Phương Pháp Giao Tiếp Cảm Biến & Ứng Dụng IoT Giám Sát Thiết Bị Điện Phòng Học

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. MỞ ĐẦU

1.1. Lý do chọn đề tài

1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài

1.3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.5. Phương pháp nghiên cứu

1.6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

2. TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS (IoT)

2.1. Giới thiệu về Internet of Things (IoT)

2.2. Góc nhìn kỹ thuật về IoT

2.3. Công nghệ trong IoT

2.4. Đặc điểm của một hệ thống IoT

2.5. Mô hình của một hệ thống IoT

2.6. Ứng dụng của IoT

3. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSNS (WIRELESS SENSOR NETWORKS)

3.1. Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây

3.2. Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến

3.3. Phân loại mạng cảm biến

3.4. Các tham số đánh giá hiệu năng của mạng cảm biến không dây

3.5. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

4. MỘT SỐ GIAO THỨC TRUYỀN DỮ LIỆU TRONG IoT

4.1. Giao thức MQTT

4.2. Thành phần của MQTT

4.3. MQTT Broker trong IoT

4.4. Cách thức hoạt động của giao thức MQTT

4.5. Ưu điểm của giao thức MQTT

4.6. Bảo mật của giao thức MQTT

4.7. Giao thức COAP

4.8. Một số đặc điểm và tính năng của giao thức COAP

4.9. Giao thức AMQP

4.10. Một số đặc điểm và tính năng của giao thức AMQP

4.11. Giao thức DSS

4.12. Một số đặc điểm và tính năng của giao thức DSS

4.13. Giao thức XMPP

4.14. Một số đặc điểm và tính năng của giao thức XMPP

5. CÔNG NGHỆ WIFI

5.1. Công nghệ truyền nhận dữ liệu

5.2. Thành phần của mạng Wifi

5.3. Cấu trúc liên kết

5.4. Cách thức hoạt động

5.5. Giao tiếp trong Wifi

5.6. Ưu nhược điểm

5.7. So sánh WiFi với một số công nghệ không dây khác

5.8. Một số đặc điểm của Home Assistant

5.9. Tính năng của Home Assistant

6. CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

6.1. Giới thiệu chip Wifi ESP32

6.2. Tổng quan ESP32

6.3. Đặc điểm ESP32

6.4. Sơ đồ chân của module ESP32-WOOM-32

6.5. Chức năng tích hợp trong ESP32

6.6. Thiết bị ngoại vi và cảm biến của ESP32

6.7. Đặc tính về điện

6.8. Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-32

6.9. Cảm biến DTH11

6.9.1. Giới thiệu cảm biến DTH11

6.9.2. Nguyên lý hoạt động

7. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

7.1. Nghiên cứu xây dựng mô hình điều khiển nhà thông minh sử dụng kết nối Bluetooth, SM

7.2. Ứng dụng internet of things xây dựng ngôi nhà thông minh

7.3. Nghiên cứu tích hợp mạng WSNS dựa trên công nghệ Zigbee

8. MÔ HÌNH ẢM BIẾN ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN PHÒNG HỌC

9. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

9.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

9.2. Tính toán và thiết kế

10. ĐÓNG GÓI VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH

10.1. Đóng gói bộ điều khiển

10.2. Thi công mô hình

10.3. Phần mềm lập trình vi điều khiển: VSCode (Visual Studio Code)

10.4. Cài đặt Hassio home assistant trên TV box RED BOX

11. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

11.1. MÔ TẢ THỰC NGHIỆM

11.1.1. Mô tả yêu cầu hệ thống

11.1.2. Lưu đồ giải thuật mạch điều khiển

11.1.3. Lưu đồ giải thuật Web Server

11.1.4. Phần mềm lập trình (Visual Studio Code)

11.2. TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

11.2.1. Thực hiện kiểm tra trao đổi dữ liệu giữa publish và subscribe

11.2.2. Thực hiện đo nhiệt độ, độ ẩm gửi lên MQTT Broker

11.3. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

11.4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

11.4.1. Điều khiển và giám sát thiết bị cảm biến qua Web Server

11.5. NHẬN XÉT VỀ THỰC NGHIỆM

12. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

12.1. Hướng phát triển

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Phương pháp giao tiếp cảm biến

Phương pháp giao tiếp cảm biến là nền tảng quan trọng trong việc xây dựng hệ thống IoT. Các cảm biến IoT được sử dụng để thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh, sau đó truyền tải thông tin qua các giao thức mạng. Trong nghiên cứu này, các phương pháp giao tiếp như MQTT, CoAP, và AMQP được phân tích chi tiết. MQTT là giao thức nhẹ, phù hợp cho các thiết bị có tài nguyên hạn chế. CoAP được thiết kế cho các ứng dụng IoT với khả năng hoạt động trong môi trường hạn chế băng thông. AMQP cung cấp khả năng truyền tải dữ liệu đáng tin cậy và bảo mật cao. Các phương pháp này đều hướng đến mục tiêu tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị trong hệ thống IoT.

