Chương 1: Giới thiệu Ở chương này sinh viên sẽ giới thiệu tổng quan về đề tài, mục đích, những nhiệm vụ, giới hạn, đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu mà sinh viên đã thực hiện trong đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Nội dung ở chương này sinh viên sẽ trình bày về các lý thuyết, nguyên lí hoạt động, thông số kỹ thuật, đặc tính, ứng dụng của giao thức, linh kiện. Đưa ra cách 5 thức hoạt động của mô hình dựa trên sơ đồ khối, phân tích hệ thống, mô hình theo phần cứng lẫn phần mềm và các dịch vụ mà sinh viên sử dụng khi thiết kế hệ thống. Chương 3: Thiết kế hệ thống Trong chương này, sinh viên sẽ trình bày các yêu cầu về chức năng, kĩ thuật, nguyên lí hoạt động của mô hình dựa trên sơ đồ khối.
Tính toán thiết kế phần mềm kết nối với linh kiện phù hợp, đo đạc làm mô hình đập nước thu nhỏ và lắp đặt thiết bị tạo nên hệ thống hoàn chỉnh. Chương 4: Kết quả Ở chương này sinh viên sẽ thể hiện các kết quả mà hệ thống đem lại khi thử nghiệm thực tế. Đánh giá tổng quan về tính hiệu quả, độ chính xác của mô hình để có những nhận định cho phát triển đề tài ở tương lai. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Trong chương này, sinh viên sẽ kết luận lại những gì đạt được ở kết quả chương 4 để đưa ra những ưu điểm và nhược điểm của hệ thống.
Từ đó tìm các hướng phát triển tối ưu hóa hệ thống hơn nữa và khắc phục các mặt hạn chế mà đề tài gặp phải. Đánh giá tính thực tế của mô hình trong việc phát triển đề tài quy mô lớn hơn. 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU VỀ WIFI 2.1 Lịch sử phát triển Wi-Fi là công nghệ dựa trên bộ tiêu chuẩn IEEE 802.11 sử dụng tần số vô tuyến (RF) mở rộng mạng cục bộ (LAN) dựa trên Ethernet có dây tới các thiết bị hỗ trợ Wi- Fi, cho phép các thiết bị nhận và gửi thông tin từ Internet. Wi-Fi lần đầu tiên xuất hiện trên thị trường vào năm 1997 khi tiêu chuẩn kỹ thuật tiên phong IEEE 802.11 được công bố, cho phép truyền dữ liệu không dây với tốc độ lên tới 2 Mbit/s bằng phổ tần vô tuyến 2,4 GHz không được cấp phép.
Bước đột phá thương mại lớn của nó đến vào năm 1999 khi Apple giới thiệu các sản phẩm tiêu dùng đại chúng đầu tiên có kết nối Wi-Fi, trạm gốc không dây AirPort và iBook. Nhờ vào bản sửa đổi IEEE 802.11b mới cho tiêu chuẩn Wi-Fi ban đầu, tốc độ dữ liệu lý thuyết có thể lên tới 11 Mbit/s. Ngay sau đó, Apple tung ra AirPort dựa trên IEEE 802.11b, khởi đầu cho cuộc cách mạng không dây [5]. Kể từ đó, sự phát triển không ngừng của các tiêu chuẩn Wi-Fi IEEE 802.11 đã dẫn đến tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn nhiều, phạm vi dài hơn cũng như kết nối an toàn và đáng tin cậy hơn.
Tất cả các sửa đổi tiêu chuẩn IEEE 802.11 đều được xây dựng theo cách sao cho các thiết bị hoạt động theo thông số kỹ thuật của chúng sẽ tương thích ngược với các phiên bản trước đó để mọi thiết bị dựa trên IEEE 802.11 hiện đại đều có thể giao tiếp với các sản phẩm cũ hơn [5].2 Nguyên tắc hoạt động Wi-Fi sử dụng Giao thức Internet (IP) để liên lạc giữa các thiết bị đầu cuối và mạng LAN. Kết nối Wi-Fi được thiết lập bằng bộ định tuyến không dây được kết nối với mạng và cho phép các thiết bị truy cập Internet.3 Một số chuẩn kết nối Wifi Wifi sử dụng các tiêu chuẩn mạng 802.11 đã có nhiều loại và được phát triển vượt bậc trong nhiều thập kỷ qua cùng nhiều sự cải tiến thuận lợi cho việc kết nối [5, 6]: 7 Hình 2. 1: Lịch sử phát triển các chuẩn kết nối WiFi qua từng năm [5] - IEEE 802.11 là chuẩn Wi-Fi 2,4 GHz tiên phong được đề cập ở trên từ năm 1997 và nó vẫn được gọi bằng danh pháp đó. Tiêu chuẩn này và các sửa đổi tiếp theo của nó là nền tảng cho mạng không dây Wi-Fi và đại diện cho các giao thức mạng máy tính không dây được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới.11b hay Wi-Fi 1 được giới thiệu ra thị trường vào năm 1999 với thông báo của Apple.
