ĐỒ án tốt NGHIỆP : Xây dựng mô hình nhà thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
~~~~~  ~~~~~

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

XÂY DỰNG MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Trung Hiếu
Đỗ Đức Anh

SHSV-Lớp- Khóa
20159832-CN ĐTTT 02- K58
20159828-CN ĐTTT 01- K58

Giảng viên hướng dẫn:
Cán bộ phản biện:

TH.S. Đinh Thị Nhung

Hà Nội, 09/2017

LỜI NĨI ĐẦU
Từ xưa đến nay ,nhân loại đã khơng ngừng học hỏi, tìm tịi và nghiên cứu để
tạo ra những sản phẩm nhằm phục vụ cho sinh hoạt hằng ngày, những sản phẩm ấy

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
luôn phát triển theo hướng tự động hóa và ngày càng thơng minh để có thể phục vụ
những nhu cầu ngày càng cao của con người.Với xu hướng này , nhiều nước trên
thế giới đã ứng dụng khoa học kĩ thuật hiện đại để những thiết bị trong nhà có thể
điều khiển một cách tự động.Những thiết bị này có thể điều khiển bởi máy tính hoặc
điện thoại di động .Tuy nhiên ,nếu điều khiển bằng máy tính thì sẽ bất tiện hơn và
điều khiển thơng qua di động sẽ tiện lợi hơn rất nhiều bởi vì bất cứ đâu ,khỏang
cách nào chỉ cần có sóng điện thoại là chúng ta có thể sử dụng được. Bởi vậy,
hướng tới mục tiêu xây dựng một hệ thống giám sát, cảnh báo, điều khiển được
thiết bị trong nhà thông qua ứng dụng IoT.
Nhóm em đã lựa chọn đề tài:“Xây dựng mơn hình nhà thơng minh ”. Đề tài là sự
kết hợp giữa các quá trình:
(1) Giám sát: bao gồm đo các thông số về nhiệt độ, độ ẩm không khí qua các thiết bị
cảm biến. Cảnh báo khi vượt quá ngưỡng.
(2) Điều khiển được thiết bị điện của các phịng trong nhà thơng qua Smartphone
(3) Sử dụng cơng nghệ IoT phân tích kiểm sốt điều khiển tồn bộ hệ thống nơng
nghiệp.
Trong q trình thực hiện đề tài này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới
Th.S Đinh Thị Nhung, Viện Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội, đã hướng dẫn tận tình và chỉ dẫn các bước, cung cấp những tài liệu nghiên cứu
quý báu, hướng nghiên cứu để chúng em có thể thực hiện được các yêu cầu của đề
tài.
Trong quá trình thực hiện đề tài, dựa theo những kết quả đạt được bước đầu,
dù đã rất cố gắng tuy nhiên không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế nhất định.
Vì vậy, bọn em rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung của các thầy cô để đề tài
được tối ưu và hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU..........................................................................................................1

Page 1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
MỤC LỤC................................................................................................................. 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH.........................................................................................1
DANH MỤC BẢNG BIỂU.......................................................................................1
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ..............................1
TÓM TẮT ĐỒ ÁN....................................................................................................1
ABSTRACT..............................................................................................................1
PHẦN MỞ ĐẦU.......................................................................................................1
PHẦN NỘI DUNG...................................................................................................1
CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI.........................................................................1
1.1 Đặt vấn đề........................................................................................................1
1.2 Mục đích nghiên cứu........................................................................................1
1.3 Phương pháp nghiên cứu..................................................................................1
1.4 Kết luận............................................................................................................1
CHƯƠNG II TÌM HIỂU LÝ THUYẾT....................................................................1
2.1. Mơ hình nhà thơng minh?...............................................................................1
2.1.1 Nhà thơng minh là gì?...............................................................................1
2.1.2. Các thành phần của nhà thơng minh.........................................................1
2.2. Hệ thống giám sát dùng cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11.............................1
2.3 Hệ thống điều khiển.........................................................................................1
2.3.1 Giới thiệu..................................................................................................1
2.3.2 Thông số kỹ thuật......................................................................................1
2.3.3 Giao tiếp với Esp8266...............................................................................1
2.3 Bộ giao thức truyền thông TCP/IP...................................................................1
2.4.1 Giới thiệu về TCP/IP.................................................................................1
2.4.2 Kiến trúc của TCP/IP................................................................................1

2.4.3 So sánh giữa TCP/IP và OSI.....................................................................1
2.5 Kết luận............................................................................................................1
CHƯƠNG III. TỔNG QUAN HỆ THỐNG..............................................................1
