Đồ Án Tốt Nghiệp: Ứng Dụng Internet Kết Nối Vạn Vật Trong Nhà Thông Minh

• Tác giả: Đoàn Văn Hải
• Người hướng dẫn: TS. Đoàn Hữu Chức
• Trường học: Trường Đại Học Quản Lý Và Công Nghệ Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Tự Động Công Nghiệp
• Đề tài: Internet Kết Nối Vạn Vật Trong Nhà Thông Minh
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hải Phòng

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ INTERNET OF THING (IOT)
• 1.1. ĐỊNH NGHĨA VỀ INTERNET OF THING (IOT)
• 1.2. KHẢ NĂNG PHÁT TRIỂN CỦA IOT TRONG THỜI GIAN TỚI
• 1.3. XU THẾ PHÁT TRIỂN CỦA IOT ĐẾN NĂM 2020 VÀ 2025
• 1.4. KẾT LUẬN VÀ GỢI SUY CHO VIỆT NAM
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH
• 2.1. ĐỊNH NGHĨA NHÀ THÔNG MINH
• 2.2. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA NHÀ THÔNG MINH
• 2.2.1. Hệ thống chiếu sáng thông minh
• 2.2.2. Hệ thống kiểm soát ra vào
• 2.2.3. Hệ thống quan sát
• 2.2.4. Hệ thống giải trí đa phương tiện
• 2.2.5. Hệ thống cảm biến, an ninh
• 2.3. TIÊU CHUẨN NHÀ THÔNG MINH
• 2.4. XU HƯỚNG NHÀ CỦA TƯƠNG LAI
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. TỔNG QUAN VỀ ARDUINO
• 3.1.1. Phần cứng Arduino
• 3.1.2. Phần mềm Arduino IDE
• 3.2. MODULE WIFI ESP8266 NODEMCU
• 3.3. MODULE CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG PIR HC – SR501
• 3.4. MODULE CẢM BIẾN KHÍ GA MQ2
• 3.5. MODULE CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ - ĐỘ ẨM DHT11
• 3.6. LÝ THUYẾT CHUẨN GIAO TIẾP ONE-WIRE
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 4.1. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 4.1.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
• 4.1.2. Tính toán và thiết kế mạch
• 4.1.3. Thiết kế khối cảm biến
• 4.1.4. Thiết kế khối xử lí trung tâm
• 4.1.5. Khối truyền nhận dữ liệu
• 4.1.6. Thiết kế khối relay điều khiển thiết bị
• 4.1.7. Thiết kế khối nguồn
• 4.1.8. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
• 4.2. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
• 4.2.1. Lưu đồ giải thuật module NodeMCU
• 4.2.2. Giải thích lưu đồ
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN
• 5.1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG
• 5.2. GIAO DIỆN PHẦN MỀM HỆ THỐNG
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LỜI CẢM ƠN

I. Tổng Quan Về Internet Kết Nối Vạn Vật IoT Định Nghĩa

Internet kết nối vạn vật (IoT) không chỉ là sự phát triển của Internet. Nó bao gồm các hệ thống nhúng kết nối các đối tượng vật lý. Các thiết bị có thể tạo, trao đổi, phân tích dữ liệu và đưa ra quyết định với sự can thiệp tối thiểu của con người. IoT là một kịch bản thế giới, nơi mọi thứ và mọi người có định danh riêng. Tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin qua Internet mà không cần tương tác trực tiếp. IoT phát triển từ công nghệ không dây, vi cơ điện tử và Internet. Đơn giản, IoT là tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và thế giới bên ngoài để thực hiện công việc. Kevin Ashton đưa ra thuật ngữ "Internet kết nối vạn vật" năm 1999. Ông là người sáng lập Trung tâm Auto-ID ở MIT, nơi thiết lập các tiêu chuẩn toàn cầu cho RFID và cảm biến. Theo Ashton, năm 2009, Internet gần như phụ thuộc vào con người để chuyển tải dữ liệu. Nhà thông minh (smart house) là bước đầu của IoT, liên kết với nhau và/hoặc Internet.

1.1. Khái Niệm Kết Nối Vạn Vật IoT Trong Đời Sống

Internet of Things (IoT) là một mạng lưới khổng lồ kết nối các thiết bị vật lý, phương tiện, đồ gia dụng và các vật dụng khác được nhúng với điện tử, phần mềm, cảm biến và khả năng kết nối mạng, cho phép các đối tượng này thu thập và trao đổi dữ liệu. Điều này tạo ra một thế giới nơi mọi thứ có thể giao tiếp và tương tác với nhau, mở ra vô số khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. IoT không chỉ đơn thuần là kết nối các thiết bị, mà còn là việc tạo ra một hệ sinh thái thông minh, nơi dữ liệu được thu thập, phân tích và sử dụng để cải thiện hiệu quả, tiện lợi và an toàn cho cuộc sống con người.

