Xây dựng hệ thống quản lý tiên tiến cho môi trường cảm thụ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÍ TIẤN TIẾN
CHO MỄI TRƯỜNG CẢM THỤ
NGÀNH : XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
MÃ SỐ:23.04.3898
NGUYỄN QUANG HUY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG

HÀ NỘI 2007


NGUYỄN QUANG HUY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
XỬ LÝ THÔG TIN VÀ TTRUYỀN THÔNG

NGÀNH : XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
.04.3898

NGUYỄN QUANG HUY

2005 - 2007
HÀ
NỘI
2007

HÀ NỘI 2007


Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thông

Lời cam đoan
Đề tài luận văn của tôi là: “Xây dựng hệ thống tiên tiến cho môi
trường cảm thụ”. Luận văn bao gồm các vấn đề sau:
•

Phần 1: Giới thiệu trung tâm Mica và dự án Siam2

•

Phần 2: Các cơng nghệ sử dụng

•

Phần 3: Lựa chọn, tính tốn và thiết kế hệ thống

•

Phần 4: An tồn vả bảo mật trong Bluetooth

Tơi xin cam đoan luận văn này do chính tôi làm dưới sự hướng dẫn
của TS. Nguyễn Thị Lan Hương
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2007

Học viên

Nguyễn Quang Huy

Nguyễn Quang Huy

1


Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thơng

Lời nói đầu
Ngành Xử lý thơng tin và truyền thơng là một trong những ngành quan trọng
trong chương trình đào tạo cao học của khoa công nghệ thông tin trường đại học Bách
Khoa Hà Nội. Ngành học cung cấp cho chúng tôi, những học viên cao học những lý
thuyết cơ bản về công nghệ truyền thông và ứng dụng trong thực tế.
Ngày nay, cùng sự phát triển của các lĩnh vực khoa học kỹ thuật, các công nghệ
mới với mục đích nâng cao chất lượng sống của con người cũng phát triển rất mạnh mẽ.
Cuộc sống con người giờ đây trở nên dễ dàng, thuận tiện và thoải mái hơn bao giờ hết với

sự hỗ trợ của các thiết bị công nghệ tiên tiến. Các thiết bị, hệ thống phục vụ con người
hiện nay hướng tới tính tự động hố cao, có khả năng tương tác thơng minh giữa các thiết
bị trong hệ thống. Các thiết bị cảm biến, thiết bị điều khiển có xu hướng liên kết với nhau
thành mạng lưới có khả năng tương tác với nhau, sử dụng chung một cơ sở dữ liệu và hệ
thống điều khiển trung tâm, tạo sự thống nhất trong việc thu thập dữ liệu từ đó đưa ra các
quyết định điều khiển hợp lý với mục đích tạo hiệu quả tối ưu cho hệ thống.
Xuất phát từ nhu cầu đó nhiều công ty, trường đại học lớn trên thế giới đã tập
trung vào việc nghiên cứu về môi trường tương tác này, thường được gọi là môi trường
cảm thụ và các thiết bị có khả năng tương tác thường được biết đến với cái tên Smart
Device - thiết bị thông minh. Một ví dụ đơn giản và dễ hình dung nhất của việc ứng dụng
một mạng lưới các thiết bị thơng minh đó là một Smart House – ngơi nhà thơng minh, nơi
mà hệ thống có một mạng lưới các thiết bị cảm biến từ đơn giản như nhiệt độ, độ ẩm đến
phức tạp như video thu thập các dữ liệu trong mơi trường, từ đó tự động đưa ra các chế
độ điều khiển thích hợp.
Trung tâm MICA cũng có một dự án nghiên cứu về đề tài này, đó là dự án
SIAM2. Trong quá trình tham gia dự án, tơi có nhiệm vụ tìm hiểu về “Xây dựng hệ
thống tiên tiến cho môi trường cảm thụ”. Báo cáo tập trung chủ yếu vào nghiên cứu lý
thuyết cơ bản về mơ hình các ngơi nhà thơng minh nhằm giải thích hiện tượng và ứng
dụng của các giao thức truyền thông trong thực tế và đặc biệt là các giao thức truyền
thông không dây. Nội dung của luận văn sẽ tập trung vào việc nghiên cứu các giao thức
truyền thông phổ biến hiện tại như công nghệ Wifi, Bluetooth và sau đó sẽ ứng dụng các
giao thức truyền thơng đó vào bài tốn cụ thể nhằm mục đích điều khiển và thu nhận
thông tin của môi trường sử dụng công nghệ truyền thông không dây.
Nguyễn Quang Huy

2


Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thông

Nội dung của luận văn gồm bốn phần như sau:
•
•
•
•

Phần 1: Giới thiệu trung tâm Mica và dự án Siam2
Phần 2: Các công nghệ sử dụng
Phần 3: Lựa chọn, tính tốn và thiết kế hệ thống
Phần 4: An tồn vả bảo mật trong Bluetooth

Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Thị Lan Hương, người đã truyền đạt
những kiến thức bổ ích cũng như định hướng đề tài cho tôi. Với đề tài này, tôi đã được
củng cố và đào sâu thêm những kiến thức đã học. Tuy nhiên, do xúc với hướng những
kiến thức mới và hiện đại, do sự hiểu biết còn hạn chế nên chắc chắn luận văn cịn nhiều
thiếu sót, tơi rất mong nhận được sự chỉ bảo và góp ý của thầy cơ giáo, bạn bè cũng như
các thành viên trong lớp cao học Xử lý thơng tin và truyền thơng khố 2005.
Em xin chân thành cám ơn!
Học viên thực hiện

Nguyễn Quang Huy

3


Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thông

Các thuật ngữ sử dụng trong luận văn
STT
1.
2.

Thuật ngữ
MICA
SIAM2

3.
PSoC
4.
GPIO
5.
GDI
6.
GIO, GIE
7. GOO, GOE
8.
ISM
9.
MAC
10.
ACL
11.
SCO
12.
SPP
13.

MUX
14.
ADC
15.
DAC
16.
PWM
17.
PGA
18.
UART
19.
LCD
20.
USB
21.
SPP
22.
ASP

Nguyễn Quang Huy

Ý nghĩa
Multimedia Information, Communcation and Applications
Systèmes Intelligents pour Applications MultiMédia Smart Interactive Ambient Modules
Programable System on Chip
General Purpose I/O
Global Digital Interconnect
Global Input Odd, Global Input Even
Global Output Odd, Global output Even

Industrial, Scientific, Medical
Media Access Control
Asynchronous Connectionless
Synchronous connection-oriented
Serial Port Protocol
Multiplexer
Analog-to-Digital Converter
Digital-to-Analog Converter
Pulse Width Modulation
Programmable Gain Amplifier
Universal Asynchronous Receiver/Transmitter
Liquid Crystal Display
Universal Serial Bus
Serial Port Protocol
Active Server Pages

4


Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thơng

Mục lục

Lời cam đoan ........................................................................................................................ 1
Lời nói đầu ............................................................................................................................ 2
Các thuật ngữ sử dụng trong luận văn .............................................................................. 4
Mục lục.................................................................................................................................. 5
Danh sách hình vẽ ................................................................................................................ 7

Phần 1 Trung tâm Mica và dự án Siam2 ................................................. 8
1.1.
Trung tâm nghiên cứu Mica ............................................................................ 8
1.1.1.
Lịch sử .................................................................................................... 8
1.1.2.
Mục tiêu của trung tâm ........................................................................... 8
1.1.3.
Các nhóm nghiên cứu ............................................................................. 9
1.1.4.
Vị trí trung tâm........................................................................................ 9
1.2.
Dự án ngôi nhà thông minh ............................................................................ 9
1.2.1.
Bối cảnh .................................................................................................. 9
1.2.2.
Các ngơi nhà thơng minh điển hình ...................................................... 10
1.2.3.
Một số loại nhà thơng minh hiện có...................................................... 14
1.3.
Mơi trường cảm thụ Siam ............................................................................. 18
1.4.
Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn .............................................................. 20

Phần 2 Công nghệ sử dụng ...................................................................... 22
2.1.
Thiết bị đầu cuối ........................................................................................... 22
2.1.1.
Nhiệm vụ............................................................................................... 22

