B® GIÁO DỤC VÀ ÐÀO TẠO TR Ờ G Ð I HỌ QUY H NGUYỄN CHÍ THANH NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PH G PHÁP GIAO TIẾP GIỮA CÁC CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG IoT TRONG GIÁM SÁT THIẾT BỊ ÐIỆN PHÒNG HỌC U V TH S HOA HỌC MÁY TÍNH nh Ðịnh – ăm 2021 B® GIÁO DỤC VÀ ÐÀO TẠO TR Ờ G Ð I HỌ QUY H NGUYỄN CHÍ THANH NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PH G PHÁP GIAO TIẾP GIỮA CÁC CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG IoT TRONG GIÁM SÁT THIẾT BỊ ÐIỆN PHÒNG HỌC hu n ng nh : Khoa học máy tính Mã so 848 0101 g ời h ớng d n TS GUYỄ THÀ H Ð T LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan: - Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy TS. Nguyễn Thành Đạt. - Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng và trung thực tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố. - Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Tác giả luận văn Nguyễn Chí Thanh LỜI CẢM N Ðể hoàn thành luận văn này, ngoài những cố gắng của bản thân, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ của quý thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ tận tình của thầy TS. Nguyễn Thành Ðạt để luận văn thực hiện đúng tiến độ và hoàn thành tốt đẹp. Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô Khoa Công nghệ Thông tin, Phòng Sau đại học - Trƣờng Ðại học Quy Nhơn đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành chƣơng trình đào tạo thạc sĩ ngành Khoa học máy tính khóa 22, khóa học 2019 - 2021.
i MỤC LỤC Trang MỤC LỤC. i DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT.v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. vi DANH MỤC CÁC BẢNG. ix MỞ ÐẦU.Lý do chọn đề tài.Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài.Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu.
Ðối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.Phƣơng pháp nghiên cứu.Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn. TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS (IoT). Giới thiệu về Internet of Things (IoT). Góc nhìn kỹ thuật về IoT.
Công nghệ trong IoT. Ðặc điểm của một hệ thống IoT. Mô hình của một hệ thống IoT. Ứng dụng của IoT.
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSNS (WIRELESS SENSOR NETWORKS). Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây. Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến. Phân loại mạng cảm biến.
Các tham số đánh giá hiệu năng của mạng cảm biến không dây. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây. M®T SỐ GIAO THỨC TRUYỀN DỮ LIỆU TRONG IoT. Giao thức MQTT.
Thành phần của MQTT:. MQTT Broker trong IoT. Cách thức hoạt động của giao thức MQTT. Ƣu điểm của giao thức MQTT.
Bảo mật của giao thức MQTT. Giao thức COAP. Một số đặc điểm và tính năng của giao thức COAP. Giao thức AMQP.
Một số đặc điểm và tính năng của giao thức AMQP. Giao thức DSS. Một số đặc điểm và tính năng của giao thức DSS. Giao thức XMPP.
Một số đặc điểm và tính năng của giao thức XMPP. CÔNG NGHỆ WIFI. Công nghệ truyền nhận dữ liệu. Thành phần của mạng Wifi.
Cấu trúc liên kết. Cách thức hoạt động. Giao tiếp trong Wifi. Ƣu nhƣợc điểm.
So sánh WiFi với một số công nghệ không dây khác. Một số đặc điểm của Home Assistant. Tính năng của Home Assistant. CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.
Giới thiệu chip Wifi ESP32. Tổng quan ESP32. Ðặc điểm ESP32. Sơ đồ chân của module ESP32-WOOM-32.
Chức năng tích hợp trong ESP32. Thiết bị ngoại vi và cảm biến của ESP32. Ðặc tính về điện. Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-32[26].
Cảm biến DTH11. Giới thiệu cảm biến DTH11. Nguyên lý hoạt động:. M®T SỐ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN.
