Nghiên cứu triển khai mô hình smarthome với chuẩn DLNAUPNP

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

------------------------------------TRẦN ANH NAM

NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI MÔ HÌNH
SMARTHOME VỚI CHUẨN DLNA/UPNP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HÀ NỘI, NĂM 2016


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

------------------------------------TRẦN ANH NAM

NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI MÔ HÌNH
SMARTHOME VỚI CHUẨN DLNA/UPNP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM HUY HOÀNG

HÀ NỘI, NĂM 2016


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi trong đó có sự giúp đỡ
rất lớn của thầy hướng dẫn TS Phạm Huy Hoàng
Các nội dung nghiên cứu, số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Trong luận văn, tôi có tham khảo đến một số tài liệu đã được liệt kê tại phần
Tài liệu tham khảo ở cuối luận văn. Các tài liệu tham khảo được trích dẫn trung thực
trong luận văn.
Hà Nội, ngày… tháng … năm 2016
Tác giả

Trần Anh Nam

1


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Huy Hoàng đã dành thời gian
quý báu, tận tình hướng dẫn chỉ bảo, góp ý cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận
văn tốt nghiệp.
Tôi xin được cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy giáo, Cô giáo trong
Viện Đào tạo Sau đại học – Đại học Bách Khoa.
Đặc biệt, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy giáo, Cô giáo
trong Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông đã tham gia giảng dạy tôi trong quá
trình học tập tại Trường. Các thầy cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức, tạo
tiền đề cho tôi hoàn thành luận văn.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp và nhất là gia
đình tôi đã quan tâm và tạo mọi điều kiện tốt nhất, động viên, cổ vũ tôi trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu để hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2016

Tác giả

Trần Anh Nam

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. - 1 LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................2
MỤC LỤC ..................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ............................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH .........................................................................................6
CHƢƠNG MỞ ĐẦU .................................................................................................9
1. Bối cảnh thực tiễn và ý nghĩa khoa học ...............................................................9
2. Nhiệm vụ đặt ra ...................................................................................................10
3. Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................10
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ..........................................................11
1. Tổng quan về SmartHome ..................................................................................11
1.1. Giới thiệu về nhà thông minh .....................................................................11
1.2. Xu hướng nhà thông minh ..........................................................................12
1.3. Công nghệ sử dụng trong nhà thông minh .................................................13
2. Tổng quan về giao thức mạng UPnP .................................................................14
2.1. Giới thiệu về UPnP .....................................................................................14
2.2. Cơ chế hoạt động UPnP .............................................................................15
2.3. Các thành phần UPnP .................................................................................15
3. Chuẩn DLNA .......................................................................................................17
3.1. Giới thiệu về DLNA ...................................................................................17
3.2. Các thành phần của chuẩn DLNA ..............................................................19
4. Kết luận chƣơng 1: ..............................................................................................21
CHƢƠNG 2. GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG .......................................22

1. Công nghệ UPnP của Intel ..................................................................................22
1.1. Giới thiệu ....................................................................................................22
1.2. Các giải pháp cung cấp ...............................................................................22
2. Công cụ Recommender của Apache Mahout: ..................................................30
2.1. Giới thiệu Apache Mahout: ........................................................................30
2.2. Xây dựng bài toàn gợi ý trên apache mahout .............................................33
3. Kết luận chƣơng 2 ...............................................................................................35
CHƢƠNG 3: ÁP DỤNG CHUẨN UPNP XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIẢI TRÍ ĐA
PHƢƠNG TIỆN VÀ GỢI Ý BÀI HÁT .................................................................36
1. Giới thiệu hệ thống: .............................................................................................36
3


2. Phân tích thiết kế hệ thống: ................................................................................36
2.1. Mô hình phân cấp chức năng .....................................................................37
2.2. Sơ đồ dữ liệu mức đỉnh ..............................................................................39
2.3. Mô hình E-R ...............................................................................................40
2.4. Mô hình quan hệ cơ sở dữ liệu: ..................................................................41
2.5. Thiết kế bảng cở sở dữ liệu ........................................................................42
3. Kết luận chƣơng 3 ...............................................................................................43
CHƢƠNG 4: CÀI ĐẶT CHƢƠNG TRÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .........44
1. Cài đặt chƣơng trình: ..........................................................................................44
1.1. Ứng dụng chia sẻ data (DMS): ...................................................................44
1.2. Ứng dụng điều khiển trung tâm (DMC): ....................................................48
1.3. Ứng dụng chơi nhạc và gợi ý bài hát (DMR) .............................................50
1.4. Một số công nghệ sử dụng trong quá trình cài đặt .....................................53
2. Đánh giá kết quả thử nghiệm: ............................................................................56
3. Kết luận chƣơng 4 ...............................................................................................58
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................59
A. Kết luận ................................................................................................................59