Nó cũng hoạt động ở tần số 2,4 GHz, nhưng để giảm nhiễu từ lò vi sóng, điện thoại không dây, thiết bị giám sát trẻ em và các nguồn khác, đồng thời để đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn, nó đã kết hợp các sơ đồ điều chế được gọi là trải phổ chuỗi trực tiếp/khóa mã bổ sung (DSSS/CCK). Wi-Fi 1 cho phép liên lạc không dây ở khoảng cách tầm 38m trong nhà và tầm 140m ngoài trời.11a hay Wi-Fi 2 cũng được giới thiệu vào năm 1999, là phiên bản kế thừa của IEEE 802. Đây là thông số kỹ thuật Wi-Fi đầu tiên có sơ đồ điều chế đa sóng mang (OFDM) để hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao, không giống như thiết kế một sóng mang của Wi-Fi 1. Nó hỗ trợ hoạt động ở tần số 5 GHz và băng thông 20 MHz hỗ trợ nhiều tốc độ dữ liệu.11g hay Wi-Fi 3 được giới thiệu vào năm 2003.
Nó cho phép tốc độ dữ liệu nhanh hơn lên tới 54 Mbit/s trong cùng băng tần 2,4 GHz như IEEE 802.11b, nhờ sơ đồ điều chế đa sóng mang OFDM và các cải tiến khác. Điều này hấp dẫn người dùng ở thị trường đại chúng vì thiết bị 2,4 GHz rẻ hơn thiết bị 5 GHz.11n hay Wi-Fi 4 được giới thiệu vào năm 2009 để hỗ trợ các dải tần 2,4 GHz và 5GHz, với tốc độ dữ liệu lên tới 600 Mbit/s, nhiều kênh trong mỗi dải tần và các tính năng khác. Thông lượng dữ liệu IEEE 802.11n cho phép sử dụng mạng 8 WLAN thay cho mạng có dây, một tính năng quan trọng hỗ trợ các trường hợp sử dụng mới và giảm chi phí vận hành cho người dùng cuối và tổ chức công nghệ thông tin.11ac hay Wi-Fi 5 được giới thiệu vào năm 2013 để hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên tới 3,5 Gbit/s với băng thông lớn hơn, các kênh bổ sung, khả năng điều chế tốt hơn và các tính năng khác. Đây là chuẩn Wi-Fi đầu tiên cho phép sử dụng công nghệ nhiều đầu vào/nhiều đầu ra để có thể sử dụng nhiều ăng-ten trên cả thiết bị gửi và thiết bị nhận nhằm giảm lỗi và tăng tốc độ.11ax hay WiFi 6 ra mắt thị trường vào năm 2021.
Tiêu chuẩn này mở rộng khả năng của 802.11ac theo một số cách chính. Trước hết, các bộ định tuyến mới cho phép tốc độ luồng dữ liệu thậm chí còn cao hơn, lên tới 9,2 Gbps (gigabit mỗi giây). WiFi 6 còn cho phép nhà sản xuất cài đặt thêm nhiều ăng-ten trên một bộ định tuyến, chấp nhận nhiều kết nối cùng một lúc mà không lo bị nhiễu và chậm. Một số thiết bị mới cũng kết nối ở băng tần 6 GHz cao hơn, nhanh hơn khoảng 20% so với 5GHz trong điều kiện lý tưởng.2 WIFI ESP8266 NODEMCU 2.1 Lịch sử hình thành và phát triển ESP8266 ban đầu được phát triển bởi Espressif Systems, xuất hiện vào khoảng năm 2013 dưới dạng mô-đun Wi-Fi chi phí thấp với ngăn xếp giao thức TCP/IP được nhúng.
