Chương 1: TỔNG QUAN. Chương ầu tiên mô tả toàn cảnh về hệ thống nhà thông minh trong thời ại công nghệ phát triển ngày nay và việc sử dụng chuẩn truyền thông, áp dụng cho ngôi nhà rộng lớn với nhiều thiết bị với các thông số, giá trị cần ược giám sát. Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Là chương tiếp theo sẽ cung cấp tổng quan về các cơ sở lý thuyết có liên quan ược áp dụng trong ây.
Và các thông số, thông tin về các thiết bị phần cứng, module dùng cho việc thi công mô hình trong ề tài. Chương 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG. ây là chương ưa ra các yêu cầu, ặc tính kỹ thuật của hệ thống. Nêu ra các phần về thiết kế phần cứng, phần mềm, sơ ồ khối và cách thức hoạt ộng của hệ thống.
Chương 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN. ây là chương ưa ra kết quả của mô hình, tự ánh giá và ưa ra các nhận xét dựa trên kết quả ã kiểm thử ược từ mô hình hệ thống. Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. Chương cuối sẽ úc kết lại quá trình nghiên cứu và thực hiện ề tài.
Từ ó ưa ra những kết luận, qua ó em tới thêm các chức năng nhằm phát triển cho hệ thống trong tương lai cách hoàn hảo hơn. 3 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về hệ thống giám sát và iều khiển trong nhà thông minh Hình 2.1: Hình ảnh minh họa hệ thống nhà thông minh (nguồn Internet) Ở hình 2.1 trên, thấy ược rằng nhà thông minh ược trang bị rất nhiều những công nghệ như : Wifi, Lora, các khả năng tự ộng hóa, nhiều cảm biến,. giúp cho chủ nhà có ược rất nhiều tiện nghi và an toàn với khả năng kiểm soát và quản lý căn nhà cách thuận tiện hơn. Với những ưu iểm như trên ã giúp cho nhà thông minh trở nên "trào lưu" trong thời kỳ phát triển ngày nay.
Các mô hình nhà thông minh hiện nay ang ược phát triển mạnh mẽ trong các khu vực ô thị, làm cho cuộc sống của chúng ta trở nên tiện lợi, an toàn, thoải mái và tiết kiệm năng lượng hơn. Tuy nhiên trong hệ thống nhà thông minh thông thường, việc kết nối các thiết bị và cảm biến bị giới hạn hoặc thường phụ thuộc vào một mạng lưới có dây hoặc mạng Wi-Fi. Vậy nên, việc sử dụng công nghệ LoRa giữa các node tạo ra một sự linh hoạt lớn hơn, cho phép mở rộng hệ thống một cách dễ dàng mà không cần phải lo lắng về vấn ề về ộ phủ sóng hoặc hạn chế về cơ sở hạ tầng.2 Giới thiệu tổng quan về các giao thức truyền thông 2.2: Hình ảnh minh họa Wifi Wifi, là từ viết gọn của từ = Wireless Fidelity= còn ược gọi là mạng IEEE 802.11 là một hệ thống truy cập Internet không dây. Hoạt ộng dựa trên sóng vô tuyến, có khả năng kết nối các thiết bị với mạng Internet trong một khoảng cách nhất ịnh.2 cho thấy, ể sử dụng Wifi và kết nối internet thì cần trang bị một bộ thu phát Wifi (Router).
Bộ thu là một thiết bị có khả năng thu sóng Wifi, chuyển ổi thành tín hiệu sóng vô tuyến và truyền i bằng một Ăng-ten. Router có vai trò thu và phát sóng Wifi, chuyển ổi dữ liệu giữa thiết bị và mạng Internet. Sóng Wifi ngày nay ược sử dụng rộng rãi, khác với sóng vô tuyến khác là sóng Wifi thu phát ở tần số từ 2.4 GHz ến 5 GHz. Hiện nay có nhiều chuẩn Wifi khác nhau, mỗi chuẩn có ưu và nhược iểm riêng: • Chuẩn 802.11: Là chuẩn mạng không dây ầu tiên ược IEEE ra mắt năm 1977.11 chß có tốc ộ tối a là 2Mbps với băng tầng 2.