2.1.2.
Công nghệ sử dụng ............................................................................... 22
2.1.3.
Chức năng, ứng dụng của bài tốn ........................................................ 22
2.2.
Cơng nghệ Bluetooth .................................................................................... 23
2.2.1.
Lịch sử ra đời ........................................................................................ 23
2.2.2.
Bluetooth là gì ....................................................................................... 23
2.2.3.
Các đặc điểm của Bluetooth ................................................................. 23
2.2.4.
Các khái niệm ....................................................................................... 24
2.2.5.
Cách thức hoạt động của Bluetooth ...................................................... 29
2.3.
Chip PSOC và ứng dụng trong bài toán ........................................................ 37
2.3.1.
Sơ đồ cấu trúc PSOC ............................................................................ 37
2.3.2.
Các khối trong khối tương tự ................................................................ 43

Phần 3 Lựa chọn tính tốn thiết kế ......................................................... 49
3.1.
Sơ đồ khối hệ thống ...................................................................................... 49
3.1.1.
Sơ đồ khối chi tiết ................................................................................. 51
3.2.
Thiết kế chi tiết phần cứng............................................................................ 52

3.2.1.
Cảm biến ............................................................................................... 52
3.2.2.
Các khối chức năng PSoC sử dụng cho thiết kế ................................... 54
3.2.3.
Khối điều khiển LCD ............................................................................ 55
3.2.4.
Bộ điều khiển đường truyền MAX232 ................................................. 57
3.3.
Sơ đồ nguyên lý ............................................................................................ 57
3.4.
Thiết kế phần mềm........................................................................................ 59
Nguyễn Quang Huy

5


Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thông

3.4.1.
Lưu đồ hoạt động .................................................................................. 59
3.4.2.
Giao diện trên máy tính......................................................................... 62
3.5.
Chạy thử nghiệm và đánh giá hệ thống ........................................................ 63

Phần 4 Vấn đề an toàn và bảo mật trong Bluetooth ............................. 65
4.1.

Sơ lược về vấn đề bảo mật trong các chuẩn không dây ................................ 65
4.1.1.
Sơ lược chuẩn bảo vệ không dây trong 802.11 ..................................... 65
4.1.2.
Chuẩn bảo mật Web trong IEEE 802.11 ............................................... 65
4.1.3.
Những vấn đề nảy sinh trong an ninh mạng khơng dây........................ 66
4.2.
Quy trình bảo mật trong Bluetooth ............................................................... 68
4.2.1.
An toàn và bảo mật trong Bluetooth ..................................................... 68
4.2.2.
Yếu điểm của mạng không dây............................................................. 69
4.3.
Bảo mật trong hệ thống Siam2...................................................................... 76
4.4.
Sản phẩm ....................................................................................................... 78
Kết luận và hướng phát triển ............................................................................................ 79
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 80

Nguyễn Quang Huy

6


Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thơng

Danh sách hình vẽ

Hình 1: Nhà thơng minh Gamma ...................................................................................... 15
Hình 2: Tổng quát Siam .................................................................................................... 17
Hình 3: Sơ đồ khối chức năng Siam ................................................................................. 19
Hình 4: Một Piconet trong thực tế. .................................................................................. 25
Hình 5: Một Scatternet bao gồm 2 Piconet ....................................................................... 27
Hình 6: Sự hình thành một Scatternet theo cách 1 ............................................................ 27
Hình 7: Sự hình thành một Scatternet theo cách 2 ............................................................ 28
Hình 8: Mơ hình Piconet ................................................................................................... 31
Hình 9: Quá trình truy vấn tạo kết nối .............................................................................. 32
Hình 10: Minh họa một Scatternet .................................................................................... 33
Hình 11: Các tầng giao thức trong Bluetooth ................................................................... 33
Hình 12: Sơ đồ khối chức năng của Psoc ......................................................................... 38
Hình 13: Sơ đồ bố trí chân của chip Psoc ......................................................................... 39
Hình 14: Cấu trúc một khối GPIO .................................................................................... 40
Hình 15: Kết nối trực tiếp Strong ..................................................................................... 41
Hình 16: Kết nối Analog Hi_z .......................................................................................... 42
Hình 17: Kết nối Open drain............................................................................................. 42
Hình 18: Các khối số khả trình trong Psoc ....................................................................... 44
Hình 19: Các tín hiệu bên trong Psoc ............................................................................... 47
Hình 20: Chế độ SMP ....................................................................................................... 48
Hình 21: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống .................................................................. 50
Hình 22: Sơ đồ khối chi tiết .............................................................................................. 51
Hình 23: Sơ đồ mạch cảm biến LM335 ............................................................................ 53
Hình 24: LCD 16x2 ......................................................................................................... 56
Hình 25: Chức năng các chân của LCD charracter 16x2................................................. 57
Hình 26: Chip Max232 của hãng Maxim ........................................................................ 57
Hình 27: Lưu đồ thiết lập kết nối server với mạch đo ...................................................... 60
Hình 28: Lưu đồ thu thập dữ liệu và hiển thị .................................................................... 61
Hình 29: Thuật tốn phần mềm trên Psoc......................................................................... 61

Hình 31: Thiết lập cổng COM .......................................................................................... 62
Hình 32: Giao diện chương trình ...................................................................................... 62
Hình 33: Hai phương thức truy cập mạng WLAN ........................................................... 65
Hình 34: Khóa WEP tĩnh được chia sẻ cho AP và các Client trong mạng ....................... 66
Hình 35: Mạng WLAN và các thiết bị xâm nhập ............................................................. 67
Hình 36: Card mạng với khóa Web bên trong .................................................................. 67
Hình 37: Q trình xác nhận kênh truyền ......................................................................... 71
Hình 38: Tạo khóa Bluetooth từ PIN ................................................................................ 73
Hình 39: Xác thực trong Bluetooth ................................................................................... 74
Hình 40: Q trình mã hóa Bluetooth ............................................................................... 75
Hình 41: Mật khẩu khi kết nối Bluetooth ......................................................................... 77
Hình 42: Mạch đo nhiệt độ sử dụng Bluetooth ................................................................. 78
Hình 43: Sản phẩm sau khi đóng hộp ............................................................................... 78

Nguyễn Quang Huy

7


Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thông

Phần 1 Trung tâm Mica và dự án Siam2
1.1.

Trung tâm nghiên cứu Mica

1.1.1.

Lịch sử

Từ năm 1982 đến nay, Viện Đại học Bách Khoa Quốc gia Grenoble giữ một vai
trò quan trọng trong quan hệ hợp tác Pháp Việt về khoa học kỹ thuật với ba trường Đại
học Bách khoa Việt Nam. Trong vòng hơn 20 năm qua, Grenoble đã đón nhận khoảng
350 thực tập sinh Việt Nam sang học tập và nghiên cứu tại Pháp, trong đó có hơn một
trăm cán bộ khoa học đã được nhận bằng Tiến sĩ. Năm 1996, Viện Đại học Bách Khoa
Quốc gia Grenoble, một trong sáu trường Đại học lớn của Pháp, đã tham gia xây dựng
chương trình đào tạo các kĩ sư chất lượng cao tại Việt Nam (P.F.I.E.V)
Tháng 9/1999, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (ĐHBKHN), một trong bốn
Trường Đại học ở Việt Nam tiến hành thực hiện chương trình P.F.I.E.V. Năm 1996,
trường ĐHBKHN tổ chức hai chương trình đào tạo cao học về Xử lý tín hiệu có trình độ
hội nhập quốc tế: Cao học về Đo lường và các Hệ thống điều khiển (ISC) và Cao học về
Xử lí Thơng tin và Truyền thơng (TIC). Hai chương trình này bắt đầu đi vào hoạt động từ
tháng 10 năm 1999.
Tuy nhiên, không thể thiếu các hoạt động nghiên cứu khoa học công nghệ trong
hoạt động đào tạo của một trường đại học. Do đó, ngay từ khi bắt đầu chương trình hợp
tác giữa các trường Đại học Pháp và Việt Nam, chúng tôi đã nhận ra rằng lĩnh vực Giáo
dục và Đào tạo cần được bổ sung bằng các hoạt động nghiên cứu khoa học cơ bản và
khoa học ứng dụng có sự bàn bạc và đầu tư thời gian. Mục đích chính của đề tài hợp tác
giữa Trường ĐHBKHN, Trường ĐHBK Grenoble, và Trung tâm Nghiên cứu Khoa học
Quốc gia Pháp là thành lập một phịng thí nghiệm chuyên về nghiên cứu xử lý tín hiệu và
các hệ thống thơng tin đa phương tiện tại Hà Nội. Vì vậy dự án thành lập phịng thí
nghiệm này trở thành một điều khoản trong chương trình hợp tác nghiên cứu.
Trung tâm Nghiên cứu Quốc tế về Thông tin đa phương tiện, Truyền thông và
Ứng dụng (tên tiếng Anh gọi tắt là MICA) được thành lập vào năm 2001 nhằm đáp ứng
nhu cầu phát triển Công nghệ thông tin ở Việt Nam.