3.1 IoT Endpoint Device........................................................................................1

Page 2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
3.1.1 Cơng nghệ wifi..........................................................................................1
3.1.2 Lập trình Socket........................................................................................1
3.1.3 NodeJs là gì?.............................................................................................1
3.2 IoT Gateway Device........................................................................................1
3.2.1 Kit Raspberry Pi........................................................................................1
3.3 IoT Cloud & IoT Application...........................................................................1
3.3.1 Giới thiệu chung về hệ điều hành Android................................................1
3.3.2 Kiến trúc hệ điều hành Android.................................................................1
3.3.3 Hệ thống tệp tin trong Android..................................................................1
CHƯƠNG IV THIẾT KẾ HỆ THỐNG.....................................................................1
4.1 Khối nguồn......................................................................................................1
4.2 Khối cảm biến..................................................................................................1
4.3 Khối xử lý trung tâm........................................................................................1
4.4 Khối giao tiếp và hiển thị.................................................................................1
4.5 Khối cơ cấu chấp hành.....................................................................................1
4.6 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch..............................................................................1
4.7 Sơ đồ mạch in lớp top......................................................................................1
4.8 Sơ đồ mạch in lớp bottom................................................................................1
4.9 Sơ đồ mạch 3D.................................................................................................1
4.10 Mạch thực tế đã hoàn thiện............................................................................1
4.11 Thiết kế phầm mềm........................................................................................1

4.11.1 Công cụ phần mềm..................................................................................1
4.11.2 Thiết kế ứng dụng....................................................................................1
CHƯƠNG V ĐÁNH GIÁ VÀ THỰC NGHIỆM......................................................1
5.1 Dự kiến............................................................................................................1
5.2 Đã đạt được......................................................................................................1
5.3 Đánh giá...........................................................................................................1
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................................1
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................1

Page 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
PHỤ LỤC.................................................................................................................. 1

Page 4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC HÌNH Ả
Hình 2. 1. Các thành phần cơ bản của hệ thống nhà thơng minh...............................1
Hình 2. 2. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11............................................................1
Hình 2. 3. Module wifi Esp8266...............................................................................1
Hình 2. 4. Sơ đồ chân của Esp8266...........................................................................1
Hình 2. 5. Cấu trúc gói tin TCP Header.....................................................................1
Hình 2. 6. Datagram của IP.......................................................................................1
Hình 2. 7. Các tầng của TCP/IP.................................................................................1
Hình 2. 8. Sự khác nhau ở các tầng giữa TCP/IP và OSI........................................1Y
Hình 3. 1. Mơ hình IoT..............................................................................................1

Hình 3. 2. Minh họa mơ hình mạng khơng dây.........................................................1
Hình 3. 3. Bảo mật bằng WEP...................................................................................1
Hình 3. 4. Sơ đồ mã hóa bằng WPA..........................................................................1
Hình 3. 5. Cơ chế mã hóa AES trong WPA2.............................................................1
Hình 3. 6. Các thành phần quan trọng của Nodejs.....................................................1
Hình 3. 7. Kit Raspberry Pi 3....................................................................................1
Hình 3. 8. Sơ đồ chân IO trên Kit Raspberry Pi 3.....................................................1
Hình 3. 9. Hệ điều hành raspbian..............................................................................1
Hình 3. 10. Hệ điều hành Ubuntu MATE..................................................................1
Hình 3. 11. Hệ điều hành Window 10........................................................................1
Hình 3. 12. Các tầng của hệ điều hành Android........................................................1