B. Kiến nghị ..............................................................................................................59
C. Hướng phát triển của đề tài. .................................................................................60
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................61

4


DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
KÍ HIỆU

Tiếng Anh

Tiếng Việt

UPnP

Universal Plug and Play

Giao thức mạng các thiết bị

DLNA

Digital

Living

Network

Alliance
DMS

Digital Media Server

DMP

Digital Media Player

DMR

Digital Media Renderer

DMC

Digital Media Controller

5


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1: Sơ đồ nhà thông minh ..................................................................................................14
Hình 2: Mô hình phổ biến, tập trung thư viện multimedia trên 1 máy dạng NAS server. ........16
Hình 3: Mô Hình DLNA trong SmartHome ..............................................................................18
Hình 4: Giao tiếp truyền thông tin của DLNA..........................................................................19
Hình 5 : Các thiết bị tương ứng sử dụng trong môi trường DLNA ..........................................20
Hình 6: Các thiết bị di động trên mô hình DLNA .....................................................................21
Hình 7: Công cụ IntelDevice Validator của Intel .....................................................................23
Hình 8: Mô hình điều khiển đèn sử dụng Device Spy ...............................................................24
Hình 9: Câu hình các thiết bị giả lập .......................................................................................24
Hình 10: Cấu hình bật tắt NetWorkLight .................................................................................25
Hình 11: Thiết lập bật đèn qua webservice ..............................................................................25

Hình 12: Giao diện AV MediaServer của Intel.........................................................................26
Hình 13: Giao diện chia sẻ thư mục .........................................................................................26
Hình 14: Giao diện AV Media Controller của Intel .................................................................27
Hình 15: Giao diện hiển thị danh sách bài hát AV Media Controller của Intel ......................28
Hình 16: Giao diện bật bài hát trên thiết bị MediaRender ......................................................28
Hình 17: Giao diện bật nhạc của DMR ....................................................................................29
Hình 18: Thể hiện giao diện xử lý nhạc của DMR ...................................................................30
Hình 19: Giao diện gợi ý sách của Amazon.com......................................................................31
Hình 20: Mô hình phân cấp chức năng ....................................................................................37
Hình 21: Sơ đồ dữ liệu mức khung cảnh ..................................................................................38
Hình 22: Sơ đồ dữ liệu mức đỉnh ..............................................................................................39
Hình 23: Mô Hình E-R..............................................................................................................40
Hình 24: Mô hình quan hệ cơ sở dữ liệu ..................................................................................41
Hình 25: Giao diện ứng dụng chia sẻ data ...............................................................................44
Hình 26: Giao diện nghiệp vụ chia sẻ nhạc theo thư mục ........................................................45
Hình 27: Giao diện tạo nhóm nhạc và phát nhạc .....................................................................45
Hình 28: Giao diện tạo tên nhóm nhạc.....................................................................................46
Hình 29: Giao diện bổ sung thông tin nhạc..............................................................................46
Hình 30: Giao diện danh sách bài hát sau khi được bổ sung...................................................47
Hình 31:Giao diện nhạc đang được chia sẻ trên server ...........................................................47
Hình 32: Giao diện thêm thiết bị DMC ....................................................................................48
Hình 33: Giao diện nhóm nhạc trong media server .................................................................48
Hình 34: Giao diện danh sách bài hát ......................................................................................49
Hình 35: Giao diện chi tiết file .................................................................................................49
Hình 36: Giao diện file nhạc bật trên browser .........................................................................49
Hình 37: Giao diện render xử lý file nhạc ................................................................................50
Hình 38: Giao diện cách phát nhạc trên thiết bị render ..........................................................51
Hình 39: Giao diện xử lý nhạc..................................................................................................51
Hình 40: Giao diện gới ý bài hát theo ca sỹ .............................................................................52
Hình 41: Giao diện gới ý cùng thể loại ....................................................................................52