1.1.2.

Mục tiêu của trung tâm

Sự phát triển của kỹ thuật xử lý thơng tin giữ vai trị then chốt đối với việc phát
triển kinh tế, xã hội của mỗi quốc gia, đặc biệt đối với các nước đang phát triển. Chính vì
vậy, tháng 08/2000, chính phủ Việt Nam đã quyết định ưu tiên phát triển các lĩnh vực
công nghệ thông tin và công nghiệp phần mềm trong các ngành công nghiệp và trong
giáo dục. Chính phủ đã dành khoảng 500 triệu đôla Mỹ để đầu tư, phát triển lĩnh vực này
Nguyễn Quang Huy

8


Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thông

trong 5 năm tới. Trung tâm nghiên cứu quốc tế MICA được thành lập hoàn toàn phù hợp
với định hướng ưu tiên phát triển của các nhà lãnh đạo Việt Nam. Sự ra đời của Trung
tâm MICA một mặt, nhằm đáp ứng những đòi hỏi cấp thiết liên quan tới sự phát triển của
công nghệ thông tin và tin học cơng nghiệp, mặt khác cũng là để góp phần vào công cuộc
phát triển của Việt Nam trong lĩnh vực công nghiệp và đào tạo.
Với tư cách là một Trung tâm Nghiên cứu, Phịng thí nghiệm MICA đặt ra 4 mục
tiêu lớn trong lĩnh vực kỹ thuật nói trên:
•
Phát triển các hoạt động nghiên cứu có chất lượng
•
Kiểm định các kết quả nghiên cứu cơ bản thông qua triển khai các phần cứng
và phần mềm ứng dụng
•
Chuyển giao kiến thức và kỹ năng chuyên môn cho sinh viên, các cán bộ

giảng dạy ở các trường đại học, đặc biệt là cho các cán bộ làm việc trong
ngành công nghiệp, trợ giúp và cùng với họ phát triển các phần cứng, phần
mềm mà hiện nay cịn nhiều khiếm khuyết.
•
Đạt trình độ nghiên cứu, đào tạo có uy tín quốc tế.

1.1.3.

Các nhóm nghiên cứu
Trung tâm MICA có hai nhóm nghiên cứu chính :
•
Nhóm TIM ( Xử lí thơng tin đa phương tiện) có nhiệm vụ phát triển các hoạt
động nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực tiếng nói, hình ảnh và thơng tin đa
phương tiện.
•
Nhóm SIA (Các hệ thống đo lường nâng cao) có nhiệm vụ phát triển các
hoạt động nghiên cứu ứng dụng với các nhà công nghiệp Việt Nam trong lĩnh
vực đo lường tiên tiến và cùng với họ phát triển các sản phẩm trình độ cao dựa
trên xử lý tự chủ di động và phân tán.
Hai nhóm nghiên cứu trên sẽ hợp tác chặt chẽ và bổ sung lẫn nhau.

1.1.4.

Vị trí trung tâm

Trung tâm ở tầng 4, nhà C10, Đại học Bách Khoa Hà Nội, số 01 đường Đại Cồ
Việt, Hà Nội

1.2.

Dự án ngôi nhà thông minh

1.2.1.

Bối cảnh

Sự xuất hiện của điện toán phân tán (pervasive computing) đang làm thay đổi
cách xây dựng các ứng dụng. Hiện nay các ứng dụng thường được tách ra trên nhiều máy
tính sử dụng rất nhiều kiểu cấu hình, từ máy trạm cao cấp cho đến PDA. Từ thực tế này,
người ta đã phát triển một kiểu tiếp cận vấn đề mới, gọi là tin học ngữ cảnh (informatique
contextuelle) hay tin học phổ quát (informatique ubiquitaire), nhắm tới nhiều ứng dụng
khác nhau, tuỳ thuộc vào bối cảnh của người dùng. Kiểu tiếp cận này nhằm mục đích
ngầm cung cấp cho người dùng các dịch vụ hoặc ít nhất là các tương tác tối thiểu giữa
Nguyễn Quang Huy

9


Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thơng

người và máy tính. Ở đây các dịch vụ khơng cịn độc lập với vị trí của người dùng
và/hoặc môi trường của người dùng. Trái lại, chúng đem lại cho người dùng các dịch vụ
thích hợp với từng tình huống cụ thể của người dùng.

1.2.2.
1.2.2.1

Các ngôi nhà thông minh điển hình

Quan niệm về ngơi nhà thơng minh

Các thiết bị gia dụng như tủ lạnh, dụng cụ nấu bếp hay máy giặt đã trở nên thông
dụng đối với hầu hết các ngôi nhà. Chúng đem lại sự cải thiện lớn cho đời sống con
người và trở thành thành phần không thể tách rời đối với mỗi ngôi nhà. Những lợi ích từ
việc tự động hoá nhà rất được chú ý và việc sản xuất cũng như phát triển các thiết bị gia
dụng trở thành một lĩnh vực quan trọng trên thị trường. Các thiết bị điện tử hiện đại cũng
trở nên ngày càng thông dụng trong các ngôi nhà. Các thiết bị như TV, VCR, radio hay
các hệ thống âm thanh Hi-Fi trở thành nguồn giải trí rất thơng dụng và cũng trở thành
thành phần không thể thiếu đối với mỗi ngơi nhà. Sự phát triển của mơ hình các ngôi nhà
cũng gắn liền với sự phát triển của các thiết bị trong nó. Mọi người xem TV hay nghe
nhạc để thư giãn, để dành thời gian rảnh rỗi cho việc nghỉ ngơi và thưởng thức các bộ
phim trên các kênh ưa thích. Vấn đề duy nhất tồn tại là họ phải đứng dậy để điều khiển
trực tiếp trên các thiết bị. Do đó các thiết bị điều khiển từ xa đã được nghiên cứu và ngày
càng trở nên phổ biến, với các thiết bị điều khiển từ xa cuộc sống của con người trở nên
dễ dàng hơn rất nhiều. Bây giờ con người có thể nghỉ ngơi trên sofa, xem một bộ phim,
họ có thể điều chỉnh TV một cách dễ dàng mà không cần phải rời khỏi vị trí thoải mái
đang có. Một kết luận đơn giản có thể được đưa ra đó là việc làm cho cuộc sống của con
người ngày càng dễ dàng hơn chính là mục tiêu nghiên cứu và phát triển của khoa học kỹ
thuật áp dụng trong các ngôi nhà thông minh.
Xu hướng mới hiện nay đó là đơn giản hố việc sử dụng của ngơi nhà và các thiết
bị của nó. Ngày càng có nhiều hơn các thiết bị có thể điều khiển từ xa như đèn hay rèm
cửa sổ, bên cạnh đó cịn có các thiết bị điều khiển từ xa tích hợp chức năng của TV và
VCR hay DVD. Mơ hình của ngơi nhà được gọi là thơng minh sẽ được giới thiệu theo sự
phát triển của công nghệ, hiển nhiên cơng nghệ càng phát triển thì ngơi nhà sẽ càng
“thơng minh” hơn. Sẽ có sự khác biệt giữa các kiểu nhà và mỗi kiểu sẽ được mô tả một
cách chi tiết.
Cơng nghệ về Smart house có thể có những khía cạnh khác nhau trong những mơi
trường khác nhau. Một hệ thống các switch điều khiển các hệ thống thành phần (hệ thống
sưởi ấm, hệ thống ánh sáng hay điều hồ khơng khí) hoặc các thiết bị điện tử gia dụng là

một ví dụ của cơng nghệ được gọi là “smart”. Cả những ngôi nhà áp dụng công nghệ
thông minh nhân tạo để hỗ trợ con người sống trong đó và làm dễ dàng các công việc
hàng ngày của họ cũng thuộc vào nhóm cơng nghệ “smart”.
Nguyễn Quang Huy

10


Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thơng

Trên thế giới cũng đã có nhiều nghiên cứu để đưa ra một cơ sở chung về công
nghệ smart house, trong đó có đề cập đến việc phân loại mơ hình smart house, việc phân
loại này dựa vào mơ hình phát triển và mức độ ứng dụng cơng nghệ vào ngôi nhà. Việc
nghiên cứu tập trung vào các nhu cầu của mỗi loại nhà kết hợp với việc những lợi ích mà
mỗi loại nhà mang đến cho cuộc sống con người.

