đồ án môn học mạng và các giao thức trong iot đề tài thiết kế nhà thông minh

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.29 MB, 18 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITrường Điện – Điện tử</b>

<b>Đồ án môn học</b>

<b>Học phần: EE4552 – Mạng và các giao thức trong IOT</b>

<b>Đề tài: Thiết kế nhà thơng minh</b>

<b>GVHD: PGS.TS Nguyễn Quốc Cường</b>

1. Đồn Văn Nhật - 201920002. Nguyễn Quang Chiến - 20191705

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

DANH MỤC HÌNH VẼ

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

PHẦN 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI, YÊU CẦU CẦNĐẠT.

1.1 Tổng quan đề tài

Thuật ngữ IoT hay Internet vạn vật đề cập đến mạng lưới tập hợp các thiếtbị thông minh và công nghệ tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động giao tiếp giữathiết bị và đám mây cũng như giữa các thiết bị với nhau. Nhờ sự ra đời của chipmáy tính giá rẻ và công nghệ viễn thông băng thông cao, ngày nay, chúng ta cóhàng tỷ thiết bị được kết nối với internet. Điều này nghĩa là các thiết bị hàngngày như bàn chải đánh răng, máy hút bụi, ô tô và máy móc có thể sử dụng cảmbiến để thu thập dữ liệu và phản hồi lại người dùng một cách thông minh.

Đặc biệt các thiết bị gia đình thơng minh(Smarthome) tập trung chủ yếu vàohoạt động cải thiện hiệu quả và độ an tồn của ngơi nhà, cũng như mạng lướikết nối trong nhà. Các thiết bị như ổ điện thơng minh có thể giám sát mức sửdụng điện và bộ điều nhiệt thơng minh có thể cung cấp khả năng kiểm soát nhiệtđộ tốt hơn. Các hệ thống thủy canh có thể sử dụng cảm biến IoT để quản lý khuvườn, trong khi đó, máy báo khói IoT có thể phát hiện khói thuốc lá. Từ đónâng cao đời sống của con người, giúp cho xã hội ngày càng phát triển và hiệnđại.

Từ những vấn đề trên, trong đề tài này nhóm chúng em sẽ thiết kế một mơ hìnhnhà thơng minh với hai nhóm thiết bị trong nhà và ngoài trời giúp thu thập dữ liệu và điều khiển các cơ cấu chấp hành thông qua tự động và điều khiển của con người.

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

1.2 Yêu cầu cần đạt

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

PHẦN 2: KẾ HOẠCH THỰC HIỆN

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

PHẦN 3: PHÂN TÍCH – THIẾT KẾ3.1 Phân tích u cầu chức năng hệ thống

Dự kiến hai phương án:Phương án 1

- Hệ thống tưới cây sẽ được tích hợp trong trong một vi điều khiển esp32 vừa có chức năng đo nhiệt độ để gửi lên bộ điều khiển trung tâm, vừa nhận lệnhtừ bộ điều khiển trung tâm để điều khiển máy bơm (dự kiến thay thế bằng đèn led cho trạng thái bật và tắt).

- Hệ thống điều khiển sẽ được tích hợp trong trong một vi điều khiển esp32 vừa có chức năng đo nhiệt độ để gửi lên bộ điều khiển trung tâm, vừa nhận lệnh từ bộ điều khiển trung tâm để điều khiển ổ cắm thông minh (dự kiến thay thế bằng đèn led cho trạng thái bật và tắt).

Phương án 2:

- Hệ thống tưới cây sẽ gồm một phần mềm để gửi giá trị ảo lên bộ điều khiển trung tâm, còn bộ điều khiển máy bơm sẽ dung esp32 để điều khiểnthông qua nhận lệnh từ home center.

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

- Hệ thống điều khiển (trong nhà) sẽ gồm một phần mềm để gửi giá trị ảo lên bộ điều khiển trung tâm, cịn ổ cắm thơng minh sẽ dùng esp32 để điềukhiển thông qua nhận lệnh từ home center.

*Bộ điều khiển trung tâm sẽ sử dụng vđk esp32 để điều khiển toàn bộ hệ thống và gửi dữ liệu lên server .

