Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.58 MB, 91 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---***---
VI THỊ NGỌC MĨ
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI CHO
NHÀ THÔNG MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG
Hà Nội – 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---***---
VI THỊ NGỌC MĨ
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI CHO
NHÀ THÔNG MINH
Chuyên ngành: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. HOÀNG PHƯƠNG CHI
Hà Nội – 2015
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
LỜI CAM ĐOAN
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy, cô giáo
trong Viện Điện tử - viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một
môi trường tốt để tôi học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong
Viện Đào tạo sau Đại học đã quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho các học
viên có điều kiện thuận lợi để học tập và nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các
bạn trong phòng thí nghiệm EDA-BK đã luôn ủng hộ, giúp đỡ và đưa ra nhưng góp
ý quí báu giúp tôi hoàn thiện luận văn này. Và đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu
sắc đến cô giáo TS. Hoàng Phương Chi và thầy giáo TS. Nguyễn Đức Minh đã tận
tình chỉ bảo, hướng dẫn và sửa chữa nội dung của luận văn này.
Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này là hoàn toàn do tôi tìm
hiểu, nghiên cứu và viết ra. Tất cả đều được tôi thực hiện cẩn thận và có sự định
hướng, sửa chữa của giáo viên hướng dẫn.
Tôi xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong bản luận văn này.
Tác giả
Vi Thị Ngọc Mĩ
iv
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT..............................................v
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... ix
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................1
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ ......................................................................................3
1.1.
Smart home ....................................................................................................3
1.2.
Thành phần trong Smart home ......................................................................5
1.2.1.
Hệ thống chiếu sáng................................................................................6
1.2.2.
HVAC .....................................................................................................7
1.2.4.
Hệ thống an ninh .....................................................................................7
1.3.
Mục tiêu của đồ án.........................................................................................8
CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC HỆ THỐNG ...................................................................9
2.1.
Tổng quan hệ thống Smart Home ..................................................................9
2.2.
Phân tích hệ thống .......................................................................................10
2.2.1. Module trung tâm .....................................................................................10
2.2.2. Mạng ZigBee ............................................................................................11
2.2.3. Node .........................................................................................................12
2.3.
Kiến trúc hệ thống .......................................................................................13
2.4.
Phần cứng ....................................................................................................14
2.4.1. Main – board ............................................................................................14
i
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
2.4.2. Sub – board ...............................................................................................16
2.5.
Phần mềm ....................................................................................................17
2.5.1. Android Application .................................................................................17
2.5.2. Phần mềm nhúng ......................................................................................18
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ..................................................................22
3.1. Công cụ thiết kế mạch nguyên lý và layout Orcad .........................................22
3.2. Sơ đồ nguyên lý ..............................................................................................23
3.2.1. Main – board ............................................................................................23
3.2.2. Sub – board ...............................................................................................24
3.2.3. Khối nguồn ...............................................................................................25
3.2.4. Khối MCU ................................................................................................25
3.2.5. Khối Wifi ..................................................................................................26
3.2.6. Khối ZigBee .............................................................................................29
3.3.
Sơ đồ mạch in ..............................................................................................31
3.3.1.
MainBoard ............................................................................................31
3.3.2.
SubBoard ..............................................................................................32
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM ....................................................................34
4.1. Phần mềm nhúng cho module ZigBee ............................................................34
4.1.1. ZAP ..........................................................................................................34
4.1.2. Giao tiếp giữa ZAP và ZNP .....................................................................35
4.2. Phần mềm trên mạch chính.............................................................................39
4.2.1.
WiFi App ..............................................................................................39
4.2.2.
ZigBee Application ...............................................................................49
4.3.
Phần mềm trên mạch phụ ............................................................................53
ii
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
4.3.1. Khởi tạo ứng dụng ....................................................................................54
4.3.2.
Kiểm tra bộ đệm ...................................................................................54
4.3.3.
Xử lý lệnh .............................................................................................59
4.4.
Android Application ....................................................................................59
4.4.1.
Thiết kế hệ thống ..................................................................................59
4.4.4.
Thiết kế cơ sở dữ liệu ...........................................................................64
4.4.5.