1.2.2.2

Phân loại nhà thơng minh

Nhà có thể điều khiển
Cho tới nay, những căn nhà thông minh không nhiều và phần lớn mọi người vẫn
phải bật đèn bằng tay. Mặc dầu vậy, sự thực là nhà ngày nay thông minh nhiều hơn so với
trước kia. Và nó có thể thơng minh hơn nữa! Chẳng hạn, nhiều ngơi nhà có một số máy
tính được kết nối với nhau để truy cập Internet, hoặc bằng cách sử dụng cáp hoặc công
nghệ không dây Wi-Fi. Đây là một bước tiến nhỏ hướng tới việc kết nối các thứ khác vào
mạng, từ tivi, máy nghe nhạc cho tới các thiết bị gia dụng khác. Như vậy, mọi người đã
có một ngơi nhà nối mạng, nền tảng của nhà thơng minh.

Là nhóm đầu tiên, trong đó các đồ dùng khác nhau trong nhà đều có thể điều
khiển được. Đó là một ngơi nhà mà người ở có thể điều khiển nhiều thiết bị khác nhau
bằng các cách hiệu quả và ưu việt hơn so với các ngơi nhà bình thường khác. Ta có thể
phân chia nhóm này thành ba lớp nhỏ phân biệt:
1. (Những ngơi nhà với một bộ điều khiển từ xa tích hợp). Trong ngôi nhà này
một số các hệ thống con và các thiết bị có thể được điều khiển từ một điều
khiển từ xa hay một bảng điều khiển. Đây có thể nói là mơ hình đơn giản và
thường gặp trong các ngơi nhà thơng thường hiện nay, và khơng địi hỏi quá
nhiều về kỹ thuật để có thể triển khai cơ sở hạ tầng cho ngôi nhà kiểu này. Chỉ
cần một giao tiếp từ xa có dây hoặc khơng dây được thiết lập giữa thiết bị và
bộ điều khiển. Một ví dụ cho cơng nghệ này đó là bộ điều khiển từ xa tích hợp
cho VCR và TV.
2. (Những ngơi nhà với các thiết bị liên kết với nhau). Các thiết bị điện tử khác
nhau như TV, VCR, radio, máy tính và các thiết bị phụ trợ như loa, màn hình
hiển thị, microphone hoặc camera được kết nối với nhau. Cấu trúc này cho
phép truyền thông trao đổi thông tin giữa các thiết bị và cho phép tiếp cận với
các phương tiện giải trí và dễ dàng giao tiếp giữa những người sống trong
những phịng khác nhau trong ngơi nhà. Để thực hiện được những chức năng
này cần phải có một mạng băng thông rộng trong ngôi nhà, cả công nghệ
khơng dây và có dây đều có thể thích hợp cho mục đích này.
3. (Những ngơi nhà điều khiển bằng giọng nói, hành động hay sự di chuyển của
con người). Cấu trúc này có thể tương tự như mơ hình ngôi nhà trong lớp đầu
tiên. Điều khác biệt duy nhất đó là thiết bị điều khiển được ẩn đi và có thể
phản ứng lại với tiếng nói, chuyển động hay các hành động của còn người.
Đối với việc triển khai và thực hiện cơ sở hạ tầng cho mơ hình nhà thuộc lớp
này thì khơng khó khăn gì khi triển khai phần cứng do thị trường hiện nay có
nhiều loại thiết bị cảm biến thu thập tiếng nói, chuyển động. Tuy nhiên vấn đề
khó khăn ở đây là phần mềm, việc xây dựng phần mềm thu thập và xử lý dữ
liệu và đưa ra tín hiệu điều khiển thực hiện lệnh địi hỏi khả năng lập trình
Nguyễn Quang Huy

11


Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thơng

chun sâu như xử lý tín hiệu, xử lý tiếng nói… Cơng nghệ được mơ tả ở đây
có thể tương tự như chức năng quay số bằng giọng nói trên các điện thoại hiện
đại hay giao tiếp với máy tính bằng giọng nói.
Nhà được lập trình sẵn
Là nhóm thứ hai của mơ hình Smart Houses. Cấu trúc này cho phép lập trình các
thiết bị trong nhà có thể bật, tắt hoặc điều chỉnh tuỳ thuộc và các điều kiện nhất định. Có
thể phân thành hai lớp con:
1. Ngơi nhà có khả năng phản ứng hay hoạt động theo thời gian và các cảm biến
đầu vào đơn giản. Lập trình hoạt động theo thời gian cho phép các thiết bị có thể tự động
bất hoặc tắt vào một thời gian nhất định, ví dụ đèn hành lang tự động bật lúc 18h và tự
động tắt lúc 6h. Còn điều khiển dựa trên cảm biến đầu vào có thể lấy ví dụ là một máy
điều nhiệt đơn giản, có khả năng tự động bật hoặc tắt khi nhiệt độ trong nhà đạt tới một
mức nào đó hoặc ví dụ như dựa vào một cảm biến ánh sáng để tự động bật đèn khi trời
tối. Về cơ bản hệ thống xử dụng dữ liệu truyền về từ một cảm biến tin cậy để gây ra sự
thay đổi trạng thái cho các thiết bị cần điều khiển. Để triển khai mơ hình này cần có các
loại cảm biến khác nhau và có độ tin cậy cao, điều này khơng khó vì các loại cảm biến
hiện nay rất phong phú và có độ ổn định cao.
2. Ngơi nhà có khả năng tự đánh giá và nhận biết các tình huống. Mơ hình này có
khả năng nhận biết đồng thời đầu vào từ một vài cảm biến như một kịch bản từ đó đưa ra
quyết định điều khiển dựa vào kịch bản tương ứng đó. Ví dụ con người cảm thấy mệt mỏi
sau khi làm việc, trở về nàh và ngồi xuống đi văng để nghỉ ngơi. Khi đó ngơi nhà có thể
tự động tắt bớt đèn và chơi một vài bản nhạc nhẹ nhàng để phục vụ cho con người.

Những kịch bản hoạt động của ngơi nhà cần được lập trình từ trước. Do được lập trình từ
trước nên mơ hình này chỉ có khả năng đáp ứng với những kịch bản có sẵn, khi có sự
thay đổi của mơi trường thì cũng cần phải có sự lập trình lại để tạo ra các kịch bản hoạt
động mới đáp ứng được với sự thay đổi đó. Với các chức năng của mơ hình này, điều
quan trọng và khó khăn nhất đó là cần phải có một phần mềm quản lý hoạt động ổn định,
đáng tin cậy để có thể phân tích tình huống một cách chính xác. Bên cạnh đó cần lập trình
sao cho các kịch bản trong bộ xử lý phải sát với những tình huống thực tế nhất có thể.
Nhà thơng minh
Thuộc vào nhóm cuối cùng của Smart Houses. Nhóm này cũng có nét tương tự
như nhóm trước, với một sự khác biệt nhỏ - đó là khơng cần phải lập trình bất cứ chức
năng nào vì ngơi nhà có khả năng tự lập trình cho nó. Mơi trường thơng minh trong ngôi
nhà sẽ quan sát hoạt động của con người trong cuộc sống hằng ngày của hộ, ghi lại các
hành động lặp đi lặp lại của con người. Sau đó một mẫu kịch bản được định dạng và ngôi
nhà sẽ tự lập trình cho nó, vì thế đến lần tiếp theo khi kịch bản được nhận ra, ngôi nhà sẽ
tự động bật hay tắt các đồ dùng, thiết bị trong nhà.
Nguyễn Quang Huy