1.1. Giao thức MQTT

Giao thức MQTT là một trong những giao thức phổ biến nhất trong IoT. Nó hoạt động dựa trên mô hình publish/subscribe, cho phép các thiết bị gửi và nhận thông tin một cách hiệu quả. MQTT Broker đóng vai trò trung tâm trong việc quản lý các kết nối và truyền tải dữ liệu. Ưu điểm của MQTT bao gồm tiêu thụ ít năng lượng, độ trễ thấp và khả năng hoạt động trong môi trường mạng không ổn định. Điều này làm cho MQTT trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng giám sát thiết bị điện trong phòng học thông minh.

1.2. Giao thức CoAP

Giao thức CoAP được thiết kế đặc biệt cho các thiết bị IoT có tài nguyên hạn chế. Nó sử dụng giao thức UDP để giảm thiểu độ trễ và tiêu thụ năng lượng. CoAP hỗ trợ các phương thức HTTP như GET, POST, PUT, và DELETE, giúp tích hợp dễ dàng với các hệ thống web hiện có. Điều này làm cho CoAP phù hợp với các ứng dụng quản lý thiết bị điện trong môi trường phòng học thông minh, nơi yêu cầu về hiệu suất và tiết kiệm năng lượng là ưu tiên hàng đầu.

II. Ứng dụng IoT trong giám sát thiết bị điện

Ứng dụng IoT trong giám sát thiết bị điện đã mang lại nhiều lợi ích thiết thực, đặc biệt trong môi trường phòng học thông minh. Hệ thống IoT cho phép giám sát và điều khiển các thiết bị điện từ xa thông qua internet. Các cảm biến IoT được tích hợp vào hệ thống để thu thập dữ liệu về trạng thái hoạt động của các thiết bị như đèn, quạt, và máy chiếu. Dữ liệu này được truyền tải đến hệ thống giám sát trung tâm, nơi người dùng có thể theo dõi và điều khiển thiết bị thông qua giao diện web hoặc ứng dụng di động.

2.1. Tự động hóa phòng học

Tự động hóa phòng học là một trong những ứng dụng nổi bật của IoT. Hệ thống tự động hóa cho phép điều khiển các thiết bị điện dựa trên các điều kiện môi trường như ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm. Ví dụ, đèn có thể tự động bật/tắt dựa trên cường độ ánh sáng trong phòng, hoặc quạt có thể điều chỉnh tốc độ dựa trên nhiệt độ. Điều này không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn tạo ra môi trường học tập thoải mái và hiệu quả hơn.

2.2. Kết nối thiết bị thông minh

Kết nối thiết bị thông minh là yếu tố then chốt trong việc xây dựng hệ thống IoT. Các thiết bị như cảm biến, bộ điều khiển và thiết bị điện được kết nối với nhau thông qua mạng không dây. Việc kết nối này cho phép các thiết bị trao đổi thông tin và phối hợp hoạt động một cách hiệu quả. Điều này đặc biệt hữu ích trong việc quản lý thiết bị điện trong phòng học thông minh, nơi yêu cầu về sự đồng bộ và hiệu suất cao là rất quan trọng.

III. Công nghệ cảm biến và hệ thống giám sát

Công nghệ cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng hệ thống giám sát thiết bị điện. Các cảm biến như DHT11 được sử dụng để đo nhiệt độ và độ ẩm, trong khi các cảm biến ánh sáng và chuyển động giúp theo dõi trạng thái hoạt động của các thiết bị. Dữ liệu từ các cảm biến này được truyền tải đến hệ thống trung tâm thông qua các giao thức như MQTT và CoAP. Hệ thống này không chỉ giúp giám sát trạng thái thiết bị mà còn cung cấp các thông tin hữu ích để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng.

3.1. Cảm biến DHT11

Cảm biến DHT11 là một trong những cảm biến phổ biến nhất trong các ứng dụng IoT. Nó được sử dụng để đo nhiệt độ và độ ẩm trong môi trường. Dữ liệu từ DHT11 được truyền tải đến hệ thống trung tâm thông qua các giao thức như MQTT, giúp người dùng theo dõi và điều chỉnh các thiết bị điện dựa trên điều kiện môi trường. Điều này đặc biệt hữu ích trong việc tự động hóa phòng học, nơi yêu cầu về môi trường học tập thoải mái là rất quan trọng.

3.2. Hệ thống giám sát trung tâm

Hệ thống giám sát trung tâm là nơi tập hợp và xử lý dữ liệu từ các cảm biến. Hệ thống này cung cấp giao diện web hoặc ứng dụng di động để người dùng có thể theo dõi và điều khiển các thiết bị điện từ xa. Hệ thống cũng tích hợp các tính năng như lưu trữ dữ liệu, phân tích và báo cáo, giúp người dùng có cái nhìn tổng quan về trạng thái hoạt động của các thiết bị. Điều này làm cho hệ thống trở thành công cụ hữu ích trong việc quản lý thiết bị điện trong phòng học thông minh.

Nghiên Cứu Phương Pháp Giao Tiếp Cảm Biến Và Ứng Dụng IoT Trong Giám Sát Thiết Bị Điện Phòng Học