Hình 3. 13. Mơ tả cây thư mục trong hệ thống tệp tin
Hình 4. 1. Sơ đồ khối hệ thống.................................................................................1
Hình 4. 2. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn....................................................................1
Hình 4. 3. Khối cảm biến..........................................................................................1
Hình 4. 4. Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm......................................................1
Hình 4. 5. Sơ đồ nguyên lý khối cơ cấu chấp hành...................................................1
Hình 4. 6. Sơ đồ ngun lý tồn mạch......................................................................1
Hình 4. 7. Sơ đồ mạch in lớp top..............................................................................1
Hình 4. 8. Sơ đồ mạch in lớp bottom........................................................................1
Page 5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 4. 9. Hình ảnh mạch 3D...................................................................................1
Hình 4. 10. Hình ảnh mạch thực tế...........................................................................1
Hình 4. 11. Hình ảnh demo sản phẩm.......................................................................1
Hình 4. 12. Tạo tài khoản( trái) và đăng nhập( phải) trên App.................................1
Hình 4. 13. Điều khiển thiết bị phịng ngủ( Trái) và phịng khách ( Phải)................1
Hình 4. 14. Gửi trạng thái phòng tới số điện thoại đã cài đặt...................................1

Hình 4. 15. Giao diện đặt ngưỡng cảnh báo
Hình 5. 1. Thơng số trong phịng đo được................................................................1

Page 6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC BẢNG BI
Bảng 2. 1. Sơ đồ nối chân giữa Esp8266 và PL2303................................................1
Bảng 2. 2. Một số lệnh AT cơ bản của Esp8266.......................................................1
Bảng 2. 3. Địa chỉ lớp A...........................................................................................1
Bảng 2. 4. Địa chỉ lớp B...........................................................................................1
Bảng 2. 5. Địa chỉ lớp C........................................................................................1Y
Bảng 3. 1. Cấu hình của Raspberry Pi 3...................................................................1
Bảng 3. 2. Các kiểu file trong Android.....................................................................1

Page 7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ
STT
1
2
3
4
5
6

7
8
9
10
11
12
13
14
15

Kí hiệu
CPU
I/O
ICMP
IDE
IEEE
IGMP
IP
MCU
PC
SOC
TCP/IP
UART
UDP
WEP
WPA

Thuật ngữ đầy đủ
Central Processing Unit
Input/Output

Internet Control Message Protocol
Intergrated Development Environment
Institute of Electrical and Electronic Engineers
Internet Group Messages Protocol
Internet Protocol
Micro Controller Unit
Personal Computer
System On Chip
Transport Control Protocol/Internet Protocol
Universal Asynchronous Receiver/Transmitter
User Datagram Protocol
Wired Equivalent Privacy
WiFi Protected Access

Page 8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đề tài tập trung vào việc xây dựng, kết hợp các bước điều khiển (giám sát,
truyền nhận dữ liệu) và vận hành hệ thống (xử lý tín hiệu qua điện tốn đám mây
IoT).
Với đầu vào là các dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm. Dữ liệu sẽ được tính tốn, xử lý
lưu trữ trên server và khi nhận được yêu cầu từ người dùng dữ liệu sẽ hiển thị trên
giao diện app Android (hoặc Web server). Hệ thống có thể tự động điều chỉnh các
thơng số nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng thông qua điều chỉnh bật tắt bóng đèn, máy bơm
nước bằng các chương trình được cài đặt sẵn. Ngồi ra người dùng có thể tự bật tắt
thiết bị thông qua các nút trên giao diện app Android (hoặc Webserver).

ABSTRACT
This project is focusing to building a system which can process, supervision
and transmission data base on cloud computing IoT technical to developing of plant
management. The data input are parameters which is measured by the sensors
(incluce temperature, humidity). The data is computed, processed on the server,
send to the Androi application (or Web server) and the user can communicate with
the Androi application interface.
Base on the data on the server, the system can control temperature, humidity
and light intensity parameters automatically such as turning off light, controller
water-pump. Beside, the user also control the system adjusting paramerters by the
Androi application (or Web server) interface.

Page 9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

PHẦN MỞ ĐẦU
Báo cáo được trình bày với 3 phần, mỗi phần được trình bày thành các
chương, được thực hiện theo cấu trúc như sau:
Phần mở đầu: Tổng quan về cấu trúc của đề tài
Phần nội dung: Được chia thành 5 chương:
Chương 1: Tổng quan đề tài, trình bày về tầm quan trọng của đề tài, mục tiêu
thực hiện và phương pháp nghiên cứu trong suốt quá trình.
Chương 2: Cơ sở lí thuyết, trình bày các khái niệm, lí thuyết cơ sở của các
kiến thức liên quan đến đề tài, các thuật toán triển khai trong đề tài, cũng như các
phương tiện, công cụ hỗ trợ.
Chương 3: Tìm hiểu hệ thống, trình bày tổng quan hệ thống đơn vị cấu thành
Chương 4: Thiết kế chi tiết hệ thống.
Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá

Phần tổng kết: Khẳng định vai trò thực tiễn của đề tài, khả năng ứng dụng
và phát triển của đề tài trong tương lai, trình bày những thuận lợi, khó khăn trên cơ
sở đó đưa ra những bài học kinh nghiệm cho bản thân.