1.2. Lịch Sử Hình Thành và Phát Triển Của IoT Trong Nhà Thông Minh

Khái niệm IoT đã xuất hiện từ những năm 1980, nhưng chỉ thực sự bùng nổ vào đầu thế kỷ 21 nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ không dây, điện toán đám mây và cảm biến. Từ những ứng dụng ban đầu như hệ thống giám sát từ xa, IoT đã nhanh chóng lan rộng sang nhiều lĩnh vực khác, trong đó có nhà thông minh. Sự ra đời của các thiết bị nhà thông minh như đèn thông minh, khóa cửa thông minh, và hệ thống điều khiển nhiệt độ thông minh đã đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng IoT vào cuộc sống hàng ngày. Ngày nay, IoT đã trở thành một phần không thể thiếu của nhà thông minh, mang lại sự tiện nghi, an toàn và hiệu quả năng lượng cho người sử dụng.

II. Tiềm Năng Phát Triển IoT Cho Smart Home Trong Tương Lai

Cách mạng công nghiệp lần thứ Tư (Industry 4.0) xây dựng trên nền tảng cuộc CMCN lần thứ Ba. Nó là sự hợp nhất các công nghệ, làm mờ ranh giới giữa các lĩnh vực vật lý, kỹ thuật số và sinh học. Với sự phát triển của IoT, các hệ thống vật lý không gian ảo này tương tác với nhau và với con người theo thời gian thực. IoT có thể tạo ra một cuộc cách mạng công nghiệp mới, khiến cả nền kinh tế thế giới và đời sống nhân loại phải chuyển mình. IoT gia tăng có nghĩa là việc truyền tải dữ liệu và giao tiếp qua Internet tăng lên. Tất cả các công ty, ngành nghề đều có thể sử dụng các dữ liệu đó để phân tích và quyết định chiến lược cạnh tranh. Việc đẩy mạnh đầu tư vào IoT cũng thay đổi cả phương thức hoạt động của nền kinh tế. IoT sẽ có ảnh hưởng lớn tới nền kinh tế bằng việc chuyển đổi rất nhiều doanh nghiệp vào thương mại điện tử và tạo điều kiện cho việc hình thành các mô hình kinh doanh mới.

2.1. Ứng Dụng IoT Thay Đổi Cách Vận Hành Ngôi Nhà Như Thế Nào

IoT đang thay đổi cách vận hành ngôi nhà theo nhiều cách khác nhau. Đầu tiên, nó cho phép tự động hóa nhiều tác vụ hàng ngày, chẳng hạn như bật/tắt đèn, điều chỉnh nhiệt độ, và tưới cây. Thứ hai, nó cung cấp khả năng giám sát và điều khiển ngôi nhà từ xa thông qua điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng. Thứ ba, nó giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách tối ưu hóa việc sử dụng điện và nước. Cuối cùng, nó tăng cường an ninh cho ngôi nhà bằng cách cung cấp hệ thống cảnh báo xâm nhập và giám sát video từ xa. Tất cả những điều này giúp cuộc sống trở nên tiện nghi, an toàn và hiệu quả hơn.

2.2. Các Yếu Tố Thúc Đẩy Sự Phát Triển Của IoT Trong Nhà Ở

Có nhiều yếu tố thúc đẩy sự phát triển của IoT trong nhà ở. Đầu tiên, giá thành của các thiết bị IoT đang ngày càng giảm, giúp chúng trở nên dễ tiếp cận hơn với người tiêu dùng. Thứ hai, sự phát triển của công nghệ không dây và điện toán đám mây đã tạo ra một nền tảng vững chắc cho IoT. Thứ ba, nhu cầu về sự tiện nghi, an toàn và hiệu quả năng lượng ngày càng tăng cao. Cuối cùng, sự xuất hiện của các nền tảng nhà thông minh như Google Home và Amazon Alexa đã giúp đơn giản hóa việc cài đặt và sử dụng các thiết bị IoT.