Nghiên cứu xây dựng m hình điều khiển nhà thông minh sử dụng kết nối Bluetooth, GSM. Ứng dụng internet of things xây dựng ngôi nhà thông minh. Nghiên cứu tích hợp mạng WSNS dựa trên công nghệ Zigbee. MÔ HÌNH CẢM BIẾN ÐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ÐIỆN PHÒNG HỌC.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống. Tính toán và thiết kế. ÐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH.
Ðóng gói bộ điều khiển. Thi công mô hình. Phần mềm lập trình vi điều khiển: VSCode (Visual Studio Code). Cài đặt Hassio home assistant trên TV box RED BOX.
THỰC NGHIỆM VÀ ÐÁNH GIÁ. MÔ TẢ THỰC NGHIỆM. Mô tả yêu cầu hệ thống. Lƣu đồ giải thuật mạch điều khiển.
Lƣu đồ giải thuật Web Server. Phần mềm lập trình (Visual Studio Code). TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM. Thực hiện kiểm tra trao đổi dữ liệu giữa publish và subcribe.
Thực hiện đo nhiệt độ, độ ẩm gửi lên MQTT Broker. Ðánh giá kết quả mô phỏng. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM. Ðiều khiển và giám sát thiết bị cảm biến qua Web Server.
NHẬN XÉT VÀ ÐÁNH GIÁ. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN. Hƣớng phát triển.99 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. iv v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Message Queuing Telemetry MQTT Bản tin hàng đợi truyền từ xa Transport BLE Bluetooth low energy Bluetooth năng lƣợng thấp CoAP Constrained Application Protocol Giao thức ứng dụng hạn chế Digital Subcriber Line Institute of DSL Kênh thuê bao số Electrical and Hass Home Assistant Trợ lý tại nhà HTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản IEEE Electronics Engineers Viện kỹ thuật điện-điện tử IMAP Internet Message Access Protocol Giao thức truy cập th ng điệp internet IoT Internet of Thing Internet của vạn vật LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn M2M Mobile to mobile Thoại với thoại MAC Medicum Access Control Kiểm soát truy cập trung bình Public Switched Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch công PSTN Network cộng QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ Nhận dạng đối tƣợng bằng sóng vô RFID Radio Frequency Identification tuyến SMTP Simple Mail Transfer Protocol Giao thức truyền tải thƣ tín đơn giản TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền WSN Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây Extensible Messaging and Giao thức hiện diện và nhắn tin mở XMPP Presence Protocol rộng vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.
Internet of things. IoT kết nối vạn vật [3]. Năng lực truyền thông. Thời gian đáp ứng cho ứng dụng IoT.
Mô hình IoT. Kiến trúc của một nút cảm biến. Phần mềm điều khiển node cảm biến. Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu.
Mạng phức tạp. Các khái niệm liên quan tới thời gian sống trong WSN. Phân loại khái niệm độ tin cậy truyền tin trong WSN. Hoạt động của client.
Hoạt động của Topic. Thành phần của một MQTT trong hệ thống IoT. Giao thức COAP. Hoạt động của giao thức COAP.
Giao thức AMPQ. Dịch vụ phân bổ dữ liệu của DSS. Biểu tƣợng sóng WIFI. Cấu trúc liên kết ngang hàng.
Cấu trúc liên kết dựa trên AP. Cách thức hoạt động của mạng Wifi. Cách thức giao tiếp trong mạng Wifi. Giao diện màn hình Home Assistant.
Module ESP32-WOOM-32. Kiến trúc của ESP32. Sơ đồ bố trí chân của module ESP32-WOOM-32. Hình ảnh thực tế board ESP32.
Cấu trúc và địa chỉ bộ nhớ của ESP32. Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-32. Sơ đồ nguyên lý thiết bị ngoại vi module ESP32-WOOM-32. Xung bắt đầu DHT11.
Gửi xung phản hồi của DHT11. Gửi dữ liệu chứa bit 0, bit 1. Kết thúc đọc giá trị của DHT11. Sơ đồ mô hình hệ thống.
Sơ đồ khối hệ thống. Board ESP32-DevKitC. Sơ đồ nguyên lý board điều khiển ESP32-DevKitC. Cơ cấu phát tín hiệu cho mạch điều khiển.