Page 10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

PHẦN NỘI DUNG
CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề
Đề tài được xây dựng dựa trên những u cầu thực tiễn, có tính ứng dụng
cao. Hiện nay không chỉ ở thế giới mà ở tại Việt Nam dưới sự bùng nổ của công
nghệ thông tin đã làm cho đời sống con người ngày càng được nâng cao. Các thiết
bị tự động hóa đã ngày càng chiếm vai trị quan trọng trong nền sản xuất và thậm
chí là vào cuộc sống sinh hoạt hằng ngày của con người. Do đó một ngơi nhà thơng
minh khơng cịn là mơ ước của con người mà nó đã được trở thành hiện thực hóa.
Qua báo chí, các phương tiện truyền thơng, internet chúng ta có thể dễ dàng tìm
thấy những mơ hình nhà thơng minh.
Nhà thơng minh được xây dựng trên nền tảng của công nghệ IoT, với giá
thành đầu tư cho hệ thống không quá đắt, phù hợp với tình hình thực tế tại Việt
Nam, mặc dù chưa được phát triển mạnh mẽ song hứa hẹn nhiều kết quả tốt trong
tương lai. Đồng thời, việc tập trung vào nghiên cứu kĩ thuật đo đạc và truyền dữ liệu
của công nghệ không dây WiFi.
Là một sinh viên viện Điện tử viễn thông, với những kiến thức đã được học
cùng với mong muốn thiết kế một ngơi nhà tự động hóa có thể đáp ứng được nhu
cầu sinh hoạt hằng ngày, giúp tiết kiệm năng lượng, em đã chọn đề tài: “Xây dựng
mơ hình nhà thơng minh "
1.2 Mục đích nghiên cứu

Đề tài được nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích áp dụng các kiến
thức đã học trên ghế nhà trường để xây dựng, phát triển một mô hình nhà thơng
minh. Sau khi thực hiện, đề tài đặt ra những chức năng sau:
 Xây dựng một hệ thống tồn diện có tính ứng dụng thực tiễn,
 Xây dựng được một cơ sở dữ liệu đáp ứng đủ các tiêu chí đặt ra với một
hệ thống, đa nền tảng, có tính kế thừa cao.
 Phần cứng có thể dễ dàng triển khai, giảm thiểu chi phí phát sinh.
1.3 Phương pháp nghiên cứu
Trong đề tài này, nhóm đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu:

Page 11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
 Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thơng tin từ sách, tạp
chí về điện tử, viễn thông, truy cập từ mạng internet.
 Phương pháp quan sát: khảo sát một số ứng dụng có sử dụng công nghệ
IoT, các hệ thống nhà thông minh trên thế giới và ở Việt Nam.
 Phương pháp thực nghiệm: Xem xét một số công nghệ đã được áp dụng
trước đó để rút ra kinh nghiệm cũng như những u cầu đề ra cho hệ
thống mơ hình nhà thơng minh.
1.4 Kết luận
Chương I chủ yếu giới thiệu tổng quan nhất về IoT – một xu hướng công
nghệ cho tương lai. Tuy xuất hiện từ lâu nhưng trong những năm gần đây nó được
nhiều doanh nghiệp cũng như các nhà khoa học để ý và phát triển mạnh mẽ. Chính
vì vậy các thiết bị thông minh: tivi thông minh, tủ lạnh thông minh,…lần lượt được
giới thiệu. Không ngoại lệ, canh tác thông minh là hệ thống tiềm năng của IoT và sẽ
được phát triển mạnh mẽ trong thời gian tới.

Page 12

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG II TÌM HIỂU LÝ THUYẾT
Chương hai trình bày các khái niệm, lí thuyết cơ sở của các kiến thức liên
quan đến đề tài, các thuật toán triển khai trong đề tài, cũng như các phương tiện,
công cụ hỗ trợ.
2.1. Mơ hình nhà thơng minh?
2.1.1 Nhà thơng minh là gì?
Nhà thơng minh (tiếng Anh là "Smart Home") hoặc hệ thống nhà thông minh
là một ngôi nhà/ căn hộ được trang bị hệ thống tự động tiên tiến dành cho điều
khiển đèn chiếu sáng, nhiệt độ, truyền thông đa phương tiện, an ninh, rèm cửa, cửa
và nhiều tính năng khác nhằm mục đích làm cho cuộc sống ngày càng tiện nghi, an
tồn và góp phần sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên.
Theo wiseGeek, một ngôi nhà (hoặc căn hộ) được coi là "thơng minh" bởi vì
hệ thống máy tính của nó có thể theo dõi rất nhiều khía cạnh của cuộc sống thường
ngày.
