mạng không dây (Wi-Fi, XBee) để phát triển thiết bị IoT.

2. Cần kiến thức nền nào để học?

Người học cần có kiến thức cơ bản về mạch điện tử (hiểu về dòng điện, điện áp, mass/GND, cách đọc giá trị điện trở) và tư duy lập trình căn bản (các cấu trúc điều kiện if/else, vòng lặp for/while, hàm chức năng). Các kiến thức chuyên sâu về truyền thông không dây sẽ được giáo trình hướng dẫn từ cấu hình tập lệnh.

3. Điểm khác biệt của tài liệu so với các giáo trình Arduino thông thường là gì?

Các giáo trình Arduino thông thường chỉ dừng lại ở các bài tập độc lập (Standalone) như nhấp nháy LED hoặc đọc cảm biến hiển thị lên LCD. Cuốn sách này tập trung giải quyết bài toán kết nối mạng (Connectivity), hướng dẫn chi tiết cách cấu hình module Wi-Fi ESP8266 và XBee, chuyển đổi dữ liệu analog thành luồng thông tin truyền từ xa qua Internet.

4. Làm sao để tự học giáo trình này đạt hiệu quả cao?

Người học nên trang bị một bộ kit thí nghiệm gồm: 1 bo Arduino Uno R3, 1 testboard, dây nối đực-đực/đực-cái, biến trở, các cảm biến (DHT11/DHT22, PIR, quang trở, đầu dò khói), module ESP8266 và module XBee. Khi học, cần thực hiện tuần tự việc ráp mạch theo tọa độ chân mô tả trong sách, tự gõ lại mã nguồn thay vì sao chép, và luôn bật Serial Monitor để theo dõi dữ liệu phản hồi.

5. Có những tài liệu bổ trợ nào trong cùng hệ thống đào tạo?

Tài liệu nằm trong bộ 10 tập của Tủ sách STK. Người học có thể tham khảo thêm:

• Tập 4: Lập trình IoT với Arduino (truyền thông Ethernet/mạng có dây).
• Tập 6: Lập trình IoT cho nhà và nông trại thông minh với Arduino (ứng dụng hệ thống thực tế).
• Tập 7: Vi điều khiển và ứng dụng - Arduino và cảm biến (hướng dẫn chi tiết các loại cảm biến nâng cao và hiển thị qua màn hình LCD, OLED).
• Tập 8 & 9: Lập trình Arduino với Matlab và LabVIEW (giao diện mô phỏng và điều khiển đồ họa).

---

Kết luận

Giáo trình Hướng Dẫn Lập Trình IoT Với Arduino ESP8266 Và XBee là tài liệu kỹ thuật có tính hệ thống cao, kết nối giữa lý thuyết vi điều khiển phần cứng và kỹ thuật truyền thông không dây hiện đại. Bằng việc xây dựng lộ trình thực hành từ nguyên lý bo mạch ATmega328P, kỹ thuật thao tác testboard đến việc cấu hình các vi mạch mạng ESP8266 và XBee, tài liệu cung cấp một hệ thống kiến thức hoàn chỉnh cho việc nghiên cứu và triển khai hệ thống IoT.

Để hoàn thiện lộ trình học tập, sau khi hoàn thành các bài tập trong tập 5, người học được khuyến nghị tiếp tục mở rộng sang các chuyên đề nâng cao về nhà thông minh/nông trại thông minh (Tập 6), khai thác sâu các module cảm biến và màn hình OLED (Tập 7), hoặc tích hợp phần mềm mô phỏng và điều khiển chuyên nghiệp trên Matlab/LabVIEW (Tập 8 & 9).

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Tương lai của IOT có thể là một mạng lưới các thực thể thông minh có khả năng tự tổ chức và hoạt động riêng lẻ tùy theo tình huống, môi trường, đổng thời chúng cũng có thể liên lạc với nhau để trao đổi thông tin, dữ liệu. Việc tích hợp trí thông minh vào IOT còn có thể giúp các thiết bị, máy móc, phần mềm thu thập và phân tích các sự kiện. Con người khi chúng ta tương tác với những thứ thông minh, từ đó phát hiện ra các tri thức mới liên quan tới cuộc sống, môi trường, các mối tương tác xã hội cũng như hành vi con người. C ác thực thể, máy móc trong IOT sẽ phản hồi dựa theo các sự kiện diễn ra trong lúc chúng hoạt động theo thời gian thực.