Cảm biến DHT11. Sơ đồ kết nối cảm biến DHT11 với ESP32. Ảnh hộp dựng mạch điều khiển. Mô hình mặt trong và mặt ngoài hệ thống.
Kết nối phần cứng. Biểu tƣợng VSCode. Giao diện trang Web tải VSCode. Giao diện khởi động VSCode.
Cài đặt PlatformIO IDE. Tạo dự án lập trình cho board ESP32-DevKitC. Giao diện lập trình. Máy chủ Home Assistant.
Tải file hệ hiều hành armbian. Cài đặt thẻ nhớ cho hệ hiều hành armbian. Reset máy chủ Home Assistant. Cấu hình IP trong Putty.
Giao diện Home Assistant sau khi cài đặt. Cấu hình Home Assistant. Màn hình cấu hình Home Assistant. Hoàn thành cấu hình Home Assistant.
Cài MQTT Broker cho Home Assistant. Cấu hình MQTT Broker. Lƣu đồ điều khiển thiết bị. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển.
Giao diện lập trình thành công. Cấu hình MQTT Broker trên Home Assistant. Quá trình kết nối thành công thiết bị lên webserver. Quá trình bật tắt từ webserver truyền về thiết bị.
Sơ đồ đấu nối cảm biến DHT11 với NodeMCU. Tạo trƣờng dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm trên Home Assitant. Dữ liệu trƣờng nhiệt độ, độ ẩm trên webserver. Mô hình hệ thống hoàn thiện.
Giao diện màn hình điều khiển bật/ tắt các thiết bị trên Webserver. Các thiết bị khi chƣa đƣợc bật trên màn hình điều khiển. Các thiết bị đƣợc bật trên màn hình điều khiển. Trạng thái thiết bị đƣợc giám sát trên MQTT Broker.
Kết nối phần cứng thiết bị. Truy cập thiết bị từ mạng LAN. Ping thiết bị từ mạng LAN. Biểu đồ đánh giá hoạt động của hệ thống.
Biểu đồ đánh giá thời gian đáp ứng của hệ thống.98 ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: Bảng tóm tắt các chuẩn WiFi (https://quantrimang.2: So sánh giữa Wi-Fi, Bluetooth và Hồng ngoại.3: Các phiên bản module của ESP32.4: Thông số kỹ thuật cơ bản của module ESP32-WOOM-32.5: Ðịnh nghĩa các chân module ESP32-WOOM-32.6: Các thông số đề nghị cho module ESP32-WOOM-32.1: Thống kê các thiết bị điện trong phòng học và công suất tiêu thụ.2: Thông số kỹ thuật module cảm biến DHT11.3: Dòng điện của các linh kiện sử dụng trong mạch điều khiển.1: Số liệu thực nghiệm. ý do chọn đề t i Ngày nay, nhu cầu phát triển các ứng dụng liên quan đến Internet ngày càng cao. Và Internet of things (IoT) là một công nghệ quan trọng, chúng ta có thể tạo ra nhiều ứng dụng đa dạng phục vụ cho mọi lĩnh vực trong đời sống. Về cơ bản, IoT là một hệ thống mạng lƣới mà trong đó tất cả các thiết bị, đối tƣợng đƣợc kết nối Internet thông qua thiết bị mạng (network devices) hoặc các bộ định tuyến (routers).
IoT cho phép các đối tƣợng đƣợc điều khiển từ xa dựa trên hệ thống mạng hiện tại. Công nghệ tiên tiến này giúp giảm công sức vận hành của con ngƣời bằng cách tự động hóa việc điều khiển các thiết bị. Không nằm ngoài xu thế đó, hiện nay để hội nhập thế giới thì các doanh nghiệp, trƣờng học, … cũng đang đẩy mạnh việc ứng dụng công nghệ thông tin vào việc quản lý cơ sở vật chất nhằm nâng cao chất lƣợng cũng nhƣ tiết kiệm chi phí vận hành.