Triển khai sơ đồ thuật toán ...................................................................65
4.4.6.
Thiết kế giao diện .................................................................................69
CHƯƠNG 5: THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG .............................................................71
5.1.
Kiểm thử ......................................................................................................71
5.1.1.
Kiểm thử nguồn ....................................................................................71
5.1.2.
Kiểm thử khối Wi-Fi.............................................................................71
5.1.3.
Kiểm thử khối Zigbee ...........................................................................72
5.1.4.
5.2.
Kiểm thử hệ thống ....................................................................................73
Kiểm thử chức năng.....................................................................................74
5.3. Tính ổn định ....................................................................................................75
KẾT LUẬN ...............................................................................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................78
PHỤ LỤC ..................................................................................................................80
iii
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ADC
AP
CAN
DHCP
Analog to Digital Convert
Access Point
controller area network
Dynamic Host Configuration Protocol
IEEE
IP
HAL
HVAC
LAN
Institute of Electrical and Electronics
Engineers
Intenet Protocol
Hardware Abstract Layer
Heating, Ventilation, Air Condition
Local Area Network
M2M
MCU
MI
Machine to Machine
Micro Controller Unit
Master Input slave output data
MO
Master Output slave input data
NWK
OSAL
PHY
ZAP
ZCL
ZDO
ZNP
Network
Operating System Abstract Layer
Physical
ZigBee Application Processor
ZigBee Cluster Library
ZigBee Device Object
ZigBee Network Processor
v
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Tổng quan hệ thống Smarthome .................................................................4
Hình 1.2: Các thành phần trong Smart hom................................................................6
Hình 2.1: Mô hình tổng quát hệ thống. .......................................................................9
Hình 2.2: Sơ đồ truyền dữ liệu ..................................................................................10
Hình 2.3: Đồ hình mạng Mesh của hệ thống ............................................................11
Hình 2.4: Sơ đồ khối của Main – board ....................................................................14
Hình 2.5: Sơ đồ khối Sub – board ............................................................................17
Hình 2.6: Kiến trúc ZNP [15]. ..................................................................................18
Hình 2.7: Kiến trúc ZAP [17]. ..................................................................................19
Hình 2.8: Mô hình kết nối giữa ZAP và ZNP [3]. ....................................................20
Hình 2.9: CC3000 Smart Config [8]. ........................................................................21
Hình 3.1: Orcad Capture ...........................................................................................22
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý của Main – board ...........................................................23
Hình3.3: Sơ đồ nguyên lý của Sub – board ..............................................................24
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn ...............................................................25
Hình 3.5: Khối MCU.................................................................................................25
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý khối Wifi ........................................................................26
Hình 3.7: CC3000 [13]. .............................................................................................27
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý kết nối CPU và khối Zigbee qua chuẩn SPI ..................29
Hình 3.9: Module CC2530 ........................................................................................30
Hình 3.10: Sơ đồ layout lớp TOP của Mainboard ....................................................31
Hình 3.11: Sơ đồ layout lớp BOTTOM của MainBoard .........................................32
Hình 3.12: Sơ đồ layout lớp TOP của SubBoard ......................................................32
Hình 3.13: Sơ đồ layout lớp BOTTOM của SubBoard.............................................33
Hình 4.1: Sơ đồ phân tầng của ZAP .........................................................................34
Hình 4.2: Giao tiếp giữa ZAP và ZNP .....................................................................35
Hình 4.3: Lệnh AREQ...............................................................................................36
Hình 4.4: Lệnh POLL ...............................................................................................37
vi
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
Hình 4.5: Lệnh SREQ ...............................................................................................38
Hình 4.6: Quan hệ giữa các ứng dụng trong phần mềm trên mạch chính ................39
Hình 4.7: Kiến trúc tổng quan của process trên Module CC3000 [8] ......................39
Hình 4.8: Luồng dữ liệu trong CC3000 ....................................................................40
Hình 4.9: Biểu đồ luồng hoạt động của wifi .............................................................41
Hình 4.10: Các bước cấu hình lần đầu cho CC3000[10] ..........................................42