3.2 Sơ đồ khối hệ thống

<i>3.2.1 Bộ điều khiển trung tâm</i>

<i>3.2.2 Hệ thống tưới cây (ngoài nhà)3.2.3 Hệ thống điều khiển (trong nhà)</i>

3.3 Tìm hiểu về WiFi và các giao thức HTTP, MQTT, CoAp.

<i>3.3.1 Công nghệ truyền thông WiFi</i>

<b>Chế độ Station </b>

Để kết nối các thiết bị wireless (như điện thoại thơng minh, máy tính xách tay) hoặc có dây (như máy tính để bàn) vào trong mạng nội bộ (LAN) ta dùng một thiết bị gọi là Access Point (điểm truy cập).

Những thiết bị kết nối với Access Point được gọi là Station (trạm).

Ở chế độ station, ESP32 nhận IP từ router mà nó được kết nối. Với địa chỉ IP này nó có thể thiết lập một web server và cung cấp các trang web đến tất cả các thiết bị kết nối trong mạng Wifi hiện có.

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<b>Chế độ Access Point </b>

ESP32 tạo mạng Wifi riêng và hoạt động như một trung tâm (giống như Router Wifi) cho một hoặc nhiều trạm được gọi là điểm truy cập (AP). Không giống như Router Wifi, nó khơng có giao tiếp với mạng có dây.

Vì vậy, phương thức hoạt động như vậy gọi là điểm truy cập mềm (soft-AP). Ngoài ra, số lượng Station tối đa có thể kết nối với nó được giới hạn.

Ở chế độ AP, ESP32 tạo một mạng Wifi mới và đặt SSID(tên mạng) và địa chỉ IP cho nó. Với địa chỉ IP này, nó có thể cung cấp các trang web đến tất cả các thiết bị được kết nối trong mạng riêng của nó.

<b>Web Server </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Web Server là nơi lưu trữ, xử lý và cung cấp các trang web đến các Web client. Web client là một trình duyệt web trên labtop và smart phone của chúng ta. Giao tiếp giữa Client và Server diễn ra bằng một giao thức đăc biệt được gọi là Giao thức truyền siêu văn bản (HTTP - Hypertext Transfer Protocol). Trong giao thức này, Client bắt đầu giao tiếp bằng cách đưa ra yêu cầu cho một trang web cụ thể bằng HTTP request và máy chủ phản hồi bằng nội dung của trang web đó hoặc thơng báo lỗi nếu không thể thực hiện được. Các trang do máy chủ phân phối chủ yếu là HTML.

<i>3.3.2 Giao thức HTTP3.3.3 Giao thức MQTT</i>

<b>MQTT (Message Queueing Telemetry Transport) là một giao </b>

thức mạng kích thước nhỏ (lightweight), hoạt động theo cơ chế publish – subscribe (tạm dịch: xuất bản – đăng ký) theo tiêu chuẩn ISO (ISO/IEC 20922) để truyền tin nhắn giữa các thiết bị.

Giao thức này hoạt động trên nền tảng TCP/IP. MQTT được thiết kế cho các kếtnối cho việc truyền tải dữ liệu cho các thiết bị ở xa, các thiết bị hay vi điều khiển nhỏ có tài nguyên hạn chế hoặc trong các ứng dụng có băng thơng mạng bị hạn chế.

Nó cung cấp truyền dữ liệu nhanh hơn, giống như cách WhatsApp / messenger cung cấp việc phân phối nhanh hơn. Đó là một giao thức nhắn tin thời gian thực;

Nó được thiết kế như một giao thức nhắn tin đơn giản và nhẹ sử dụng hệ thống xuất bản / đăng ký để trao đổi thơng tin giữa Client và Server;

Nó là một giao thức máy với máy, tức là nó cung cấp giao tiếp giữa các thiết bị.

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

MQTT Broker được cung cấp dưới dạng mã nguồn mở hoặc các phiên bản thương mại giúp người dùng có thể tự cài đặt và tạo broker riêng. Ngồi ra các bạn cũng có thể sử dụng Broker trên điện toán đám mây với các nền tảng IOT như hive broker, amazone,….