Hình 42: Giao diện gợi ý thông minh .......................................................................................53
Hình 43: Giao diện navicat các bảng dữ liệu ...........................................................................53
Hình 44: Code entity kết nối CSDL ..........................................................................................54
Hình 45: Dữ liệu học máy được đẩy ra từ hệ thống .................................................................54
Hình 46: Code gợi ý bài hát bằng thư viện bằng ApacheMahout ............................................55
Hình 47: Giao diện diều khiển nhạc trên ứng dụng DMR........................................................56
6


Hình 48: Thử nghiệm với thiết bị sử dụng vào nghe nhạc và sử dụng gợi ý thông minh .........57
Hình 49: Kết quả thực tế hệ thống gợi ý thông minh................................................................57

7


MỞ ĐẦU
Công nghệ thông tin là một ngành đem lại cho cuộc sống con người nhiều tiện
ích mà không ngành nào có thể sánh bằng. Một trong những tiện ích to lớn ấy là
đem lại sự thoải mái và tiện nghi cho đời sống sinh hoạt hàng ngày.
Hãy tưởng tượng buổi sáng chúng ta thức dậy, đèn trong phòng tự động điều
chỉnh ánh sáng phù hợp với ánh sáng ngoài trời, cỏ ở sân được tưới nước phù hợp
với độ ẩm trong ngày, khi chúng ta xuống nhà đã có bánh mỳ nóng trong lò nướng
bánh và máy cà phê tự động bật. Khi ra khỏi nhà, chúng ta có thể hoàn toàn yên
tâm về hệ thống an ninh cho ngôi nhà. Buổi chiều khi về nhà bồn tắm đã được xả
đủ nước nóng, ánh sáng vừa phải, nhạc du dương được bật để chúng ta có thể bước
ngay vào thế giới thư giãn v.v.
Trong luận văn này, tôi nghiên cứu việc thực hiện Nghiên cứu triển khai mô hình
smarthome với DLNA/UPnP, thông qua các ứng dụng mô phỏng mạng và thiết bị sẽ
làm rõ việc triển khai các ứng dụng trên chuẩn DLNA/UpnP.
Do thời gian và quy mô nghiên cứu còn hạn chế nên khóa luận khó tránh khỏi

những thiếu sót, rất mong sự quan tâm, đóng góp của các thầy cô giáo, các bạn đọc để
luận văn được hoàn thiện và thiết thực.

8


CHƢƠNG MỞ ĐẦU
1. Bối cảnh thực tiễn và ý nghĩa khoa học
Hãy hình dung, lúc 5 giờ sáng, ngôi nhà sẽ tự động đánh thức bạn dậy bằng
cách bật đèn phòng ngủ, hệ thống âm thanh phát ra những bản nhạc yêu thích, rèm
cửa tự động mở ra cho ánh sáng và không khí trong lành vào trong căn nhà của
bạn. Bạn có thể vừa tập thể dục, vừa nghe các bản nhạc du dương, tiếng nước chảy
từ hệ thống tưới tiêu tự động, bình đun nước nóng đã được bật sẵn từ trước đó bạn
có thể dùng để pha trà, pha cà phê và chế biến các món ăn sáng sau khi tập thể dục.
Như vậy bạn đã có một sự chuẩn bị kỹ lưỡng về tinh thần cũng như thể lực cho một
ngày làm việc mới thật hiệu quả.
Khi bạn ra khỏi nhà, bạn chỉ việc nhấn nút kích hoạt chế độ an ninh trên
smartphone của bạn là các thiết bị vào ra sẽ được kiểm tra, hệ thống sẽ tự động
điều khiển đóng các cửa ra vào, đóng các rèm, tắt đèn, tắt các thiết bị điện không
cần thiết để bảo vệ và tiết kiệm điện năng cho gia đình bạn,…
Và khi có bất kỳ một sự truy cập bất hợp pháp nào, hệ thống camera sẽ ghi hình
lại, cảm biến nhận diện, cảm biến chuyển động, cảm biến cửa mở sẽ phát hiện và
kích hoạt hệ thống báo động; hoặc khi có hiện tượng khói, rò khí gas trong nhà, các
cảm biến sẽ phát hiện và hệ thống cũng sẽ tự động ngắt nguồn điện, kích hoạt
thông gió, đồng thời sẽ báo cho bạn biết thông qua smartphone của bạn.
Mặc dù đang ở bên ngoài, nhưng bạn vẫn có thể theo dõi được toàn bộ các hoạt
động trong căn nhà của bạn thông qua chiếc điện thoại smartphone của mình ở mọi
lúc mọi nơi, bạn có thể xem các camera, kiểm tra tình trạng và bật tắt các thiết bị
trong ngôi nhà của bạn.
Chiều đi làm về, hệ thống an ninh tắt, cổng tự động mở, các rèm cửa mở ra, bạn