Nhưng sự ra ời của chuẩn 802.11 ã trờ thành tiền ề ể phát triển các chuẩn mạng sau này.11b: Ra mắt vào 1999, có khả năng hỗ trợ tốc ộ phát ến 11 Megabit/s với băng tần 2. Nhưng Chuẩn 802.11b có nhược iểm là dễ bị nhiễu từ các thiết bị iện tử khác.11a: Ra mắt năm 1999, chuẩn 802.11a hoạt ộng với tốc ộ 54 megabit/s và tần số 5 GHz giúp tránh bị nhiễu từ các thiết bị khác.11a có nhược iểm là khả năng xuyên tường kém và giá thành cao.11g: hoạt ộng với tốc ộ 54 megabit/s nhờ sử dụng mã OFDM với tần số 2.11n: Ra mắt năm 2009 và hiện ang là chuẩn mạng ược sử dụng phổ biến. Nhờ có ưu thế phạm vi lớn, tốc ộ cao và giá cả hợp lý, chuẩn hoạt ộng vào tốc ộ truyền 300 megabit/s và hoạt ộng ược với tần số 2.4 GHz và cả tần số 5 GHz.11ac: Ra mắt năm 2013, hoạt ộng với tốc ộ 173 megabit/s với tần số 5 GHz. Nhưng lại có giá thành cao và chưa ược phổ biến.11ad: Ra mẳt năm 2014, Chuẩn 802.11ad có tốc ộ truyền 70 megabit/s với tần số 60GHz.
Tuy có tốc ộ cao nhưng khả năng xuyên tường kém • Chuẩn 802.11ax: ra mắt vào năm 2019 còn có tên gọi khác là Wifi 6, là bản cập nhật mới của chuẩn mạng không dây, với tốc ộ nhanh hơn, hiệu suất ược cải thiện và dung lượng lớn. Một số ưu iểm nổi bật của mạng wifi: • Tiện lợi, ơn giản, gọn nhẹ không cần cáp truyền thống. • Phạm vi kết nối rộng (còn tùy thuộc vào router). • Dễ sửa ổi và nâng cấp.
• Thuận tiện dễ di chuyển. • Tính bảo mật cao. Một số nhược iểm: • Phạm vi kết nối có giới hạn. • Tốc ộ truy cập có thể giảm nếu có nhiều người truy cập.
Chuẩn kết nối 802.11n hiện ang là chuẩn ược sử dụng nhiều nhất tại Việt Nam hiện nay dựa vào các ưu iểm như tốc ộ truyền, phạm vi và giá cả hợp lý [1].2 Giao thức UART UART (hình minh họa 2.3) từ viết tắt của từ Universal Asynchronous Receiver- Transmitter hay còn gọi là bộ truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất ồng bộ, ây là giao thức truyền thông ại trà ược sử dụng nhất hiện nay. Nó ược dùng nhiều ở tại thiết bị như máy tính, hệ thống nhúng,. Về nguyên tắc truyền dữ liệu, UART sẽ chuyển dữ liệu ã thu từ bus dữ liệu. Dữ liệu ược chuyển từ bus dữ liệu ến UART truyền ở dạng song song.
Sau khi UART truyền nhận dữ liệu song song từ bus dữ liệu, nó sẽ thêm một bit start, một bit chẵn lẻ và một bit stop, ể tạo ra gói dữ liệu (data packet). Tiếp ến, gói dữ liệu ược truyền ra nối tiếp từng bit tại chân Tx. UART nhận ọc gói dữ liệu từng bit tại chân Rx của nó. UART nhận sau ó chuyển ổi dữ liệu trở lại dạng song song, loại bỏ bit start, bit chẵn lẻ và bit stop.
Sau cùng, UART nhận chuyển gói dữ liệu song song với bus dữ liệu ở ầu nhận.3: Hình ảnh minh họa mô tả UART Một số lợi thế và hạn chế của UART. Lợi thế: • Phương pháp truyền ơn giản, giá cả hợp lý. • Cấu trúc gói dữ liệu có thể tùy biến. • Có bit chẵn lẻ ể phát hiện lỗi.