Hình 4.11: Quá trình cấu hình lần đầu [10] ..............................................................43
Hình 4.12: Cấu trúc gói cấu hình lần đầu [10] ..........................................................44
Hình 4.13: Các bước tạo kết nối WLAN của CC3000 .............................................45
Hình 4.14: Quá trình đặt IP tĩnh cho CC3000...........................................................46
Hình 4.15: Quá trình khởi tạo Server TCP Socket....................................................47
Hình 4.16: Quá trình truyền dữ liệu thông qua CC3000 ...........................................48
Hình 4.17: Khởi tạo ZigBee ......................................................................................49
Hình 4.18: Cấu trúc gói tin quảng bá ........................................................................51
Hình 4.19: Thêm thiết bị mới ....................................................................................51
Hình 4.20: Cập nhật thiết bị ......................................................................................52
Hình 4.21: Quan hệ giữa các ứng dụng trong phần mềm trên mạch phụ .................53
Hình 4.22: Biểu đồ luồng hoạt động của ứng dụng ..................................................53
Hình 4.23: Quá trình khởi tạo ứng dụng ...................................................................54
Hình 4.24: Thư viện ZCL và ứng dụng [21] .............................................................56
Hình 4.25: Mô hình kết nối hệ thống ........................................................................59
Hình 4.26: Sơ đồ liên kết tổng thể của apps .............................................................60
Hình 4.27: Sơ đồ kết nối giữa client và server ..........................................................61
Hình 4.28: Bảng cơ sở dữ liệu của device ................................................................65
Hình 4.29: Sơ đồ thuật toán voice to activity............................................................65
Hình 4.30: Sơ đồ thuật toán add new device ............................................................66
Hình 4.31: Sơ đồ thuật toán Send .............................................................................67
Hình 4.32: Sơ đồ thuật toán Receiver .......................................................................68
Hình 4.33: Giao diện chưa có device ........................................................................69
vii
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
Hình 4.34: Giao diện sau khi thêm devices ..............................................................69
Hình 4.35: Lịch sử điều khiển devices ......................................................................69
Hình 4.36: Điều khiển cường độ devices ..................................................................69
Hình 4.37: Các thuộc tính của device .......................................................................70
Hình 4.38: Xem thông tin của device .......................................................................70
viii
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: So sánh một số đặc điểm của Zigbee, Bluetooth, và Wifi (bảng này với
đặc điểm của các chuẩn nguyên thủy – chưa cải tiến) ................................................5
Bảng 2.1: Thành phần module trung tâm ..................................................................11
Bảng 2.2: Thành phần trong node ZigBee ...............................................................13
Bảng 2.3: Chỉ tiêu kĩ thuật khối MCU ......................................................................15
Bảng 2.4: Chỉ tiêu kĩ thuật khối ZigBee ...................................................................15
Bảng 2.5: Đặc điểm kĩ thuật khối Wifi .....................................................................16
Bảng 2.6: Thông số của khối nguồn .........................................................................16
Bảng 3.1: CC3000 Specification[8] .........................................................................28
Bảng 4.1: Mô tả các trường của gói tin Beacon/Probe [10]......................................44
Bảng 4.2: Lệnh cấu hình module ZigBee .................................................................50
Bảng 4.3: Các trường trong gói tin quảng bá ............................................................51
Bảng 4.4: Miền chức năng định nghĩa trong ZCL [22] ............................................55
Bảng 4.5: Cấu trúc của Cluster .................................................................................57
Bảng 4.6: ON/OFF Cluster .......................................................................................58
Bảng 4.7: Level Control cluster ................................................................................58
Bảng 4.8: Temperature measurement cluster ............................................................59
Bảng 5.1: Bảng đánh giá kết quả kiểm thử nguồn ..................................................71
Bảng 5.2: Bảng đánh giá kết quả kiểm thử khối WiFi .............................................72
Bảng 5.3: Bảng đánh giá kết quả kiểm thử khối WiFi ..............................................73
Bảng 5.4: Kết quả kiểm thử hệ thống. ......................................................................73
Bảng 5.5: Chức năng được kiểm thử ........................................................................74
Bảng 5.6. Kết quả kiểm thử tính ổn đinh. .................................................................75
ix
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
LỜI MỞ ĐẦU
Kinh tế phát triển, cuộc sống của con người ngày càng có nhu cầu cao, mặt
khác các nguồn năng lượng và vật liệu cạn kiệt dần do đó nhu cầu của con người về
cuộc sống thoải mái, an toàn, tiện nghi và được ở trong một ngôi nhà thông minh là
điều tất yếu nhằm giảm thiểu tiêu hao năng lượng, tận dụng nguồn nguyên vật liệu.