Một số nhà nghiên cứu từng nói rằng một mạng lưới các sensor chính là một thành phần của IOT. Mặc dầu những gì IOT mang đến cho người dùng chúng ta những tiện ích cả trong dân dụng cũng như công nghiệp không có gì phải bàn cãi nhưng việc thiết kế, sản xuất và hoàn thiện một sản phẩm IOT, đặc biệt là những sản phẩm dân dụng đòi hỏi kinh nghiệm và sự chú tâm cao độ đến từng công đoạn, từ tư duy thiết kế, thiết kế, lập trình, thử nghiệm, xây dựng ứng dụng và trải nghiệm. chắc chắn bạn sẽ gặp nhiều khó khăn nào trong việc xây dựng những sản phẩm IOT. Ngay cả khi bạn đã phát triển một sản phẩm hoàn thiện với chi phí, rủi ro thấp và chất lượng cao trong phòng thí nghiệm nhưng khi áp dụng ngoài đời (sản xuất hàng loạt) các bạn sẽ còn gặp không biết bao nhiêu trở ngại cả về kinh tế và kỹ thuật.

C ác bạn cần phải tìm hiểu về IOT nhiều hơn nữa trước khi dấn thân vào lĩnh vực đầy cam go này. Phần trình bày sau là tóm lược những yếu tố cần có cho một hệ thống IOT để bạn đọc có cái nhìn khái quát về nó, ít nhiều giúp bạn đọc thích thú và đẩu tư nhiều hơn nữa cho lĩnh vực mới đầy năng động này. Một hệ thống IOT được tạo nên bởi 3 yếu tố sau: ❖ Cảm biến và cơ cấu tác động (Sensors & actuators). ❖ Sự kết nối (Connectivity).

❖ Con người và quá trình điều khiển (People & Processes). 15 CltftfNG 1: TỂNG QUAN LẬP TRÌNH IOT VỜI AKDUIHO, ESP8ZBB «À XBEE Dưới đây là phần trình bày chi tiết về các yếu tố này. CẢM BIẾN VÀ C ơ CẤU TÁC ĐỘNG Thế giới ngày nay giống như một “hệ thần kinh” kỹ thuật số. Nghĩa là ta sử dụng các cảm biến để đo lường tín hiệu rồi gửi tín hiệu này về hệ thống.

Lấy ví dụ, việc xác định vị trí được thực hiện bằng cảm biến G P S. Việc cảm nhận về hình ảnh/âm thanh được thực hiện bằng các camera và microphones. Hay ta có thể nhận biết'các thông số về nhiệt độ và động ẩm thông qua các loại cảm biến tương ứng. Hình dưới đây là sơ đồ thể hiện các dạng tín hiệu mà ta có thể đo từ cảm biến: Sự K ẾT NỐI Các tín hiệu ngõ vào do cảm biến dưa về sẽ được số hóa và lưu trữ vào các mạng.

CON NGƯỜI VÀ QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIEN Những tín hiệu ngõ vào đưa đến các mạng sau đó sẽ được kết hợp vào trong các hệ thống hai chiều. » LẬP T B ỈH IIO T vửl ABPUIHO, ESP8286 »A X IE E C lB llllt 1: T Ổ K ỊBAH C ác hệ thống này sẽ phối hợp giữa các yếu tố dữ liệu, con người, quá trình điều khiển để tạo ra quyết định điều khiển chính xác (hình trang bên). (1) Hỗ trợ & quan hệ khách hàng. (2) Phân tích & Đám mây/API.

(3) Nâng cấp & cấu hình. (4) Giám sát/Bảo trì từ xa. (5) Điều khiển & Tự động. (6) Quản lý Chuỗi cung.

(7) An ninh/Năng lượng. (8) Thiết bị & ứng dụng di động. (9) Tài chính. (10) Định vị & Theo dõi.