đi tới đâu đèn hành lang, đèn cầu thang, đèn phòng tự động được bật sáng, hệ
thống điều hòa nhiệt độ hoạt động, bình nước nóng được bật lên, mọi thứ cũng đã
sẵn sàng phục vụ bạn.
Sau khi ăn tối, bạn và các thành viên trong gia đình có thể nghe nhạc, nghe
radio, xem phim, hình ảnh chất lượng cao từ hệ thống giải trí đa phương tiện của
nhà thông minh. Với hệ thống âm thanh, hình ảnh đa vùng, mỗi thành viên có thể

9


chọn xem những bộ phim, nghe những bản nhạc mà mình thích từ kho dữ liệu
media chung của gia đình từ phòng riêng của mình.
Khi bạn nghỉ ngơi, môi trường không khí cũng có vai trò đặc biệt quan trọng
đối với sức khỏe của bạn. Nhà thông minh được trang bị hệ thống kiểm soát môi
trường với các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ oxy đặt ở khắp các vị trí thích
hợp trong ngôi nhà. Các thông số được chuyển về hệ thống trung tâm để tính toán,
đưa ra lệnh điều khiển tới các thiết bị điều hòa nhiệt độ, máy hút ẩm, quạt thông
gió… giúp duy trì trạng thái môi trường trong lành nhất cho ngôi nhà.
Và trước khi đi ngủ, bạn chỉ việc bật chế độ an ninh trở lại, ngôi nhà của bạn sẽ
được bảo vệ an toàn hơn bao giờ hết, bạn không cần phải lo nghĩ gì nữa và sẽ có
một giấc ngủ thật ngon.
Như vậy với ngôi nhà thông minh giúp bạn có thể vừa điều khiển trực tiếp các
thiết bị trong ngôi nhà của bạn thông qua các công tắc, nút nhấn trong nhà vừa có
thể quan sát và điều khiển từ xa trên chính chiếc điện thoại smartphone của bạn.
Bạn có thể tạo sẵn các kịch bản theo ý của mình.
2. Nhiệm vụ đặt ra
Đề tài đã chỉ ra các xu hướng, xu thế của SmartHome ở thế giới cũng như tại
Việt Nam. Nếu ra các khái niệm về chuẩn DLNA/UpnP, phân tích thành phần và
quá trình hoạt động.
Tìm hiểu các giải pháp cho các hệ thống gợi ý (Recommender System). Nghiên

cứu các phương pháp, cơ chế hoạt động và hướng áp dụng triển khai thực tế.
Nghiên cứu và phân tích các giải pháp mã nguồn mở UPnP do Intel cung cấp,
tìm hiểu hệ thống gợi ý Recommender System Apache Mahout để tích hợp vào bài
toán giải trí đa phương tiện.
Áp dụng giải pháp của Intel và Apache Mahout xây dựng hệ thống điều khiển
giải trí đa phương tiện trên SmartHome để mô phỏng cũng như đánh giá kết quả.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận văn sẽ đề cập về việc nghiên cứu cơ chế hoạt động của chuẩn
UPnP/DLNA dựa trên các mô hình SmartHome.
Tìm hiểu phân tích các tiêu chuẩn, giải pháp thực tế đang triển khai. Từ đó đưa
ra nhận định và thực hiện xây dựng mô hình giả lập.
10