III. Hướng Dẫn Chi Tiết Về Hệ Thống Nhà Thông Minh Cơ Bản

Theo Công ty nghiên cứu Rand Europe, đến năm 2020, IoT sẽ đem lại doanh thu tiềm năng khổng lồ cho các ngành trên thế giới vào khoảng từ 1,4 - 14,4 nghìn tỷ USD. Một báo cáo mới nhất của Business Insider Intelligence còn dự báo, đến năm 2020, nhiều ngành kinh tế cơ bản sẽ tăng cường đầu tư cho hệ sinh thái IoT với tổng số tiền đầu tư cho các giải pháp IoT ước chừng 6 nghìn tỷ USD. Trong đó, các nhà sản xuất công nghiệp chế tạo sẽ tăng 35% đầu tư cho việc sử dụng các cảm biến thông minh. Ngành giao thông sẽ có hơn 220 triệu xe hơi được kết nối. Ngành công nghiệp quốc phòng sẽ chi 8,7 tỷ USD cho các phương tiện không người lái và sẽ có 126 nghìn robot quân sự được xuất xưởng.

3.1. Các Thành Phần Chính Của Một Hệ Thống Nhà Thông Minh

Một hệ thống nhà thông minh cơ bản bao gồm các thành phần chính sau: (1) Các thiết bị thông minh: Đây là các thiết bị được trang bị cảm biến, bộ vi xử lý và khả năng kết nối mạng, cho phép chúng thu thập dữ liệu và tương tác với nhau. Ví dụ: đèn thông minh, khóa cửa thông minh, cảm biến nhiệt độ, v.v. (2) Bộ điều khiển trung tâm: Đây là thiết bị đóng vai trò là trung tâm điều khiển của hệ thống, cho phép người dùng điều khiển và giám sát các thiết bị thông minh. Ví dụ: Google Home, Amazon Alexa, Apple HomeKit, v.v. (3) Mạng kết nối: Đây là mạng lưới kết nối các thiết bị thông minh với bộ điều khiển trung tâm và Internet. Ví dụ: Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, v.v. (4) Ứng dụng di động: Đây là ứng dụng cho phép người dùng điều khiển và giám sát hệ thống nhà thông minh từ xa thông qua điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng.

3.2. Lợi Ích Khi Sử Dụng Ứng Dụng IoT Cho Smart Home

Việc sử dụng ứng dụng IoT cho smart home mang lại nhiều lợi ích đáng kể. Đầu tiên, nó giúp tăng cường sự tiện nghi và thoải mái cho cuộc sống hàng ngày. Thứ hai, nó giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí sinh hoạt. Thứ ba, nó tăng cường an ninh cho ngôi nhà và bảo vệ tài sản. Cuối cùng, nó cung cấp khả năng giám sát và điều khiển ngôi nhà từ xa, giúp người dùng yên tâm hơn khi đi vắng. Tất cả những lợi ích này làm cho nhà thông minh trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho những ai muốn nâng cao chất lượng cuộc sống.

IV. Phương Pháp Bảo Mật IoT Trong Nhà Thông Minh Hiệu Quả

IoT không còn là một dự đoán, một xu thế nữa mà là một cuộc cách mạng phát triển và ứng dụng công nghệ mới đang diễn ra như vũ bão trên toàn thế giới, trong vòng 5-10 năm tới sẽ phát triển ổn định, mang lại hiệu quả cao. IoT là một xu thế tất yếu, thị trường IoT hiện đã phát triển và dự kiến sẽ phát triển mạnh mẽ trong những năm tiếp theo. IoT có tiềm năng để thay đổi thế giới dựa trên nền tảng Internet. IoT đã cho phép thông tin được chia sẻ và quyết định được thực hiện mà không cần sự can thiệp nhiều của con người. Nó đã cho phép tiết kiệm rất lớn về nguồn lực vật chất, thời gian và nhân lực.

4.1. Các Rủi Ro An Ninh Thường Gặp Trong Hệ Thống Nhà Thông Minh

Các hệ thống nhà thông minh thường đối mặt với nhiều rủi ro an ninh khác nhau. Một trong những rủi ro phổ biến nhất là việc các thiết bị IoT bị tấn công và kiểm soát bởi tin tặc. Điều này có thể dẫn đến việc tin tặc truy cập vào dữ liệu cá nhân, điều khiển các thiết bị trong nhà, hoặc thậm chí sử dụng hệ thống nhà thông minh để thực hiện các cuộc tấn công mạng khác. Ngoài ra, các lỗ hổng bảo mật trong phần mềm và phần cứng của các thiết bị IoT cũng có thể bị khai thác để xâm nhập vào hệ thống.