Sự tương tác giữa các yếu tố này (cảm biến + kết nối + con người + quá trình điều khiển) sẽ tạo ra các hình thức mới của các ứng dụng và dịch vụ thông minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHOi T H Ư V IỆ N VVD. 17 C iấư n g 1: TỠHB QUAN LẠP TBIHHIOT VOI AgBUINO, ESP826B BA Ị (8)Q Trên thị trường hiện nay đã xuất hiện một vài hình thức ti biểu của các ứng dụng/dịch vụ thông minh như: THIẾT BỊ HÌNH ẢNH GIẢI THÍCH MÁY ĐIỀU NHIỆT nest Giúp người sử dụng 1 kiệm chi phí trên hóa d thanh toán bằng cách ! nhận biểu đồ sử dụ THÔNG MINH 'Vi - thiết bị và bật nhiệt xuống thấp khi người dụng ra ngoài. Người sử dụng dù smartphone để theo X E HƠI hoặc đặt thuê ĐƯỢC Car2Go cũng có thể tt K Ế T NỐI hiện chức năng the toán, đậu xe, chi phí t hiểm một cách tự động LẬ P TBÌHM IDT llứl AROUHIO, ESP8ZBB VÀ XBEE CHIT0NG1: TỔN6 QUAN ^ BASIS Thiết bị đẽo trên cổ tay, T H IẾ T BỊ có tính năng theo dõi liên T H E O Dốl tục nhịp tim, các mức độ HOẠT hoạt động, mức tiêu thụ ĐỘNG calo và thân nhiệt của người sử dụng 24/7. Có thể điều khiển bật/tắt •»; belkỉn các thiết bị điện gia dụng Ổ CẮM từ xa.

Ngoài ra còn có ĐIỆN tính năng theo dõi mức THONG tiêu thụ năng lượng và MINH nhận các tín hiệu điều V • khiển từ smartphone. Người sử dụng có thể xác định chỗ đậu xe hiện STREETLINE C O N N E C T I N G THE REAL WORLD đang trống (theo thời gian thực) thông qua điện CẢM BIẾN thoại. Nhà cung cấp ĐẬU X E dịch vụ đậu xe có thể quản lý và định ra mức % phí tùy thuộc vào nhu cầu thực tế. L------------ — -------------------------- Các hệ thống IOT đang ngày càng thâm nhập vào nhiều lĩnh vực khác nhau trong đời sống kinh tê' - xã hội cũng như trong công nghiệp Bảng trang bên cho thấy một số lĩnh vực và các ứng dụng của hệ thống IOT đã và đang triển khai tại nhiều quốc gia: CrtđM t 1: T ẩ m IỊBAH_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ LẬP THÍM IOT W0l AIŨUIHO, E8P828B VÀ KBEE HÌNH ẢNH LĨNH V ự c CÁC ỨNG DỤNG MINH HỌA - Điều khiển đèn chiếu sáng.

- Camera an ninh. ■ Q B Q Q I - Thiết bị cho vật nuôi ăn. - Bộ điều khiển ống nước. CĂN HỘ/ - Thiết bị báo khói.

GIA ĐÌNH - Tủ lạnh. - Thiết bị giải trí. 1 ỀSJSỀ - Máy giặưmáý sấy. - Theo dõi năng lượng.

- Định vị tuyến đường. - Đậu xe thông minh. DI - Bảo hiểm phương tiện. CHUYỂN/ - Chuỗi cung.

VẬN TẢI - Gửi hàng hóa. - Giao thông công cộng. - Chầm sóc bệnh nhân. 0 - Theo dõi sức khỏe người già Y TẾ/ - Chẩn đoán từ xa.

CHĂM - Theo dõi thiết bị y tế. SÓC SỨC - Vệ sinh bệnh viện. KHỎE - Các thiết bị điện tử mang được trên người. _ - Cảm biến thực phẩm.

LẬP THÍM IGT vứl ABOUINO, ESP828B «A XBEE CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hệ thống HVAC. BUILDINGS INFRASTRUCTURE Hệ thống an ninh. Hệ thống chiếu*sáng. Hệ thống điện công trình.

Hệ thống chuyển tải. Báo động khẩn cấp. Hệ thống kết cấu công trình. Hệ thống chung cư._________ Phân phối điện năng.