Áp dụng các công nghệ mã nguồn mở được cung cấp bởi các nhà phát triển uy
tín như apache, intel, microsoft. Từ đó tận dụng và phát triển bài toán.
Nghiên cứu bổ sung thêm các tính năng, tiện ích để tạo ra sự khác biệt của sản
phẩm nghiên cứu, cũng như nghiên cứu tính ứng dụng và kết quả thực tế.
Từ các nghiên cứu về phương pháp, công nghệ sử dụng. Áp dụng triển khai xây
dựng hệ thống giải trí đa phương tiên sử dụng phương pháp gợi ý thông minh trên mô
hình SmartHome.
Thử nghiệm và đánh giá kết quả của giải pháp. Từ đó đưa ra các kết luận về
tính khả thi cũng như môi trường áp dụng.
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1. Tổng quan về SmartHome
1.1.

Giới thiệu về nhà thông minh

Nhà thông minh (tiếng Anh là "Smart Home") hoặc hệ thống nhà thông minh là

một ngôi nhà/căn hộ được trang bị hệ thống tự động tiên tiến dành cho điều khiển đèn
chiếu sáng, nhiệt độ, truyền thông đa phương tiện, an ninh, rèm cửa, cửa và nhiều tính
năng khác nhằm mục đích làm cho cuộc sống ngày càng tiện nghi, an toàn và góp phần
sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên.
Một trong những ví dụ cơ bản nhất của nhà thông minh là một hệ thống kiểm
soát mức độ chiếu sáng của hệ thống đèn giúp tiết kiệm điện và phù hợp với khung
cảnh, chẳng hạn như cài đặt đèn ánh sáng nhẹ cho các bữa tiệc tối. Hệ thống cũng có
thể điều chỉnh rèm cửa theo yêu cầu, kiểm soát nhiệt độ, hệ thống camera giám sát, hệ
thống khóa cửa tự động, hệ thống phòng ngừa trộm.
Nhà thông minh ngoài ra còn có một số ứng dụng sáng tạo hơn, gồm hệ thống
điều khiển giải trí tại gia – loa công suất khác nhau, hệ thống điện thoại, liên lạc nội
bộ, hệ thống tưới nước.
Các chức năng này có thể được thực hiện nhờ các thiết bị trong nhà được kết
nối với nhau để hệ thống máy tính trung tâm có thể theo dõi các trạng thái và ra các
quyết định điều khiển phù hợp.

11


1.2.

Xu hƣớng nhà thông minh

1.2.1. Xu hướng nhà thông minh trên thế giới
Nhà thông minh mang tính tất yếu của nhân loại.
Nhiều người cho rằng, một trong những điều thú vị nhất khi dùng Internet là nó
rất phổ biến trong cuộc sống. Một phòng ngủ, một cái tủ lạnh hay một ngôi nhà bình
thường cũng đều được nối mạng. Những “ngôi nhà thông minh” giờ đã trở nên quen
thuộc, trong đó Internet không những chỉ được truy cập từ một máy tính cá nhân bình
thường, mà còn là một phương tiện điều khiển các chức năng trong nhà. Hàng nghìn

ngôi nhà nối mạng như vây đã có trong thực tế.
Phó chủ tịch Intel – ông Louis Burns đã từng đưa ra nhận định tại diễn đàn các
nhà phát triển Intel, diễn ra tại Mỹ năm 2004: “ Ngành công nghiệp điện toán, điện tử
tiêu dùng và viễn thông đang kết hợp thành một ngành công nghiệp mới nhằm đưa ra
các giải pháp thống nhất tạo ra những ngôi nhà số, giúp con người sử dụng nối mạng ở
bất cứ nơi nào mà họ đặt chân tới.”
Ngôi nhà thông minh đang là ngôi nhà thể hiện phong cách chuyên nghiệp tại
Mỹ. Theo tập đoàn thương mại Internet Home Alliance cho biết, trong 1,5 triệu ngôi
nhà được xây dựng mới ở Mỹ năm 2005, thì 20% nhà có “cấu trúc nối mạng” để liên
kết điều khiển từ xa.
1.2.2. Xu hướng nhà thông minh tại Việt Nam
Ngôi nhà thông minh đang dần chiếm lĩnh thị trường nhà ở Việt Nam.
Một vài thập kỷ trước đây, ai cũng nghĩ rằng chỉ ông chủ ngành công nghệ
thông tin như Bill Gate mới có thể có được ngôi nhà mơ ước của mình, một ngôi nhà
thông minh có thể ghi nhớ từng thói quen, sở thích của các vị khách đến chơi nhà.
Nhưng ý nghĩ đó đã dần trôi qua theo thời gian, hiện nay, hàng loạt các hãng xây
dựng, các nhà tích hợp mạng nội bộ, các công ty cung cấp đồ gia dụng luôn chào mời
những sản phẩm, dịch vụ nhà thông minh, mang lại sự thoải mái và tiện nghi cho ngôi
nhà của chúng ta.
Cùng với sự phát triển kinh tế của xã hội là sự nâng cao đời sống hàng ngày, ta
có thể thấy rõ công nghệ nhà thông minh luôn gây được sự chú ý của người dân Việt
Nam, đã có hơn 50 ngàn người đến tham quan và sử dụng thử các thiết bị kỹ thuật số
được nối mạng thành hệ thống thống nhất tại Trung tâm kỹ thuật số LG tại thành phố
12