12


Luận văn tốt nghiệp cao học

1.2.2.3

Xử lý thông tin và truyền thông

Các đối tượng điều khiển trong ngôi nhà thông minh

Hệ thống chiếu sáng
Đây là hệ thống thông dụng được dùng nhiều nhất trong các hệ thống nhà thông

minh. Ban có thể điều khiển ánh sáng từ mọi vị trí trong nhà (hay bất kỳ nơi nào trên
mạng Internet).
Hệ thống bảo vệ và kiểm soát vào ra
Nhà của bạn tự động gửi thông báo đến cho bạn hay bất kỳ người nào khi co báo
động. Bạn có thể tiết kiệm được rất nhiều tiền vì khơng phải th cac Cơng ty bảo vệ
chuyên nghiệp hoặc thuê người gác cổng. Hơn thế nữa các sản phẩm nhà thông minh cho
phép bạn đóng mở cửa từ xa để cho phép người thân ra vào hoặc ngăn cản người lạ ngay
cả khi ban không ở nhà việc này được tiến hành thông qua Internet.
Hệ thống rạp hát trong nhà và các phương tiện giải trí khác
Hãy tưởng tượng bạn có thể thay thế tất cả các điều khiển từ xa bừng duy nhất
một bộ điều khiển. Bạn không cần thiết phải biết 10 bước trong quy trình khởi động một
hệ thống rạp hát trong nhà, bạn chỉ cần nhấn một nút và hệ thống nhà thơng minh sẽ làm
nốt phần cịn lại giúp bạn. Các hệ thống loa tích hợp bên trong đồ vật trang trí thì đặc biệt
thơng dụng với các ngơi nhà thông minh, chúng tạo ra những âm thanh đặc biệt chất
lượng cao trong tồn ngơi nhà.
Hệ thống điện thoại
Hệ thống điện thoại thường được dùng cho các ứng dụng thương mại nhỏ nay
hoàn toàn phù hợp để sử dụng cho ngôi nhà của bạn. Với bộ điều khiển nhà thơng minh
và số điện thoại của người gọi, bạn có thể đặt chế độ nhận diện người gọi, với từng người
cho phép thì điện thoại mới đổ chng. Phần mềm điều khiển âm thanh cho phép các
máy điện thoại trong nhà của bạn được sử dụng như một điều khiển từ xa.
Ổn định nhiệt độ
Điều khiển Ổn định nhiệt độ từ xa cho phép bạn điều chỉnh nhiệt độ trong nhà
khi bạn đang ỏ trên giường hoặc ngay cả khi bạn khơng có nhà qua một điện thoại di
động. Chúng có thể tự động gửi thơng báo bằng tin nhắn đến cho bạn nếu nhiệt độ trong
phòng quá thấp hoặc quá cao.
Hệ thống nước tưới
Vòi tưới nước của bạn tự động bật khi hạn hán, một vài ứng dụng còn sử dụng hệ
thống tự động phun nước khi có người đi vào khu vực bảo vệ. Hayc tưởng tượng có
người muốn vào khu vực riêng của ban khi không được phép thế là quần áo ướt sũng….

Mạng
Hệ thống nhà thông minh đợc thiết lập bằng rất nhiều kết nối khác nhau. Một điều
thật tuyệt vời là rât nhiều hệ thống được tạo thành mà không phải them dây dẫn. Nếu bạn
đang xây mới một ngôi nhà hãy quan tâm đến việc tạo ra một ngôi nha hiên đại và tiện
Nguyễn Quang Huy

13


Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thông

nghi. Hãy quan tâm đến hệ thống mạng âm thanh, hình ảnh, an ninh vvv ban sẽ thực sự
hài lịng với những gì bạn làm khi ngơi nhà được hồn thiện.

1.2.2.4

Lợi ích của nhà thơng minh

Sự tiện lợi
Hãy tưởng tượng bạn có thể điều khiển nhiệt độ của tồn bộ ngôi nhà ngay cả khi
đang ở trên giường, khi ban mở cửa về nhà thì bình nóng lạnh tự động bật tất cả mọi thiết
bị đều tự động, bạn có thể tắt bật điều hịa nhiệt độ, quạt thơng gió bằng điện thoại di
dộng của bạn khi bạn cịn đang ở cơng sở.
An tồn
Với một vài thiết bị bạn có thể làm cho tồn bộ ngooi nhà của ban bật sáng khi co
người lạ xâm nhập trái phép, hệ thống cúng có thể gửi tin nhán qua máy điện thoại cho
ban. Tồn bộ ngơi nhà của bạn được đặt trong trạng thái an toàn tuyệt đối mà chỉ bạn mới
biết...

1.2.3.

Một số loại nhà thơng minh hiện có

1.2.3.1

Giải pháp nhà thông minh Gamma

Được phổ biến tại Châu Âu hơn 20 năm qua - EIB (European Installation Bus) được hiểu như một “Hệ thống điều khiển lắp đặt kiểu Châu Âu”. Giải pháp Nhà thơng
minh GAMMA cho phép kiểm sốt tồn bộ các thiết bị sử dụng điện trong ngôi nhà và tự
động điều chỉnh hệ thống đèn chiếu sáng, công tắc, ổ cắm, điều hòa nhiệt độ, rèm cửa,
cổng ra vào, hệ thống báo động, an ninh, báo cháy, thiết bị giải trí nghe nhìn …, tạo cho
chúng một khả năng “giao tiếp”, “hiểu” được nhau, phối hợp hoạt động với nhau để tạo
ra sự hiệu quả, thuận tiện nhất cho sinh hoạt gia đình. Nguồn điện 220V AC (xoay chiều)
từ cơng tơ đi vào mỗi gia đình sẽ qua tủ điện phân phối và điều khiển sau đó chia làm 2
đường: nối với bộ phận điều khiển EIB qua đường dây cáp EIB 24V DC (một chiều) và
nối với các thiết bị chấp hành (điều khiển đèn, động cơ, các thiết bị điện khác) qua đường
điện 220V thông thường để “ra lệnh” cho phụ tải hoạt động theo đúng yêu cầu.
Công nghệ nhà thông minh bao gồm các thiết bị chấp hành, các bộ cảm biến, các
module điều khiển được kết nối với nhau bằng một cáp điều khiển (bus line) thành một
hệ thống hợp nhất. Hệ thống này khơng cần máy tính chủ do các thiết bị tự trao đổi thông
tin và điều khiển lẫn nhau nhờ phần mềm được cài trên EP-ROM tích hợp sẵn trong từng
thiết bị. Các thiết bị EIB được liên kết với nhau thông qua một dây cáp đôi duy nhất với
điện áp 24V DC (cáp EIB) và liên lạc với nhau bằng cách gửi tin theo địa chỉ định trước
(mỗi thiết bị được thiết lập một địa chỉ). Các thiết bị nhận tín hiệu (cơng tắc, các thiết bị
cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, âm thanh, chuyển động, báo cháy - sensor, công tắc switch, cổng kết nối với điện thoại, máy tính, màn hình điều khiển - Touch panel hoặc
LCD, điều khiển từ xa - remote control….) nhận lệnh và chuyển tín hiệu điều khiển đến
Nguyễn Quang Huy

14


Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thông

các cơ cấu chấp hành (switch loader, dimmer…) để đóng mở đèn, quạt, điều hịa nhiệt độ,
bình nóng lạnh, rèm cửa và các thiết bị điện khác theo ý muốn, ngồi ra, các thiết bị này
cịn có thể tự động hoạt động mang lại hiệu quả tối ưu thông qua các bộ điều khiển
(timer, sence…). Khi ấy, người sử dụng có thể giám sát và điều khiển một cách dễ dàng
tất cả các thiết bị trong căn hộ bằng nhiều cách: công tắc điều khiển tại chỗ, điều khiển từ
xa (remote), điều khiển qua điện thoại hay qua mạng LAN, Internet...