Bảo trì hệ thống. XUẤT Bảng chỉ dẫn. CÔNG Lưới điện dân dụng/thông NGHIỆP minh. Dịch vụ khẩn cấp.

Quản lý chất thải Khi “vạn vật” được kết nối với nhau, chúng tạo thành các ứng dụng hỗn hợp theo phân ngành dọc và phân ngành ngang. Các ứng dụng này sẽ mang lại nhiều tiện ích cho người sử dụng. ứng dụng IOT trong lĩnh vực kết hợp giữa di chuyển và thành phố thông minh (1) Một người mẹ lái xe đưa con nhỏ đến trung tâm thành phố. (2) Các cảm biến không dây nhúng trong hệ thống đậu xe sẽ giúp xe biết dược vị trí nào còn trống để dậu, cũng như tự động thanh toán phí đậu xe.

CHƯONG1: TỔNG QUAN LẶP TBÌHHIOT VƠI ABBUIHO, ESP82BB VÀ XBEE (3) Bằng thông tin về vị trí đậu xe trong bãi được hệ thống liên lạc trong xe cung cấp, nhân viên sửa xe lưu động có thể đến để thay dầu cho xe khi đến lịch bảo trì.“Tại trung tâm thành phố San Francisco, có 20-30% nguyên nhân kẹt xe là do lái xe phải chạy xe lòng vòng để tìm chỗ đậu xe.” Nguồn: San Francisco Municipal Transportation Agency (SFMTA) ứng dụng IOT trong lĩnh vực kết hợp giữa chăm sóc sức khỏe và căn nhà thông minh (1) Một người lớn tuổi phải sống một mình ở một căn hộ riêng, điều này làm con/cháu lo lắng về tình hình sức khòe/sự an toàn. (2) Các cảm biến không dây được đặt trong căn nhà này sẽ đo các thông số về sức khỏe của người này như: Các hoạt động thể chất hằng ngày, thời gian ngủ cũng như giúp xác định thời gian biểu chăm sóc sức khỏe. (3) Khi có hiện tượng bất thường về sức khỏe, tín hiệu báo động sẽ được tự động gửi vể trung tâm y tế và người thân, đồng thời nhân viên y tế sẽ có mặt để hỗ trợ kịp thời, “ô Mỹ, Canada và châu Âu, có tổng cộng khoảng 40 triệu người trên 65 tuổi vẫn sống một mình”. Department of Health and Human Services: Administration for Community Living (ACL) ứng dụng IOT trong lĩnh vực kết hợp giữa tòa nhà thông minh và di chuyển 22 LẬP THÍM IOT vửl ABDUINỮ, ESP826B VÀ XBEE CRỮ0NS1: TỔNG QUAN (1) Một nhân viên trẻ đang gặp áp lực vì được giao nhiệm vụ cắt giảm chi phí sử dụng (diện, nước, chiếu sáng,.) ở tòa nhà văn phòng mới của công ty (2) Sau khi trao đổi với chuyên gia, nhân viên này đã lắp thêm các cảm biến cho tòa nhà, nhằm tự động điều chỉnh mức tiêu thụ năng lượng tùy thuộc vào lưu lượng người, nhiệt độ và các điều kiện môi trường xung quanh.

Nhờ đó đã cải thiện được hiệu quả sử dụng của văn phòng. “Tại Mỹ, năng lượng sử dụng trong các toà nhà văn phòng và các nhà máy công nghiệp tạo ra gần 50% lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính”. Nguồn: United States Environmental Protection Agency. MỨC ĐỘ RỘNG LỚN CỦA THỊ TRƯỜNG IOT Trong năm 2014 có gẩn 2 tỷ thiết b| kết nối với loT sẽ dược chuyển giao.

Đến nãm 2020, con số này sẽ tăng lên đến gần 8 tỷ thiết b| (không tính các dòng điện thoại di dộng).745,71 triệu thiết bị. • Transport (Vận tải): 392,72 triệu thiết bị. • Body (Heath) Chăm sóc sức khỏe: 360,03 triệu thiết bị. • Building Xây dựng, hạ tầng: 1.726,59 triệu thiết bị.