Trong những năm gần đây, sự phổ biến của nhà thông minh tăng mạnh nhờ
sự phát triển của nền kinh tế. Đồng thời các thiết bị điện tử cá nhân như
smartphone, tablet,… trở nên rất gần gũi và phổ biến đối với cuộc sống hằng ngày
của mỗi người. Ngoài ra, Internet và các mạng thông tin di động 3G, 4G cũng là
một yếu tố thúc đẩy sự phát triển này. Các hệ thống nhà thông minh còn cung cấp
khả năng tương tác với người sử dụng thông qua các thiết bị điện tử cá nhân và
mạng Internetcho phép con người có thể giám sát và điều khiển ngôi nhà từ bất cứ
đâu, đáp ứng nhu cầu cho người bận rộn thường xuyên xa nhà.
Hiện nay, các hệ thống nhà thông minh đã được triển khai tại Việt Nam khá
nhiều. Tuy nhiên, các thiết bị đầu cuối trong nhà thông minh thường được nhập từ
nước ngoài với giá thành đắt. Nghiên cứu thiết kế một thiết bị đầu cuối dùng cho
nhà thông minh là cần thiết, hướng tới sản phẩm có chất lượng tốt với chi phí hợp
lý. Chính vì vậy tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà
thông minh”
Nội dung của đề tài được chia ra làm 5 chương:
Chương 1: Đặt vấn đề
Tổng quan về nhà thông minh – Smarthome
Chương 2: Kiến trúc hệ thống
Giới thiệu cơ bản về kiến trúc hệ thống, phương pháp thiết kế, thông số kỹ
thuật của các thành phần trong hệ thống
Chương 3: Thiết kế phần cứng
Chương này đưa ra sơ đồ nguyên lý của main – board, sub – board.
Chương 4: Thiết kế phần mềm
Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ
Page 1
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
Trình bày về phần mềm trong hệ thống, bao gồm phần mềm nhúng trên vi
điều khiển, và phần mềm được cài đặt trên điện thoại di động.
Chương 5: Thử nghiệm hệ thống
Trình bày về các phương pháp thử nghiệm nhằm đánh giá chi tiết các chức
năng, độ ổn định của hệ thống.
Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ
Page 2
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
Chương này giúp ta có cái nhìn tổng quan về “nhà thông minh” (Smarthome)
cũng như các thành phần có trong nhà thông minh. Đồng thời đưa ra các tiêu chuẩn
mạng có dây/ không dây có thể sử dụng để các thiết bị trong Smarthome giao tiếp
được với người sử dụng.
1.1.
Smart home
Những thiết bị thông minh đang dần gần gũi hơn với cuộc sống con người,
trong đó không thể không nhắc đến loại hình là nhà thông minh - Smarthome.
Kinh tế phát triển, đời sống được nâng cao, nhu cầu của con người về một
cuộc sống thoải mái, an toàn, tiện nghi là điều tất yếu. Chính vì vậy, ý tưởng về nhà
thông minh (SmartHomes, SmartHouses, hay Home Automation...) đã ra đời như là
ý tưởng về một ngôi nhà thân thiện với các thiết bị vận hành một cách tự động theo
ý muốn hay trạng thái của chủ nhân.
Trong những năm gần đây, Smarthome đang phát triển cực kì mạnh mẽ,
cùng với sự phát triển của các thiết bị điện tử cá nhân như máy tính bảng - tablet và
điện thoại thông minh - smartphone cùng hạ tầng thông tin ngày càng tiên tiến như
internet hoặc các mạng thông tin di động 3G, 4G. Ngày nay các hệ thống nhà thông
minh còn cung cấp khả năng tương tác với người dùng thông qua các thiết bị điện tử
cá nhân cho phép con người có thể giám sát và điều khiển ngôi nhà từ bất cứ đâu.
Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ
Page 3
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
Hình 1.1: Tổng quan hệ thống Smarthome
Nhà thông minh là một ý tưởng tương đối rộng, nó có thể bảo gồm từ những
thiết bị điều khiển đơn giản như điều khiển ti vi bằng điều khiển từ xa cho đến
những điều khiển tự động bằng cảm ứng như thay đổi ánh sáng, nhiệt độ phòng tùy
theo sở thích của chủ nhân hay thay đổi đề phù hợp với các điều kiện thời tiết thay
đổi để tạo sự dễ chịu nhất cho chủ nhân... Cũng vì sự đa dạng ấy nên cũng đã có rất
nhiều những kĩ thuật khác nhau đã từng được áp dụng trong các giải pháp về nhà
thông minh như điều khiển ánh sáng và khí hậu, điều khiển đóng/ mở cửa, những hệ
thống an ninh và giám sát, điều khiển hệ thống âm thanh giải trí trong gia đình hay
các hệ thống tự động chăm sóc vườn cây... Và các thành phần để triển khai những
kĩ thuật này có một số loại như sau: các thiết bị được điều khiển bằng phần cứng
(hardware controller), và bằng phần mềm điều khiển (software controller), các thiết
bị cảm ứng (sensors). Việc kết nối các thành phần này cũng sử dụng rất nhiều loại
môi trường truyền dẫn đa dạng như: có dây (cáp quang, cáp mạng, đường dây
điện...) hay không dây (các loại sóng radio bao gồm wi-fi, GPRS, bluetooth, Zigbee
...; tín hiệu hồng ngoại...).
Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ
Page 4
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
Bảng 1.1: So sánh một số đặc điểm của Zigbee, Bluetooth, và Wifi (bảng này với
đặc điểm của các chuẩn nguyên thủy – chưa cải tiến)
Chuẩn
802.15.4/ZigBee
802.15.1/Bluetooth
802.11/Wi-Fi
Tầm hoạt động (mét)
1 – 100
1 – 10
1 – 100
Thời gian sống nuôi
100 – 1000
1–7
0.5 – 5.0
> 64000
7
32
bằng pin (ngày)
Số lượng các nút trong
mạng
Ứng dụng
Giám sát và điều
Web, Email, Video Thay thế dây nối
khiển (Monitoring &
trong giao tiếp
Control)
máy tính – thiết bị
ngoại vi
Kích thước stack (kb)
4 – 32
250
1000
Tốc độ truyền (kb/s)
20 – 250
720
11000
Mạng ZigBee đang dần trở nên phổ biến trong các hệ thống Smart home.
ZigBee tuy có tốc độ dữ liệu thấp nhưng nếu mục tiêu của truyền thông không dây
là để truyền và nhận các lệnh đơn giản hoặc thu thập thông tin từ các cảm biến như
nhiệt độ, độ ẩm, ZigBee cung cấp nhiều năng lượng nhất và cũng là giải pháp tiết
kiệm chi phí hiệu quả nhất so với Bluetooth và IEEE 802.11b.
1.2.
Thành phần trong Smart home
Các thành phần trong Smart home bao gồm các cảm biến (như cảm biến
nhiệt độ, ánh sáng, phát hiện chuyển động), các bộ điều khiển, cơ cấu chấp hành
(van chuyển động, công tắc chuyển mạch,…). Hệ thống cũng cần có một hoặc nhiều
thiết bị giao tiếp, giúp con người tương tác được với hệ thống để quản lý và điều
khiển. Các thiết bị đó có thể là smartphone, máy tính cá nhân, máy tính bảng. Các
thiết bị giao tiếp có thể kết nối thông qua mạng có dây/ không dây sử dụng các
chuẩn khác nhau như M2M, CAN… Các thiết bị thông minh trong Smart home
được đặt xung quanh nhà và được điều khiển bởi bộ điều khiển trung tâm.
Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ
Page 5
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
Các thành phần kể trên được tích hợp với nhau tạo thành các hệ thống nhỏ,
thực hiện những công việc xác định. Sau đây là những công việc trong hệ thống
Smart home:
Hình 1.2: Các thành phần trong Smart hom
1.2.1. Hệ thống chiếu sáng
Hệ thống điều khiển ánh sáng được sử dụng để điều khiển các thiết bị phát sáng
trong nhà giúp tiết kiệm điện và phù hợp với khung cảnh. Các tác vụ bao gồm:
• Tắt tất cả các đèn trong tại một thời điểm xác định.
• Sử dụng phát hiện chuyển động, tắt đèn nếu không có người, tự động bật đèn
khi có người vào.
• Bật tắt đèn bằng các thiết bị điều khiền không dây.
• Điều khiển độ sáng trong nhà theo độ sáng môi trường.
Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ
Page 6
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
Khi tích hợp hệ thống ánh sáng vào Smart home, các tác vụ có thể điều khiển
hệ thống sử dụng smartphone.
1.2.2. HVAC
HVAC được sử dụng để điều khiển độ ẩm, nhiệt độ. Hệ thống này cho phép
người dùng điều khiển độ ẩm, nhiệt độ bằng cách điều khiển chế độ làm việc của
các thiết bị như máy phát nhiệt, điều hòa nhiệt độ hoặc có thể đóng, mở cửa sổ để
không khí được thông thoáng hơn.
1.2.3. Hệ thống âm thanh trung tâm
Với hệ thống này, bạn có thể nghe bản nhạc mình yêu thích tại các khu vực
khác nhau trong nhà. Hệ thống âm thanh trung tâm này được kết nối trực tiếp với hệ
thống điều khiển tự động, qua đó có thể điều khiển qua lại với nhau (ví dụ có thể kết
hợp giữa âm thanh và chiếu sáng cũng như rèm cửa theo các chế độ cảnh).
1.2.4. Hệ thống an ninh
Hệ thống an ninh là phần không thể thiếu cho mỗi ngôi nhà. Hệ thống an
ninh sẽ làm cho ngôi nhà của bạn trở nên an toàn hơn ở cả bên trong lẫn bên ngoài
ngôi nhà. Một hệ thống thông minh bao gồm một số các cảm biến, cả phát hiện
chuyển động, cảm biến kính vỡ và camera an ninh. Với Smart Home tích hợp hệ
thống anh ninh, người dùng có thể xem trực tiếp ngôi nhà của họ thông qua camera.
Camera cho phép người dùng xác định được các hành động xảy ra xung quanh ngôi
nhà của họ. Hệ thống anh ninh cũng chứa các cảm biến chuyển động. Cảm biến
chuyển động sẽ phát hiện những chuyển động không mong muốn, thông báo cho
người dùng thông qua điện thoại di động. Cảm biến khí gas, khói giúp phát hiện ra
cháy, chuông báo cháy sé kêu liên tục, hệ thống báo cho chủ nhà, sau 1 khoảng thời
gian không có người ngắt báo cháy thì hệ thống tự động ngắt điện toàn nhà nhằm
tránh chập cháy lan truyền.
Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ
Page 7
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
1.3.
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
Mục tiêu của đồ án.
Thiết kế, triển khai và kiểm thử hệ thống có chức năng điều khiển cơ bản như
bật tắt các thiết bị có trong mạng Zigbee bằng cách sử dụng phần mềm trên điện
thoại thông qua mạng WiFi. Và người dùng có thể cập nhật được một số thông tin
từ thiết bị như nhiệt độ, công suất … Mạng WiFi và ZigBee có khả năng tự cấu
hình, tự khắc phục sự cố khi có các node bị hỏng trong quá trình vận hành hoặc do
mất điện.
Thiết kế thiết bị đầu cuối trung tâm cho phép kết nối các thiết bị đo và điều
khiển nhà và kết nối với mạng Internet. Thiết bị cho phép người dùng điều khiển
toàn bộ các thiết bị trong nhà thông qua mạng Internet.
Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ
Page 8
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC HỆ THỐNG
Chương này giới thiệu cơ bản về kiến trúc hệ thống. Mục tiêu chính là đề cập
đến phương pháp thiết kế, thông số kỹ thuật của các thành phần có trong hệ thống
và phần mềm điều khiển trên Smartphone.
2.1.
Tổng quan hệ thống Smart Home
Hình 2.3: Mô hình tổng quát hệ thống.