Một trong những ví dụ cơ bản nhất của nhà thông minh là một hệ thống kiểm
soát mức độ chiếu sáng của hệ thống đèn giúp tiết kiệm điện và phù hợp với khung
cảnh, chẳng hạn như cài đặt đèn ánh sáng nhẹ cho các bữa tiệc tối. Hệ thống cũng
có thể điều chỉnh rèm cửa theo yêu cầu, kiểm soát nhiệt độ, hệ thống camera giám
sát, hệ thống khóa cửa tự động, hệ thống phịng ngừa trộm.
Nhà thơng minh ngồi ra cịn có một số ứng dụng sáng tạo hơn, gồm hệ
thống điều khiển giải trí tại gia – loa cơng suất khác nhau, hệ thống điện thoại, liên
lạc nội bộ, hệ thống tưới nước... Các chức năng này có thể được thực hiện nhờ các
thiết bị trong nhà được kết nối với nhau để hệ thống máy tính trung tâm có thể theo
dõi các trạng thái và ra các quyết định điều khiển phù hợp.
Nhà thơng minh đã được hình dung trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng
từ nhiều năm nhưng nó chỉ trở thành hiện thực kể từ thế kỷ 20 sau sự phát triển rộng

rãi của điện và những tiến bộ nhanh chóng của cơng nghệ thơng tin, theo Wikipedia.
2.1.2. Các thành phần của nhà thông minh.
Các thành phần của hệ thống nhà thông minh bao gồm các cảm biến (như
cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng hoặc do cử chỉ), các bộ điều khiển hoặc máy
chủ và các thiết bị chấp hành khác. Nhờ hệ thống cảm biến, các bộ điều khiển và
Page 13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
máy chủ có thể theo dõi các trạng thái bên trong ngồi nhà để đưa ra các quyết định
điều khiển các thiết bị chấp hành một cách phù hợp nhằm đảm bảo môi trường sống
tốt nhất cho con người.

Hình 2. 1. Các thành phần cơ bản của hệ thống nhà thông minh

2.2. Hệ thống giám sát dùng cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
Hệ thống giám sát là tập hợp các thiết bị quản lí gồm các sensor và camera
đưa thông tin về cho Cloud- nơi lưu trữ các thông số của nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,
mưa, gió…. Từ đó, người dùng có thể thấy được trực quan hơn về điều kiện địa
điểm cần theo dõi một cách cụ thể.

Page 14


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 là cảm biến rất thơng dụng hiện nay vì
chi phí rẻ và lấy dữ liệu dễ dàng thơng qua giao tiếp 1 wire (giao tiếp digital 1 dây
truyền dữ liệu duy nhất). Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp có
được dữ liệu chính xác mà khơng phải qua bất kỳ tính tốn nào.

Hình 2. 2. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11

Thông số kỹ thuật:
 Điện áp hoạt động: 3-5.5V DC
 Ngưỡng độ ẩm: 20 - 90%
 Sai số độ ẩm: ± 5%
 Ngưỡng nhiệt độ: 0 - 55oC
 Sai số nhiệt độ: ± 2oC
Nguyên lý hoạt động: để giao tiếp được với DHT11 cần thực hiện theo hai
bước:
 Bước 1: Gửi tín hiệu Start
o MCU thiết lập chân DATA là output, kéo chân DATA xuống 0 trong
khoảng thời gian > 18ms, khi đó DHT11 sẽ hiểu MCU muốn đo giá
trị nhiệt độ và độ ẩm
o MCU đưa chân DATA lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào
o Sau khoảng 20-40us, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống mức thấp.
Nếu t > 40ms mà không kéo được xuống thấp nghĩa là không giao
tiếp được với DHT11.

Page 15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
o Chân DATA sẽ ở mức thấp trong 80us sau đó nó lại được kéo lên mức
cao trong 80us. Q trình giao tiếp với DHT11 hồn tất.
 Bước 2: Đọc giá trị trên DHT11: giá trị gồm 5 byte dữ liệu
o Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm (%)
o Byte 2: giá trị phần thập phân của độ ẩm (%)
o Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ (oC)
o Byte 4: giá trị phần thập phân của nhiệt độ (oC)

o Byte 5: kiểm tra tổng (Nếu Byte 5 = Byte 1 + Byte 2 + Byte 3 +
Byte4) thì giá trị đo được là chính xác.2.1.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
DHT11
2.3 Hệ thống điều khiển
Tích hợp mạch điện tử với MCU là Esp8266 để thực hiện các công viêc cần
làm.