Hình 1: Nhà thơng minh Gamma

Như vậy một ngơi nhà thông minh “theo chuẩn EIB” chỉ cần sử dụng hệ thống tủ
điện, dây cáp EIB cũng như bộ phận điều khiển, chấp hành của một trong các nhà sản
xuất là thành viên của KNX, còn các thiết bị điện chấp hành là đồ gia dụng của bất kì
hãng nào, sản xuất ở đâu - chúng có thể là máy điều hịa Trung Quốc, quạt Việt Nam,
bình nóng lạnh Italy, lị vi sóng Hàn Quốc hay máy giặt của Mỹ… Các hệ thống này đều
có tính mở, độ linh hoạt, tương thích cao cho phép nâng cấp, thay thế, gắn thêm nhiều
thiết bị khác tùy theo nhu cầu của người sử dụng. Chúng ta có thể hình dung cơ chế hoạt
động của ngôi nhà thông minh chuẩn EIB như một con người với các giác quan là hệ
thống thiết bị cảm biến, bộ não là các thiết bị vi xử lý, còn chân tay là các thiết bị điện
chấp hành. Các thiết bị điện “thực hiện nhiệm vụ” theo những chương trình đã được lập
sẵn để đáp ứng mỗi yêu cầu sinh hoạt của gia chủ. Và như vậy, chúng ta có thể hiểu rằng
gần như tất cả những yêu cầu gì mà con người nghĩ ra thì hệ thống nhà thơng minh đều
có thể đáp ứng được và các tính năng trên đều có thể hoạt động độc lập hoặc phối kết
hợp, tương tác với nhau tùy theo cách lập trình để mang lại hiệu quả, tiện ích cho người

dùng. Hệ thống nhà thông minh EIB cho phép gia tăng tiện ích sử dụng khi kết hợp với
các bộ điều khiển từ xa bằng sóng radio (giới hạn khoảng cách đến 1,5 Km, không bị hạn
chế bởi vật cản) và đặc biệt tương tác hai chiều với điện thoại và internet để điều khiển
không giới hạn về khoảng cách. Ngồi việc thơng báo sự cố như đã nói ở trên, người sử
dụng có thể dùng bất kì máy điện thoại hay máy tính có kết nối internet nào gọi hoặc truy
Nguyễn Quang Huy

15


Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thơng

cập vào hệ thống nhà thơng minh của mình để đóng - mở, bật - tắt các thiết bị, vì trước đó
chúng đã được lập trình gán cho một mã số điều khiển tương ứng.
Để bảo mật, bạn có thể tự đặt Username và Password truy cập riêng vào hệ thống
điều khiển điện của nhà mình. Và cịn rất nhiều “kịch bản” mà bạn có thể nghĩ ra và “hiện
thực hóa” chúng sau khi yêu cầu nhà cung cấp lập trình cho các thiết bị trong hệ thống
nhà thơng minh EIB của mình. Tuy nhiên, bản thân các thiết bị EIB thực chất vẫn chỉ là
những cỗ máy, muốn chúng trở nên “thông minh”, phục vụ tốt nhất cho con người thì
điều quan trọng hơn chính là gia chủ nên biết mình muốn gì và sẽ cần thêm những gì. Sau
đó bàn bạc, thảo luận với các kiến trúc sư, kỹ sư điện, chuyên gia lập trình hệ thống EIB
để đưa ra những giải pháp hợp lý, tối ưu nhất, khai thác triệt để mọi giá trị của thiết bị.
Công nghệ lắp đặt điện tiên tiến cho phép bạn tiết kiệm được rất nhiều điện năng
tiêu thụ hàng tháng bằng cách quản lý một cách thông minh hệ thống đèn chiếu sáng,
điều hòa nhiệt độ, hay các thiết bị điện khác trong gia đình. Nếu hệ thống được lắp đặt
cho các nhà dân dụng, sẽ tiết kiệm chi phí về điện từ 15% đến 35%. Cịn với tồ nhà ở
các khu cơng nghiệp, văn phịng... mức chi phí giảm thiểu về điện cịn có thể lên tới 45%.
Các thiết bị điện vận hành hoàn toàn tự động nên bạn có thể tiết kiếm từ 15% đến 30%

điện năng tiêu thụ hàng tháng. Tùy theo nhu cầu sử dụng, bạn hoàn toàn làm chủ hệ
thống này và dễ dàng thay đổi, thêm bớt chức năng hoạt động của hệ thống theo ý muốn.
Thực tế đã chứng minh rằng đầu tư vào nhà thơng minh là một quyết định tài chính đúng
đắn. Sử dụng hệ thống điện thông minh này không chỉ an tồn với điện áp 24V DC có tác
dụng giảm thiểu nguy hiểm về điện giật. Các thiết bị được sản xuất theo tiêu chuẩn chung
Châu Âu, tuổi thọ cao, chi phí duy tu, bảo dưỡng rất thấp. Nhà thơng minh là hệ thống
mở, linh hoạt, nên chi phí bạn phải bỏ ra để sửa đổi hệ thống khi nhu cầu sử dụng của bạn
thay đổi là không đáng kể.
Công nghệ Nhà thông minh đã được hãng SIEMENS AG (Đức) giới thiệu và
cung cấp tới khách hàng ở nhiều quốc gia trên thế giới. Lần đầu tiên vào Việt Nam, hãng
Siemens đã uỷ quyền cho Cty cổ phần GAMMA JSC là đối tác chính thức thực hiện
nhiệm vụ giới thiệu, lắp đặt, lập trình, bảo hành và bảo dưỡng hệ thống điện thông minh
tới khách hàng ở Việt Nam. Tồn bộ cơng việc Tư vấn, Thiết kế chi tiết, Thi cơng lắp đặt,
Lập trình hệ thống và Cung cấp các dịch vụ bảo hành, bảo trì sẽ do cơng ty GAMMA là
đối tác chuyên nghiệp được ủy quyền của Siemens tại Việt Nam thực hiện. Chất lượng
thiết bị và dịch vụ theo đúng tiêu chuẩn và được kiểm soát bởi Siemens.

1.2.3.2

Giải pháp nhà thông minh của trung tâm Mica

Các ứng dụng về " đồ vật thông minh", "nhà thông minh" ngày càng phát triển
mạnh, chúng ta thường gọi chúng dưới cái tên môi trường cảm thụ hay không gian cảm
thụ (d'espaces perceptifs), đây là nơi các công nghệ mới nhất (như Internet/Ethernet,
Wifi, BlueTooth, Powerline Carrier, USB, Java, Ajax, PHP, MySql, PocketPC, v.v.)
Nguyễn Quang Huy

16

Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thơng

được sử dụng. Chính vì vậy, các cán bộ nghiên cứu của Trung tâm MICA đã quyết định
triển khai dự án nhánh SIAM2 (Systèmes Intelligents pour Applications MultiMédia)
trong khuôn khổ một dự án nghiên cứu lớn của Trung tâm. Hình ảnh dưới đây sẽ giới
thiệu qua về cấu trúc của thiết bị nghiên cứu.

Hình 2: Tổng quát Siam

Chúng ta có thể mơ tả khái qt hệ thống như sau:
Đối với module thi hành điều khiển: Chúng ta tập trung vào việc điều khiển các
thiết bị như các loại đèn (đèn sợi đốt, đèn neons, đèn halogens), các loại máy sưởi, rèm
cửa, các thiết bị điện tử như Tivi, camera... Nhóm này được đặt tên là SIAMC
Với module thu nhận: Các thiết bị thu nhận sẽ thu thập thông tin của môi trường
xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất sau đó thơng qua module truyền thơng gửi thơng
tin đến server. Nhóm này được đặt tên là SIAMM
Với module truyền thông: Tất cả các dữ liệu truyền từ các module thu nhận tới
các module điều khiển đều được truyền dưới dạng khơng dây. Hiện nay, có hai cơng nghệ
truyền tin khơng dây phổ biến đó là Wifi và Bluetooth. Nhóm này được đặt tên là SIAMA
Cơng nghệ Wifi thì có tốc độ nhanh, lưu lượng và dung lượng đường truyền lớn
con Bluetooth thì có tốc độ và lưu lượng thấp hơn. Để mơ hình có hiệu quả khi hoạt động
Nguyễn Quang Huy

17


Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thơng

thì chúng ta sẽ chia ra các khối, các module thích hợp sẽ dùng cơng nghệ thích hợp.
Nhóm này được đặt tên là SIAMN
Qua việc nghiên cứu và tính tốn, chúng ta sẽ sử dụng cơng nghệ Bluetooth cho
việc điều khiển việc thu nhận các thông tin của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất...
Cịn cơng nghệ Wifi thì chúng ta sẽ ứng dụng cho việc truyền tải các thơng tin liên quan
đến dữ liệu hình ảnh như các cuộc hội thảo, hội nghị....

1.3.