Trong ngôi nhà chúng ta thấy các thiết bị được bố trí xung quanh căn phòng,
các thiết bị được kết nối với nhau và kết nối với trung tâm qua mạng ZigBee.
Module trung tâm có vai trò chuyển đổi dữ liệu nhận được từ các thiết bị trong
mạng ZigBee sang mạng Internet sử dụng module Wifi. Trên điện thoại smartphone
được cài đặt phần mềm cho phép người dùng tương tác với hệ thống. Trên phần
mềm có chứa danh sách các thiết bị có trong mạng ZigBee.
Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ
Page 9
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
Hình 2.4: Sơ đồ truyền dữ liệu
Khi người dùng thao tác với các node (thiết bị) trong hệ thống được liệt kê
trên phần mềm (touch, ra lệnh bằng giọng nói), phần mềm trên smartphone đọc lệnh
và gửi đến module Wifi thông qua sóng Wifi. Module Wifi nhận được dữ liệu sẽ
truyền sang ZigBee Coordinator. ZigBee Coordinator sẽ truyền gói dữ liệu tới thiết
bị cần thực hiện lệnh (thiết bị thực hiện lệnh được xác định bằng địa chỉ chứa trong
gói dữ liệu). Thiết bị thực hiện lệnh sẽ chấp hành lệnh mà người dùng gửi tới, kết
thúc một chu trình hoạt động.
2.2.
Phân tích hệ thống
Với hệ thống Smart home như trên, chúng ta có thể thấy hệ thống bao gồm
những thành phần sau:
2.2.1. Module trung tâm
Module trung tâm là thành phần quan trọng nhất của hệ thống. Nhiệm vụ của
module này bao gồm việc tạo ra mạng ZigBee và quản lý các node chứa trong mạng
ZigBee. Ngoài ra, module này cũng cho phép chuyển đổi dữ liệu từ mạng ZigBee
sang mạng Wifi. Với những chức năng như vậy, các thành phần chứa trong module
trung tâm được thể hiện trong bảng 2.1:
Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ
Page 10
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
Bảng 2.2: Thành phần module trung tâm
Chức năng
Thành phần
Module ZigBee
Đóng vai trò là Coordinator, truyền và nhận dữ
liệu từ router và end device
Kết nối vào mạng Wifi, tạo ra server cho phép
Module Wifi
các thiết bị cùng mạng có thể kết nối vào
2.2.2. Mạng ZigBee
Mạng kết nối trong Smart home có mật độ từ 2 đến khoảng 500 node.
Có một vài đồ hình mạng được sử dụng trong mạng ZigBee, bao gồm đồ
hình hình sao, đồ hình dạng cây, đồ hình dạng lưới. Đặc điểm của các thiết bị trong
mạng Smart home là sự phân bố rời rạc, gần nhau. Vì vậy đồ hình dạng lưới (Mesh
network topology) sẽ phù hợp hơn cả.
ZED
ZC
ZED
ZED
ZR
ZR
ZED
ZR
ZR
ZED
ZED
ZED
ZigBee Coordinator
ZigBee router
ZigBee end device
Hình 2.5: Đồ hình mạng Mesh của hệ thống
Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ
Page 11
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
Mạng hình lưới không tập trung cao độ như đồ hình hình sao, mạng hoạt
động theo chế độ ad – hoc, cho phép chuyển tiếp nhiều chặng.
Có ba loại thiết bị chính trong mạng ZigBee, bao gồm: ZigBee Coordinator,
ZigBee router, ZigBee end device.
- ZigBee Coordinator có chức năng tạo mạng ZigBee, cho phép các thiết bị
khác kết nối vào mạng, định tuyến các message trong mạng. Ngoài các vai trò chính
trong mạng ZigBee, Coordinator còn có chức năng giao tiếp với mạng Wifi. Tất cả
các dữ liệu từ các node được gửi đến ZigBee Coordinator, ZigBee Coordinator sẽ
chuyển tất cả dữ liệu nhận được đến phần mềm trên điện thoại smartphone qua
mạng Wifi. Coordinator phải luôn được cấp nguồn để duy trì mạng.