<b>MQTT Client</b>

Là các thiết bị/ứng dụng Client kết nối đến Broker để thực hiện truyền nhận dữ liệu .Client thì được chia thành hai nhóm là Publisher và Subscriber. Một Client có thể có 1 trong 2 nhiệm vụ hoặc cả 2.

Publisher<b> là thiết bị gửi bản tin lên broker</b>

Subscriber là người nhận bản tin mỗi khi có bản tin mới gửi lên Broker.

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Tên chủ đề

Topic có thể coi như một “đường truyền” logic giữa 2 điểm là publisher và subscriber. Về cơ bản, khi message được publish vào một topic thì tất cả những subscriber của topic đó sẽ nhận được message này.

Giao thức MQTT cho phép khai báo các topic kiểu phân cấp

<i>3.3.4 Giao thức CoAp</i>

CoAP (Constrained application protocol) là một giao thức đơn giản chi phí thấp được thiết kế riêng cho các thiết bị hiệu năng thấp (chẳng hạn như vi điều khiển) và nơi mạng có băng thông thấp. Giao thức này được sử dụng để trao đổi dữ liệu M2M và rất giống với HTTP.

CoAP có các tính năng chính sau:

Giao thức web nhỏ gọn được sử dụng trong M2M;Bảo mật bằng DTLS;

Trao đổi thông điệp khơng đồng bộ;Header gói tin nhỏ, dễ tách thơng tin;Hỗ trợ URI và loại nội dung;Khả năng proxy và bộ nhớ đệm;Tuỳ chọn khai thác tài nguyên;

Liên kết UDP (User Datagram Protocol) với độ tin cậy tùy chọn hỗ trợ các u cầu Unicast và Multicast.

Mơ hình cấu trúc CoAP

Mơ hình tương tác CoAP tương tự như mơ hình Client/Server của HTTP.CoAP sử dụng cấu trúc 2 lớp. Lớp dưới là lớp bản tin được thiết kế liên quan đến UDP và chuyển tiếp không đồng bộ, Lớp yêu cầu/phản hồi liên quan đến phương thức giao tiếp và xử lý bản tin yêu cầu/phản hồi.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Mơ hình bản tin CoAP

Lớp bản tin hỗ trợ 4 loại bản tin: CON (có thể xác nhận), NON (khơng thể xác nhận), ACK ( đã xác nhận), RST (đặt lại).

Truyền tải bản tin tin cậy: Một bản tin có thể xác nhận (CON) được truyền đi truyền lại cho đến khi Server gửi lại bản tin xác nhận (ACK) vớicùng một ID. Sử dụng thời gian chờ mặc định và giảm thời gian đếm theocấp số nhân khi truyền bản tin CON. Nếu Server không thể xử lý bản tin truyền đến, nó sẽ phản hồi bằng cách thay thế bản tin xác nhận (ACK) bằng bản tin đặt lại (RST).

Truyền tải bản tin không tin cậy: Một bản tin khơng u cầu gửi tin cậy, có thể được gửi bằng bản tin khơng tin cậy. Nó sẽ khơng được xác nhận, nhưng nó vẫn có ID để phát hiện trùng lặp.

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Mơ hình u cầu/phản hồi CoAP

Piggy-backed: Một yêu cầu được gửi bằng bản tin có thể xác nhận (CON)hoặc khơng thể xác nhận (NON), Server sẽ phản hồi bản tin xác nhận (ACK) ngay lập tức cho yêu cầu của Client nếu nó có sẵn. Với phản hồi thành cơng, ACK chứa mã bản tin phản hồi (được nhận diện bởi mã bản tin), với phản hồi thất bại, ACK chứa mã phản hồi thất bại.

Phản hồi trì hỗn: Nếu Server nhận được bản tin CON nhưng không thể phản hồi yêu cầu này ngay lập tức, nó sẽ gửi một bản tin ACK trống tránhtrường hợp Client gửi lại bản tin này. Khi Server sẵn sàng đáp ứng yêu cầu này, nó sẽ gửi một bản tin CON mới đến Client và Client trả lời một bản tin CON kèm theo xác nhận. Bản tin ACK từ Client chỉ để xác nhận bản tin CON từ Server.

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">