Môi trường cảm thụ Siam

Trong q trình tìm hiểu, nhóm SIAM2 đã phân ra các ứng dụng thơng minh cho
mơi trường SIAM2 như sau:
• Nhận biết được sự có mặt của con người trong phịng: khi một người bước
vào phịng, hệ thống đèn có thể tự động bật sáng chẳng hạn.
Thiết bị có thể dùng: cảm biến hồng ngoại, relay.
Hành động: Bật/tắt đèn.
Hệ thống báo cháy: Khi phát hiện ra khói, hệ thống sẽ báo động và sẽ phun
nước từ hệ thống chống cháy trong nhà.
Thiết bị cần dùng: cảm biến khói, hệ thống phun nước, relay.
Hành động: Dựa vào cảm biến khói để Bật/tắt chng báo động và hệ thống
phun nước chữa cháy.
• Hệ thống điều hoà nhiệt độ: giữ nhiệt độ trong phòng ở giá trị mong muốn.
Khi nhiệt độ đo được từ cảm biến cao hơn so với giá trị đặt, hệ thống quạt và
điều hoà tự động bật. Ngược lại, nếu nhiệt độ đo được thấp hơn giá trị đặt, hệ
thống quạt tự động tắt, hệ thống sưởi tự động bật lên.
Thiết bị cần thiết: cảm biến nhiệt độ, relay.
•

•
•
•

Hệ thống ánh sáng: tự động bật/tắt hệ thống đèn hay đóng/mở rèm cửa sổ để
ánh sáng trong phịng đạt được giá trị mong muốn, hoạt động cũng tương tự
hệ thống điều hồ nhiệt độ.
Hệ thống giải trí gia đình: có hệ thống mạng tốc độ cao, có kết nối Internet,
giúp người sử dụng có thể cập nhật thơng tin, giải trí bất cứ lúc nào và bất cứ
ở đâu trong nhà.
Hệ thống bảo vệ: hệ thống camera giám sát, có khả năng nhận dạng người ra
vào ngơi nhà.
Tích hơp khả năng điều khiển vào PDA, hay kiểm soát hoạt động qua Internet.

Sau khi nghiên cứu các giải pháp và phân loại môi trường cảm thụ dự án đã đưa ra các
nhiệm vụ nghiên cứu như sau:
•
Tìm hiểu mơi trường cảm thụ.
•
Tìm hiểu các kỹ thuật và cơng nghệ truyền tin BlueTooth, WIFI và PLC.
•
Nghiên cứu các đặc tính của các mơ đun điều khiển và thu nhận.
•
Nghiên cứu cách tích hợp các mô đun này vào cấu trúc tổng thể của đề tài
SIAM2.
Nguyễn Quang Huy

18

Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thông

Xây dựng các mẫu cho các mô đun cần có và chạy thử nghiệm chúng trong Phịng
Thơng minh của Trung tâm MICA
Sơ đồ tổng quát của môi trường SIAM
Mô hình có sơ đồ tổng qt như sau:
Remote
Management

Server

Automatic Control
Control

Acquisition
Status Information

Simple signal
Temperature,...

High quality
Voice, sound

Complex
Video, Image

On/Off

TV, projector...

Proportional
Lamp, fan...

Hình 3: Sơ đồ khối chức năng Siam

Trong đó bao gồm các khối:
• Đo lường (measurement): ở đây ta có thể phân thành các khối nhỏ hơn tuỳ
thuộc vào đặc tính như tốc độ, độ chính xác của tín hiệu cần đo. Các thiết bị
đo có thể là các mạch tích hợp để đo nhiệt độ, ánh sáng hay thiết bị thu thập
âm thanh, hình ảnh.
• Kỹ thuật truyền thơng (Communications): có thể có nhiều lựa chọn như Wifi,
Bluetooth, Infrared hay PLC (Power Line Carrier - Truyền thơng tin trên
đường dây tải điện).
• Server: Hệ thống máy chủ tập trung dữ liệu, xử lý dữ liệu và đưa ra quyết định
điều khiển.
• Điều khiển (Control): Các thiết bị cần điều khiển là các thiết bị gia dụng như
đèn, quạt, điều hồ…
• Điều khiển từ xa (Remote Control): Liên kết từ xa tới hệ thống server thông
qua Wifi, Bluetooth (Local) hay liên kết từ xa qua Internet. Người sử dụng có
thể giám sát hoạt động cũng như có thể điều khiển từ xa tồn bộ hệ thống.

Nguyễn Quang Huy

19


Luận văn tốt nghiệp cao học

1.4.

Xử lý thông tin và truyền thông

Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

Dựa trên nhiệm vụ tổng thể của dự án, luận văn được giao nhiệm vụ nghiên cứu
triển khai nhóm mơ đun thu thập số liệu môi trường (SIAMA) truyền số về máy chủ thông
qua phương thức truyền tin Bluetooth và thực hiện điều khiển cơ cấu chấp hành
(SIAMC). Nhiệm vụ đặt ra đó là phân tích đặc tính chức năng, kỹ thuật của từng khối, từ
đó lựa chọn các giải pháp và công nghệ phù hợp nhất cho việc thiết kế và triển khai hệ
thống. Ví dụ như đối với các khối thu thập dữ liệu thì theo mức độ phức tạp của tín hiệu
cũng được phân ra thành 3 khối cơ bản: khối thu thập tín hiệu đơn giản, khối thu thập tín
hiệu âm thanh (phức tạp hơn), khối thu thập hình ảnh-video (phức tạp nhất), đây cũng là
yếu tố chính để lựa chọn giải pháp kỹ thuật thiết kế cho từng mơ đun. Các yếu tố kỹ thuật
đó bao gồm: độ phân giải (số bit) mã hố tín hiệu, tốc độ truyền dữ liệu, băng thông, môi
truờng truyền thông,…
Để triển khai nhóm SIAMA và SIAMC là nhóm thu thập số liệu môi trường chẳng
hạn như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất… và điều khiển đóng cắt các hệ thống chấp hành. Có
nghĩa là phải thiết kế một mơ đun thu thập các tín hiệu đơn giản kết hợp với khả năng
điều khiển rơle, có khả năng giao tiếp với mơ đun lớp cao hơn, ta cần lựa chọn giải pháp
phù hợp cho ứng dụng. Nhờ tính ưu việt về khả năng lập trình được mạch tương tự và
mạch số họ PSoC được lựa chọn cho nhóm Modun này. Có thể tóm tắt một số đặc điểm
của cơng nghệ lập trình chip PSoC và công nghệ truyền tin không dây Bluetooth như sau:

1.4.1.1

PSOC(Programmable System on Chip)

Psoc là hệ thống khả trình trên một chíp. Các chíp chế tạo theo cơng nghệ Psoc

cho phép thay đổi được cấu hình đơn giản bằng cách gán chức năng cho các khối tài
nguyên có sẵn trên chíp hơn nữa nó cịn có thể kết nối tương đối mềm dẻo các khối chức
năng với nhau hoặc giữa các khối chức năng với các cổng vào ra. Chính vì vậy mà Psoc
có thể thay thế cho rất nhiều chức năng nền của một số hệ thống co bản chỉ bằng một con
chip. Thành phần của chip Psoc bao gồm các khối ngoại vi số và tương tự có thể cấu hình
được, một bộ vi xử lý 8 bit, bộ chương trình có thể lập trình được và bộ nhớ Ram khá
lớn.
Lựa chọn PSoC để thiết kế mô đun thu thập, điều khiển: Với mục đích thu thập
các tín hiệu đơn giản như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, áp suất, cùng với u cầu mơ đun có
kích thước nhỏ, dễ tích hợp và triển khai trong hệ thống, có thể nói PSoC là cơng nghệ
phù hợp nhất để giải quyết các yêu cầu này:
•
PSoC với khả năng cấu hình, lập trình linh hoạt, và hỗ trợ các khối chức
năng có thể sử dụng để đo tất cả các loại tín hiệu có tốc độ từ thấp đến cao,
phù hợp với hầu hết các ứng dụng đo và điều khiển từ đơn giản đến phức tạp.