- ZigBee Router có chức năng hình thành các nhánh cho phép các thiết bị khác
kết nối vào mạng mà nó đã kết nối trước đó. Tương tự như ZigBee Coordinator,
ZigBee router cũng có chức năng chuyển tiếp các gói tin đến đích.
- ZigBee End device là thiết bị đơn giản nhất trong mạng ZigBee. Không
giống như ZigBee Coordinator và ZigBee Router, ZigBee End device chỉ có chức
năng tìm và kết nối vào một mạng đã được tạo ra bởi ZigBee Coordinator. Một đặc
điểm khác của ZigBee End device là có thể tắt sóng và vào trạng thái ngủ đông để
tiết kiệm năng lượng.
2.2.3. Node
Node là nơi nhận dữ liệu và chấp hành lệnh từ ngươi dùng. Node là một thiết bị
điểm được ghép nối lại cùng với nhiều thiết bị khác tạo nên một mạng ZigBee. Mỗi
node có thể là một ZigBee Router hoặc ZigBee End device. Mỗi node gồm những
thành phần chứa trong bảng sau:
Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ
Page 12
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
Bảng 2.3: Thành phần trong node ZigBee
Chức năng
Thành phần
Khối ZigBee
Đóng vai trò là Router hoặc End device. Nhận dữ
liệu từ Coordinator.
Khối cảm biến nhiệt độ
Đo nhiệt độ từ môi trường
Khối Switch
Thực hiện lệnh tắt, bật, điều chỉnh mức độ của
các thiết bị khi nhận được lệnh từ người dùng
2.3.
Kiến trúc hệ thống
Ta có thể chia hệ thống Smart Home làm hai thành phần chính, đó là phần cứng
và phần mềm.
• Phần cứng:
-
Main - board: Đây chính là module trung tâm của hệ thống. Phần này bao
gồm module Wifi và module ZigBee. Main - board có nhiệm vụ chuyển dữ
liệu từ mạng Zigbee sang mạng Wifi và ngược lại.
-
Sub – board: Đây chính là các node trong hệ thống. Mỗi node đóng vai trò là
ZigBee End device hoặc ZigBee router. Các thiết bị được điều khiển sẽ được
kết nối tới Main – board để nhận lệnh và gửi dữ liệu lên mạng ZigBee.
• Phần mềm:
-
Phần mềm trên điện thoại: Phần mềm này được cài đặt trên điện thoại, nó
cho phép người dùng tương tác với hệ thống.
-
Phần mềm nhúng: Được cài đặt lên các phần cứng (trên bo mạch) để điều
khiển mạng ZigBee. Phần mềm nhúng chịu trách nhiệm tạo ra và quản lý
mạng ZigBee…
Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ
Page 13
Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh
2.4.
GVHD: TS. Hoàng Phương Chi
Phần cứng
2.4.1. Main – board
a. Yêu cầu chức năng:
- Kết nối Wifi: Dùng để kết nối với Smartphone, sử dụng chuẩn kết nối IEEE
802.11b/g
- Kết nối ZigBee: Dùng để kết nối với các thiết bị, sử dụng chuẩn IEEE
802.15.4/ZigBee
- Display: Gồm các Led, màn hình LCD 16x2 hiển thị trạng thái của hệ thống.
b. Yêu cầu phi chức năng:
- Hệ thống hoạt động ổn định (hệ thống ít bị treo, kết nối không bị gián đoạn, tự
động khôi phục khi có sự cố bất thường xảy ra).
- Tự động kết nối, phát hiện các node được thêm vào.
- Giá thành phù hợp.
c. Sơ đồ khối của Main – board
Nguồn
Module ZigBee
SPI
MCU
SPI
Module WIifi
Hình 2.6: Sơ đồ khối của Main – board
Main – board bao gồm các khối: ZigBee, Wifi, MCU, nguồn. Khối ZigBee
có nhiệm vụ tạo ra và duy trì mạng ZigBee. Khối Wifi có chức năng kết nối vào
mạng Wifi, tạo ra server cho phép smartphone/tablet có thể kết nối vào và điều
khiển thiết bị. Khối MCU điều khiển mọi hoạt động của mạch. Khối nguồn có nhiện
vụ cung cấp năng lượng cho toàn mạch.
Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ
Page 14