4.2. Giải Pháp Tăng Cường Bảo Mật IoT Trong Nhà Thông Minh

Để tăng cường bảo mật IoT trong nhà thông minh, có một số giải pháp quan trọng cần được thực hiện. Đầu tiên, người dùng nên thay đổi mật khẩu mặc định của tất cả các thiết bị IoT và sử dụng mật khẩu mạnh. Thứ hai, nên cập nhật phần mềm và phần cứng của các thiết bị IoT thường xuyên để vá các lỗ hổng bảo mật. Thứ ba, nên sử dụng mạng Wi-Fi an toàn và bảo mật bằng mật khẩu mạnh. Cuối cùng, nên cân nhắc sử dụng các giải pháp bảo mật chuyên dụng cho nhà thông minh, chẳng hạn như tường lửa và phần mềm diệt virus.

V. Nghiên Cứu Ứng Dụng IoT Trong Nhà Thông Minh Thực Tế

IoT đang phát triển vô cùng mạnh mẽ khi người tiêu dùng, doanh nghiệp và các chính phủ nhận ra lợi ích của nền tảng này. Mới đây, theo một dự báo của Business Insider Intelligence, IoT sẽ thúc đẩy nền kinh tế một cách mạnh mẽ trong thời gian tới. Các ứng dụng thực tế của IoT trong nhà thông minh rất đa dạng, từ hệ thống chiếu sáng thông minh, hệ thống kiểm soát ra vào, hệ thống quan sát, hệ thống giải trí đa phương tiện, hệ thống cảm biến, an ninh.

5.1. Mô Hình Nhà Thông Minh Kết Nối Sử Dụng Arduino và ESP8266

Một mô hình nhà thông minh kết nối phổ biến sử dụng Arduino và ESP8266. Arduino là một nền tảng phần cứng mã nguồn mở, dễ sử dụng và linh hoạt, trong khi ESP8266 là một module Wi-Fi chi phí thấp, cho phép các thiết bị kết nối với Internet. Mô hình này có thể được sử dụng để xây dựng các hệ thống nhà thông minh đơn giản, chẳng hạn như hệ thống điều khiển đèn từ xa, hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm, hoặc hệ thống cảnh báo xâm nhập.

5.2. Giao Diện Phần Mềm Điều Khiển Hệ Thống Nhà Thông Minh

Giao diện phần mềm điều khiển hệ thống nhà thông minh thường được thiết kế trực quan và dễ sử dụng. Nó cho phép người dùng điều khiển và giám sát các thiết bị trong nhà từ xa thông qua điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng. Giao diện này thường bao gồm các tính năng như điều khiển đèn, điều chỉnh nhiệt độ, xem video từ camera an ninh, và nhận thông báo cảnh báo.

VI. Xu Hướng và Tương Lai Của Nhà Thông Minh Kết Nối IoT

Xu thế phát triển của IoT đã được các tổ chức, các công ty lớn trên thế giới đều khẳng định sẽ phát triển mạnh trong thời gian tới với khoảng từ 30 tỷ đến 50 tỷ thiết bị và được ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống như: nhà thông minh, thành phố thông minh, y tế, nông nghiệp, công nghiệp thông minh,. IoT là sự kết hợp rất nhiều thành phần công nghệ bao gồm nền tảng, mạng không dây, các thiết bị phần cứng, thiết bị kết nối, lớp ứng dụng. IoT được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và mang lại nhiều tác động tích cực như tăng hiệu quả hoạt động của các lĩnh vực khác như giám sát và q...

6.1. Các Công Nghệ Mới Nổi Trong Lĩnh Vực Nhà Thông Minh

Lĩnh vực nhà thông minh đang chứng kiến sự xuất hiện của nhiều công nghệ mới nổi, chẳng hạn như trí tuệ nhân tạo (AI), học máy (Machine Learning), và điện toán biên (Edge Computing). AI và Machine Learning có thể được sử dụng để tự động hóa các tác vụ phức tạp trong nhà thông minh, chẳng hạn như điều chỉnh nhiệt độ dựa trên thói quen của người dùng, hoặc phát hiện các hoạt động bất thường trong nhà. Điện toán biên cho phép xử lý dữ liệu ngay tại các thiết bị IoT, giảm độ trễ và tăng cường bảo mật.

6.2. Tương Lai Nhà Thông Minh Tiện Nghi An Toàn và Bền Vững

Tương lai nhà thông minh hứa hẹn sẽ mang lại sự tiện nghi, an toàn và bền vững hơn cho cuộc sống con người. Các nhà thông minh trong tương lai sẽ được trang bị các công nghệ tiên tiến, cho phép chúng tự động hóa nhiều tác vụ hơn, cung cấp khả năng giám sát và điều khiển từ xa tốt hơn, và giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn. Ngoài ra, các nhà thông minh trong tương lai cũng sẽ được thiết kế để thân thiện hơn với môi trường và đáp ứng nhu cầu của người cao tuổi và người khuyết tật.