2.3.1 Giới thiệu
Esp8266 là một wifi SOC được phát triển bởi công ty Trung Quốc Espressif
Systems. Esp8266 được tích hợp đầy đủ các tính năng về internet với kích thước rất
nhỏ gọn với mức giá rất rẻ. Bên trong Esp8266 có sẵn một lõi vi xử lý nên có thể
trực tiếp lập trình cho nó mà khơng cần bất kỳ một con vi xử lý nào nữa.

Hình 2. 3. Module wifi Esp8266

2.3.2 Thơng số kỹ thuật
 32-bit RISC CPU: Tensilica LX106 hoạt động với 80MHz
 Chip nạp CP2102

Page 16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP











64 Kb instruction RAM, 96 Kb data RAM
QSPI flash ngoài: 512 Kb
IEEE 802.11b/g/n WiFi
WiFi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2
16 chân GPIO
Hỗ trợ SPI, I2C, I2S, UART, ADC
Chuẩn điện áp hoạt động: 3.3V DC
Dải nhiệt độ hoạt động: -40 oC - 125 oC
Sơ đồ chân:

Hình 2. 4. Sơ đồ chân của Esp8266

2.3.3 Giao tiếp với Esp8266
Để giao tiếp giữa máy tính với Esp8266 cần chuẩn bị:
 Esp8266
 USB – UART PL2303
 Arduino IDE
Nối dây:
Page 17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Bảng 2. 1. Sơ đồ nối chân giữa Esp8266 và PL2303

PL2303
ESP8266
RX
TX

TX
RX
3.3V
VCC và CH_PD
GND
GND
Sử dụng tập lệnh AT. Mở Serial trên Arduino IDE lên và chọn tốc độ Baud
phù hợp. Một vài lệnh AT cơ bản và quan trọng:
Bảng 2. 2. Một số lệnh AT cơ bản của Esp8266

Cú pháp
AT

Mục đích
Kiểm tra lệnh, ln trả về

AT+RST
AT+GMR

“OK”
Reset module
Truy vấn phiên bản firmware

AT+CWMODE=<mode>

Cài đặt chế độ

AT+CIPMUX

Cài đặt số lượng kết nối

AT+CWJAP=<ssid>,sword>

Kết nối tới một mạng wifi

Ghi chú

1 – station, 2 – access
point, 3 – both
0 – 1 kênh, 1 – nhiều
kênh
AT+CWJAP=”bkfet”,”
12345678”
Chan: channel
Enc: encryption (0-

AT+CWSAP=<ssid>,
Cài đặt các thông số cho

Open, 1-WEP,2-

sword>,<chan>,<enc>

Access Point

WPA_PSK,3WPA2_PSK, 4WPA_WPA2_PSK)

AT+CIFSR

AT+CWQAP

Xem địa chỉ IP của module
Đóng kết nối tới một Access
Point

Ngồi những lệnh AT cơ bản này ra cịn rất nhiều lệnh AT khác. Với việc sử
dụng tập lệnh AT, ta có thể dễ dàng tương tác với Esp8266.

Page 18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
2.3 Bộ giao thức truyền thông TCP/IP
2.4.1 Giới thiệu về TCP/IP
Bộ giao thức TCP/IP được phát triển từ mạng ARPANET và Internet và được
dùng như giao thức mạng và vận chuyển trên mạng Internet. TCP là giao thức thuộc
tầng vận chuyển và IP là giao thức thuộc tầng mạng của mơ hình OSI.
Giao thức TCP:
 Là giao thức hướng kết nối nghĩa là khi muốn truyền dữ liệu thì phải thiết
lập kết nối trước.
 Hỗ trợ cơ chế full-duplex ( truyền và nhận dữ liệu cùng một lúc)
 Cung cấp cơ chế báo nhận: khi A gửi dữ liệu cho B, B nhận được thì gửi
gói tin cho A xác nhận là đã nhận. Nếu không nhận được tin xác nhận thì
A sẽ gửi cho đến khi B báo nhận thì thơi.
 Phục hồi dữ liệu bị mất trên đường truyền (A gửi B mà không thấy xác
nhận sẽ gửi lại).
 Là giao thức với độ tin cậy cao nên TCP Header rất phức tạp.

Hình 2. 5. Cấu trúc gói tin TCP Header

 32 bit sequence number: dùng để đánh số thứ tự gói tin (từ số sequence
nó sẽ tính ra được số byte đã được truyền).
 32 bit acknowledgement number: dùng để báo nó đã nhận được gói tin
nào và nó mong nhận được byte mang số thứ tự nào tiếp theo.