7 Hạn chế: • Tốc ộ chuyển cần ạt xấp xß 10%. • Không thích hợp dùng trong các ứng dụng yêu cầu nhiều master và slave [2].3 Giao thức SPI SPI (hình minh họa 2.4) viết gọn của từ Serial Peripheral Interface hay giao tiếp ngoại vi nối tiếp là một giao thức truyền thông ở chế ộ full-duplex (song công toàn phần). iều này có nghĩa là quá trình truyền và nhận dữ liệu có thể diễn ra ồng thời trong cùng một thời iểm. SPI là một loại giao thức kiểu Master 3 Slave, trong ấy có thể có một master nhưng có thể có nhiều slave.4: Hình ảnh minh họa mô tả SPI SPI còn ược biết ến là chuẩn kết nối bốn dây (four-wire) bằng cách sử dụng bốn ường tín hiệu (hay bốn dây).
Những dây ó là: • MOSI (Master out Slave in): là ngõ truyền tín hiệu từ thiết bị truyền master tới thiết bị nhận slave. • MISO (Master in Slave out): là ngõ truyền tín hiệu từ thiết bị truyền slave tới thiết bị nhận master. • SCK (Serial Clock): xung giữ nhịp. • CS (Chip select): chọn chip.
8 Một vài áp dụng thực tế của SPI: trong các công cụ như: các bộ chuyển ổi số, một số loại cảm biến, các loại bộ nhớ,.4 Giao thức I2C I2C (hình minh họa 2.5) viết gọn của từ <Inter-Integrated Circuit=, là một phương thức truyền thông có khả năng truyền tín hiệu giữa trạm xử lý trung tâm với nhiều IC trên cùng một board mạch với việc chß sử dụng hai ường truyền dữ liệu, ược nghiên cứu và thiết kế bởi Philips Semiconductors. I2C là một phương thức truyền thông nối tiếp ồng bộ, ược hiểu là các bit tín hiệu ược truyền từng bit một liên tiếp theo các khoảng chu kỳ, ược sắp ặt bởi một tín hiệu xung clock.5: Hình ảnh minh họa mô tả I2C I2C có một số ặc tính sau: • Chß cần có hai ường dây (bus) chung ể kiểm soát bất kỳ thiết bị. • Dễ dàng mở rộng. • Tốc ộ truyền tín hiệu có khả năng thay ổi phụ thuộc vào tình huống.
• Sử dụng cơ chế ịa chß 7 bit ể nhận biết một thiết bị trên bus [4].3 Giới thiệu công nghệ LoRa Công nghệ LoRa (Long Range) (hình minh họa 2.6) là một công nghệ truyền thông dữ liệu thông qua sóng vô tuyến và truyền không dây, ược xây dựng ể phục vụ nhu 9 cầu kết nối trong các ứng dụng Internet of Things (IoT). Triển khai với dải tần ISM (Industrial, Scientific, and Medical) cách tự do, mang ến nhiều ưu iểm so với các công nghệ truyền thông khác.6: Hình ảnh minh họa công nghệ LoRa Một số nét ặc biệt của LoRa: • Phạm vi truyền dẫn xa: LoRa sử dụng kỹ thuật phân tán phổ (spread spectrum) ể chuyển phát tín hiệu tới nhiều kênh tần số riêng biệt, không bị rơi vào tình trạng nhiễu khi ang thực hiện việc chuyển phát các dữ liệu với khoảng cách lớn. • Tiết kiệm năng lượng: LoRa modulation (kỹ thuật iều chế) em tới việc tối ưu hóa hiệu suất chuyển phát và giảm ược năng lượng tiêu thụ, phù hợp cho các thiết bị IoT hoạt ộng với nguồn năng lượng hạn chế. • Chi phí thấp: LoRa sử dụng dải tần miễn phí, không yêu cầu cơ sở hạ tầng mạng phức tạp, giúp giảm thiểu chi phí triển khai và vận hành.
Với những nét ặc biệt trên LoRa ược áp dụng phổ biến trong chuyên ngành IoT như: • Giám sát môi trường: Giám sát mức không khí, nước, nhiệt ộ, ộ ẩm,. • Quản lý năng lượng: ọc giá trị từ các thiết bị o ạc iện năng, nước, gas,. • Theo dõi: ịnh vị và theo dõi vị trí của xe cộ, container, hàng hóa,. 10 • Và nhiều ứng dụng IoT khác.