Nó thu hút sự chú ý vì giá cả phải chăng, kích thước nhỏ gọn và tính linh hoạt. Sau đó, ESP8266 đã trở nên phổ biến rộng rãi khi cộng đồng Arduino điều chỉnh nó để sử dụng với Arduino IDE. Sự tích hợp này giúp những người có sở thích và nhà phát triển quen thuộc với Arduino làm việc với ESP8266 dễ dàng hơn [7]. Vào năm 2014, một nhóm nhà phát triển đã phát hành chương trình cơ sở Node MCU, chương trình cơ sở dựa trên Lua nguồn mở cho ESP8266.
Phần firmware này đã đơn giản hóa việc lập trình ESP8266 giúp nhiều đối tượng hơn có thể tiếp cận nó. Cùng thời gian đó, các bộ công cụ phát triển như Node MCU Dev Kit đã được giới 9 thiệu. Những bộ dụng cụ này có mô-đun ESP8266 trên một bảng mạch đột phá, giúp việc tạo nguyên mẫu và thử nghiệm với ESP8266 trở nên dễ dàng hơn. Theo thời gian, ESP8266 đã chuyển đổi từ vai trò chủ yếu là mô-đun Wi-Fi sang bộ vi điều khiển độc lập (MCU) có khả năng Wi-Fi tích hợp.
Sự phát triển này cho phép các nhà phát triển sử dụng ESP8266 làm MCU độc lập cho nhiều dự án IoT khác nhau [7].2 Phân loại Wifi ESP8266 NodeMCU phát triển vượt bậc với nhiều loại module khác nhau như sau: Hình 2. 2: Theo thứ tự từ trái sang phải NodeMCU V0.0 và Wemos D1 Mini [8] Hình 2. 3: Wemos D1 R2 và LoLin V3 NodeMcu Board [8] 10 Bảng 2. 1: Bảng tóm tắt sơ lược về các loại module Wifi ESP8266 NodeMCU [8] Yếu tố NodeMCU NodeMCU V1.0 Wemos D1 Wemos LoLin V3 V0.9 Mini D1 R2 NodeMcu Board Nhãn hiệu NodeMCU DOIT Wemos Wemos LoLin GPIO Pins 11 11 11 11 11 ADC 1 1 1 1 1 Anten PCB PCB PCB PCB PCB ESP8266 ESP12 ESP12E (AI- ESP12E ESP12E ESP12E Module (AI- Thinker) (Wemos) (Wemos) (AI- Thinker) Thinker) USB nối Có Có Có Có Có tiếp Serial Chip CH340G CP2102/CH340G CH340G CH340G CH340G Thân thiện Tệ (bao Rất tốt Rất tốt Tệ Tệ (bao với gồm nhiều (sau khi (Yếu tố gồm nhiều Breadboard chân) hàn) hình thức chân) Arduino) Kích thước To To Trung bình Rất lớn To 2.3 Sơ đồ chân và thông số kỹ thuật Ở đề tài này sinh viên đã chọn module Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 để xây dựng hệ thống.
Nó là một module phát triển dựa trên MCU ESP8266 có tích hợp Wifi và Chip CP2102 cho việc kết nối với máy tính. Bên cạnh đó, nó còn có thể sử dụng điều khiển các thiết bị như cảm biến, servo,…thông qua các chân GPIO. 4: Hình ảnh sản phẩm Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 [9] Hình ảnh sơ đồ chân của module Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102: Hình 2. 5: Sơ đồ chân Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 [10] Thông số kỹ thuật của module Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 [9, 10]: - IC: ESP8266.
- Điện áp nguồn: 5V DC. - Điện áp đầu ra: 3. - Dòng điện: 15mA CPU, 20uA ở chế độ chờ và khoảng 80mA khi hoạt động. 12 - Bộ nhớ ROM: MAX 16Mbyte.
- Bộ nhớ SRAM: MAX 50Kbyte. - Các chuẩn giao tiếp: I2C, SPI, UART. - Kích thước: 25 x 50 mm. - Chip USB-Serial: CP2102.4 Tính năng Các tính năng của module Wifi ESP8266 NodeMCU LUA CP2102 bao gồm [11]: - Hỗ trợ chuẩn Wifi: 802.11n (2,4 GHz) có thể lên tới 72,2 Mbps.
- Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash. - Tích hợp TCP/IP protocol stack. - Tích hợp chip chuyển USB- UART CP2102. - Giám sát đèn hiệu tự động (TSF phần cứng).