Page 19


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
 4 bit header length: cho biết toàn bộ header dài bao nhiêu Word(1 Word =
4 byte).
 Phần kí tự (trước 16 bit Window Size): là các bit dùng để điều khiển cờ
(flag) ACK, cờ Sequence …
 16 bit urgent pointer: được sử dụng trong trường hợp cần ưu tiên dữ liệu
(kết hợp với bit điều khiển URG ở trên).
Giao thức IP:
 Là một giao thức kiểu khơng liên kết có nghĩa là khơng cần có giai đoạn
thiết lập liên kết trước khi truyền dữ liệu.
 Mỗi giao diện trong 1 máy có hỗ trợ giao thức IP đều phải được gán 1 địa
chỉ IP.
 Địa chỉ IP gồm hai phần: địa chỉ mạng và địa chỉ máy.
 Người ta phân địa chỉ IP ra thành 5 lớp: A,B,C,D,E trong đó lớp A,B,C
chứa địa chỉ có thể gán được, lớp D dành riêng cho lớp kỹ thuật
multicasting, lớp E được dành những ứng dụng trong tương lai.
Xét cấu trúc của các lớp địa chỉ có thể gán được là lớp A, lớp B, lớp C
Bảng 2. 3. Địa chỉ lớp A

Netid
0xxxxxxx

Host
xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx
Bảng 2. 4. Địa chỉ lớp B

Netid
10xxxxxx xxxxxxxx

Host
xxxxxxxx xxxxxxxx

Bảng 2. 5. Địa chỉ lớp C

Netid

Host

110xxxxx xxxxxxxx xxxxx
xxxxxxxx
Đơn vị dữ liệu dùng trong IP được gọi là gói tin (datagram), có khn dạng
như sau:

Page 20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 2. 6. Datagram của IP

Trong đó:

 Version (4 bits): chỉ version hiện hành của giao thức IP hiện được cài đặt,
việc có chỉ số version cho phép có các trao đổi giữa các hệ thống sử dụng
version cũ và hệ thống sử dụng version mới.
 IHL (4 bits): chỉ độ dài phần đầu của gói tin datagram, tính theo đơn vị từ
(32 bits). Trường này bắt buột phải có vì phần đầu IP có thể có độ dài
thay đổi tùy ý. Độ dài tối thiểu là 5 từ (20 bytes), độ dài tối đa là 15 từ
hay là 60 bytes.
 Type of service (8 bits): đặc tả các tham số về dịch vụ nhằm thông báo
cho mạng biết dịch vụ nào mà gói tin muốn được sử dụng, chẳng hạn ưu
tiên, thời hạn chậm trễ, năng suất truyền và độ tin cậy.
 Total Length (16 bits): chỉ độ dài tồn bộ gói tin, tối đa 65536 bytes.
 Identification (16 bits): tham số này dùng để định danh duy nhất cho một
datagram trong khoảng thời gian nó vẫn còn trên liên mạng.
 Flags (3 bits): thể hiện sự phân đoạn (fragment) của datagram.
 Fragment offset (13 bits): chỉ vị trí của đoạn (fragment) ở trong datagram
tính theo đơn vị 8 bytes, có nghĩa là phần dữ liệu mỗi gói tin (trừ gói tin
cuối cùng) phải chứa một vùng dữ liệu có độ dài là bội số của 8 bytes.
 Time to live (8 bits): quy định thời gian tồn tại (tính bằng giây) của gói
tin trong mạng để tránh tình trạng một gói tin bị lặp vơ hạn trên mạng.
 Protocol (8 bits): chỉ giao thức tầng trên kế tiếp sẽ nhận vùng dữ liệu ở





trạm đích (hiện tại thường là TCP hoặc UDP được cài đặt trên IP).
Header checksum (16 bits): mã kiểm soát lỗi của header gói tin IP.
Source address (32 bits): địa chỉ của máy nguồn.
Destination address (32 bits): địa chỉ của máy đích.
Options (độ dài thay đổi): khai báo các lựa chọn do người gửi yêu cầu.

Page 21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
 Padding (độ dài thay đổi): vùng đệm, được dùng để đảm bảo cho phần
header luôn kết thúc ở một mốc 32 bits.
 Data (độ dài thay đổi): vùng dữ liệu có độ dài là bội của 8 bits, tối đa là
65535 bytes.
Hiện nay các máy tính của hầu hết các mạng có thể sử dụng giao thức
TCP/IP để liên kết với nhau thông qua nhiều hệ thống mạng với kỹ thuật khác nhau.