Nguyễn Quang Huy

20


Luận văn tốt nghiệp cao học

•
•
•

1.4.1.2

Xử lý thơng tin và truyền thông

PSoC giúp cho việc phát triển mô đun cũng đơn giản hơn, khơng địi hỏi thay
đổi q nhiều về phần cứng của mạch, thích hợp cho việc phát triển mở rộng
mơ đun (thu thập nhiều loại tín hiệu cùng lúc) trong tương lai.
Với cơng nghệ tích hợp trên một chip, kích thước mạch đo sẽ giảm đi đáng
kể, dễ dàng cho việc tích hợp mơ đun truyền thơng, triển khai lắp đặt trong hệ
thống.
PSoC đa dạng về chủng loại, phù hợp với mọi ứng dụng từ đơn giản đến
phức tạp, giá thành hợp lý, được hãng sản xuất cũng như cộng đồng phát triển
ứng dụng nhúng trên thế giới hỗ trợ và phát triển mạnh mẽ.

Bluetooth

Lựa chọn Bluetooth để thực hiện truyền thông giao tiếp giữa server và thiết bị:
Bluetooth là cơng nghệ khơng dây dễ dàng tích hợp và phát triển cho ứng dụng, với các
đặc điểm chính:
•
Tốc độ truyền dữ liệu tối đa của Bluetooth (V1.1) là 1Mbps, phù hợp với
việc truyền các dữ liệu đơn giản, độ biến thiên chậm, khơng địi hỏi băng
thơng rộng và tốc độ cao.
•
Bluetooth tạo cho mơ đun một sự linh hoạt, khơng bị gị bó với các đường
truyền dữ liệu thông thường. Khi triển khai hay thay thế thiết bị cũng đơn giản
và dễ dàng hơn.
•
Với việc hỗ trợ SPP profile, việc truyền thông giữa server và thiết bị trở nên
đơn giản tương tự như truyền thông qua một cổng COM, do đó dễ dàng phát
triển ứng dụng cả trên server và mô đun thu nhận.
Để tiến hành thử nghiệm hệ thống, luận văn tốt nghiệp để làm cụ thể hố các tính
năng của Psoc, cần có một thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm được thiết kế dựa trên cơng nghệ

Psoc sau đó truyền thơng tin từ thiết bị đo lên máy tính thơng qua cơng nghệ Bluetooth.
Để thử nghiệm hệ thống, luận văn còn xây dựng chương trình giao diện gồm các chức
năng: kết nối truyền tin, quản lý số liệu, và truyền lệnh điều khiển cho modun thực hiện.

Nguyễn Quang Huy

21


Luận văn tốt nghiệp cao học

Xử lý thông tin và truyền thông

Phần 2 Công nghệ sử dụng
2.1.

Thiết bị đầu cuối

2.1.1.

Nhiệm vụ

Nhiệm vụ của thiết bị đầu cuối là thu nhận trạng thái của môi trường. Thiết bị đo
sẽ thu nhận trạng thái của mơi trường sau đó sẽ gửi lên trên server. Trên server, dữ liệu từ
thiết bị nhận sẽ được xử lý, lưu giữ và so sánh. Nếu dữ liệu thu về nằm ngồi chuẩn cho
phép thì server sẽ chuyển sang chế độ cảnh báo. Tất cả mọi dữ liệu sẽ được truyền và
nhận không dây.

2.1.2.

Công nghệ sử dụng

Xét bài tốn của chúng ta đặt trong mơi trường thơng minh, vì thế tất cả các thơng
tin trong q trình truyền và nhận đều không sử dụng dây dẫn. Chúng ta có thể sử dụng
truyền tin thơng qua việc sử dụng hai công nghệ Wifi và Bluetooth.
Với công nghệ Wifi, chúng có thể truyền tốc độ và dữ liệu nhanh, dung lượng
đường truyền khá lớn. Còn với Bluetooth, dung lượng và đường truyền thấp hơn Wifi
nhưng chi phí giá thành và thiết bị nhỏ gọn hơn.
Áp dụng vào bài toán của luận văn, chúng ta chọn công nghệ Bluetooth bởi thông
tin mà chúng ta thu thập chỉ là đơn vị các Bit dữ liệu, không yêu cầu dung lượng lớn của
đường truyền vì thế với cơng nghệ Bluetooth chúng ta hồn tồn có thể giải quyết được
bài tốn.

2.1.3.

Chức năng, ứng dụng của bài toán

Chức năng của bài toán mà chúng ta đưa ra đó là thu thập thơng tin của mơi
trường (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất...) sau đó phân tích, xử lý và lọc các thơng tin phù hợp
theo từng loại (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất... ) rồi gửi thơng tin đến server.
Chức năng chính của server là xử lý, phân tích và so sánh các dữ liệu đầu vào sau
đó sẽ hiển thị lên màn hình, gửi thông tin điều khiển từ server đến các trạm (thiết bị đo)
cần thiết nếu thơng tin mà trạm đó gửi về nằm trong dải cảnh báo.
Áp dụng trong bài toán cụ thể của báo cáo, thiết bị đầu ở đây chính là hộp đo
nhiệt độ, thiết bị cuối là server (PC). Khi hệ thống hoạt động, thiết bị cuối sẽ đo và thu
nhận thông tin về nhiệt độ của môi trường xung quanh, cứ sau một khoảng thời gian nhất
định sẽ gửi thông tin lên server. Trên server, thông tin truyền lên sẽ được so sánh và đối
chiếu. Nếu nhiệt độ quá cao thì hệ thống sẽ tự động bật quạt, điều hịa làm mát khơng khí.
Nếu nhiệt độ thấp thì server sẽ truyền lệnh xuống để điều khiển hệ thống lò sưởi và đèn.
Nguyễn Quang Huy

22


Luận văn tốt nghiệp cao học

2.2.

Công nghệ Bluetooth

2.2.1.

Lịch sử ra đời

Xử lý thông tin và truyền thông

Ðầu năm 1998, 5 công ty lớn trên thế giới là Ericsson, Nokia, IBM, Intel và
Toshiba đã liên kết, hợp tác thiết kế và triển khai công nghệ kết nối không dây mới mang
tên Bluetooth nhằm kết nối các thiết bị điện tử cá nhân, hoặc các thành phần của chúng
qua sóng radio. Đến ngày 20/5/1998 nhóm Special Interest Group - SIG chính thức được
thành lập với mục đích phát triển cơng nghệ này trên thị trường viễn thơng. Bất kỳ cơng
ty nào có kế hoạch sử dụng cơng nghệ Bluetooth đều có thể tham gia và cho đến nay SIG
đã có gần 2000 thành viên.

2.2.2.

Bluetooth là gì

Bluetooth là cơng nghệ truyền dữ liệu khơng dây hiện đại, có thể kết nối các thiết
bị như điện thoại di động, máy tính xách tay, máy in, máy ảnh số, và thậm chí cả tủ lạnh,

lị viba, máy điều hòa nhiệt độ... Bluetooth là một chip thu phát nhỏ hoạt động bằng sóng
vơ tuyến qua băng tần chung ISM (Industrial, Scientific, Medical) trong dãy tầng
2.40- 2.48 GHz. Đây là dãy băng tầng không cần đăng ký được dành riêng để dùng cho
các thiết bị không dây trong công nghiệp, khoa học, y tế.
Bluetooth được thiết kế nhằm mục đích thay thế dây cable giữa máy tính và các
thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện tử lại với nhau một
cách thuận lợi với giá thành rẻ.
Khi được kích hoạt, Bluetooth có thể tự động định vị những thiết bị khác có
chung cơng nghệ trong vùng xung quanh và bắt đầu kết nối với chúng. Nó được định
hướng sử dụng cho việc truyền dữ liệu lẫn tiếng nói.

Các đặc điểm của Bluetooth

2.2.3.

Tiêu thụ năng lượng thấp, cho phép ứng dụng được trong nhiều loại thiết bị, bao
gồm cả các thiết bị cầm tay và điện thoại di động
Giá thành hạ (Giá một chip Bluetooth đang giảm dần, và có thể xuống
dưới mức 5$ một đơn vị).
Khoảng cách giao tiếp cho phép :
Khoảng cách giữa hai thiết bị đầu cuối có thể lên đến 10m ngồi trời, và 5m
trong tịa nhà.
• Khoảng cách thiết bị đầu cuối và Access point có thể lên tới 100m ngồi
trời và 30m trong tịa nhà.
•

Bluetooth sử dụng băng tần không đăng ký 2.4Ghz trên dãy băng tần ISM. Tốc độ
truyền dữ liệu có thể đạt tới mức tối đa 1Mbps (do sử dụng tần số cao) mà các thiết bị
không cần phải thấy trực tiếp nhau
Nguyễn Quang Huy

23