Giao thức TCP/IP thực chất là một họ giao thức cho phép các hệ thống mạng cùng
làm việc với nhau thông qua việc cung cấp phương tiện truyền thông liên mạng.
2.4.2 Kiến trúc của TCP/IP
TCP/IP được xem là giản lược của mơ hình tham chiếu OSI với bốn tầng như
sau:

Hình 2. 7. Các tầng của TCP/IP

 Tầng liên kết mạng (Network Access Layer): là tầng thấp nhất trong mơ
hình TCP/IP, bao gồm các thiết bị giao tiếp mạng và chương trình cung
cấp các thơng tin cần thiết để có thể hoạt động, truy nhập đường truyền
vật lý qua thiết bị giao tiếp mạng đó.
 Tầng Internet (Internet Layer): còn gọi là tầng mạng, xử lý qua trình
truyền gói tin trên mạng. Các giao thức của tầng này bao gồm: IP, ICMP,
IGMP.
 Tầng giao vận (Host-to-Host Transport Layer): Tầng giao vận phụ trách
luồng dữ liệu giữa hai trạm thực hiện các ứng dụng của tầng trên. Tầng
này có hai giao thức chính TCP và UDP.
 Tầng ứng dụng (Application Layer): là tầng trên cùng của mơ hình
TCP/IP bao gồm các tiến trình và các ứng dụng cung cấp cho người sử

dụng để truy cập mạng.

Page 22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
2.4.3 So sánh giữa TCP/IP và OSI

Hình 2. 8. Sự khác nhau ở các tầng giữa TCP/IP và OSI

Ta thấy tại các tầng khác nhau dữ liệu được mang những thuật ngữ khác
nhau.
 Tầng ứng dụng (Application Layer) trong mơ hình TCP/IP bao gồm ln
cả 3 tầng trên của mơ hình OSI.
 Tầng liên kết mạng (Network Access Layer) bao gồm 2 tầng dưới cùng
của mơ hình OSI.
 Tầng giao vận trong mơ hình TCP/IP khơng phải luôn đảm bảo độ tin cậy
của việc truyển tin như ở trong tầng giao vận của mơ hình OSI, nên
TCP/IP cho phép truyền tin cậy TCP hoặc không tin cậy UDP.
2.5 Kết luận
Trong chương 2 của báo cáo này, các cơ sở lý thuyết bao gồm: Công nghệ
IoT, hệ thống giám sát, hệ thống điều khiển được trình bày một cách rõ ràng. Đây là
nền tảng lý thuyết chủ đạo liên quan đến đề tài, đã được nghiên cứu rất kĩ và sẽ áp
dụng trong quá trình thực hiện đề tài này. Trên cơ sở lý thuyết này để xây dựng,
thiết kế hệ thống theo đúng yêu cầu mà đề tài đã đưa ra.

Page 23


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG III. TỔNG QUAN HỆ THỐNG

Hình 3. 1. Mơ hình IoT

Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật các sản phẩm thơng minh, mang
tính automatic lần lượt ra đời. Và gần nhất với sự ra đời của SmartHome của BKAV
thách thức đặt ra cho các sản phẩm cạnh tranh là tính mới và vượt bậc. Vì vây, để
vấn đề điều khiển hệ thống khơng giới hạn không gian của IoT là sự lựa chọn hợp lí
và đạt tính khả thi cao. (SmartHome: điều khiển thiết bị giới gian không gian local).
Ưu điểm:
 Không giới hạn khơng gian, có thể kiểm sốt mọi thiết bị chỉ cần phương
tiện kết nối Internet.
 Với biểu đồ phân tích dữ liệu thời gian thực, người dùng có thể thấy được
trạng thái của thiết bị tại mọi thời điểm để có thể đưa ra được những u
cầu hợp lí cho hệ thống.
Nhược điểm:
 Do các thiết bị giao tiếp thông qua hệ thông Internet chung nên tốc độ
đường truyền sẽ ảnh hưởng tới quá trình cập nhật và điều khiển thiết bị.
(Disconnect khi Internet bị ngắt).
 Giới hạn không gian được giải quyết nên dẫn truyền thông tin ra xa sẽ rất
lớn. Vì vậy vấn đề bảo mật sẽ là mối trở ngại cho hệ thống.
Với IoT, khi mọi thứ được kết nối thì kiểm sốt nó sẽ là vấn đề được đặt ra.
Vì vậy, 3 phần chính cho hệ thống sẽ đem đến sự hợp lí:
Page 24