Hồ Chí Minh sau hơn một năm hoạt động. Trung tâm kỹ thuật số LG nằm tại khuôn
viên khách sạn New World, với hơn 1000m2, có thể xem là nơi giới thiệu thiết kế kiểu
mẫu mô hình của một ngôi nhà thông minh với các thiết bị kỹ thuật số mà dù đứng ở
bất kỳ nơi đâu trong ngôi nhà, ta cũng có thể điều khiển tất cả các thiết bị qua mạng

“gia đình” – LG home network, đồng thời có thể sử dụng thử các thiết bị, sản phẩm
đặc biệt sẽ có mặt trong một ngôi nhà thông minh như điều khiển máy lạnh bằng điện
thoại, nghe radio bằng lò vi ba v.v. Ngoài ra trung tâm còn có chương trình đào tạo và
hướng dẫn người sử dụng có thể làm quen, không bỡ ngỡ với việc sử dụng các thiết bị
thường có trong nhà thông minh, như quản lý ngôi nhà qua máy tính để bàn, hay quản
lý hệ thống đèn qua điện thoại v.v.
Theo điều tra của ngành xây dựng, càng ngày số lượng ngôi nhà lắp đặt hệ
thống nhà thông minh ngày càng tăng, song song với nó, tiện nghi của các ngôi nhà
cũng được nâng cao, bởi vậy mà các công ty giải pháp nhà thông minh đã được thành
lập rất nhiều nhằm đáp ứng nhu cầu lắp đặt của khách hàng.
1.3.

Công nghệ sử dụng trong nhà thông minh

Công nghệ nhà thông minh là một cách nói tắt dùng để chỉ hệ thống nhà thông thường
sử dụng các thiết bị và phương thức truyền thông theo một quy tắc hay một chuẩn nào
đó của một hãng sản xuất, phát triển nhà thông minh. Nó giám sát toàn bộ hệ thống
đèn, điều hòa,cửa chớp, đồ gia dụng, phương tiện giải trí, an ninh tòa nhà v.v.

13


Hình 1: Sơ đồ nhà thông minh
2. Tổng quan về giao thức mạng UPnP
2.1.

Giới thiệu về UPnP

UPnP (Universal Plug and Play) là một giao thức mạng giúp các thiết bị với khả
năng kết nối mạng trong gia đình có khả năng nhận ra nhau và truy cập một số dịch vụ

(services) nhất định của nhau, bất kể thiết bị đó thuộc chủng loại nào hoặc chạy hệ
điều hành gì. Được xây dựng dựa trên các nền tảng thông dụng nhất của Internet như
TCP/IP, HTTP, XML, các thiết bị có UPnP sẽ tự động tìm thấy nhau trong mạng khi
chức năng UPnP đang hoạt động mà không đòi hỏi nhiều thao tác cấu hình, tiết kiệm
nhiều công sức cho người sử dụng. Ứng dụng thường gặp nhất của UPnP là stream dữ
liệu media (nhạc, phim) giữa các thiết bị trong mạng và gửi tín hiệu điều khiển giữa
các thiết bị này.
Một thiết bị là một UPnP Server khi được kết nối vào mạng thì nó sẽ tự động
gửi thông báo cho các thiết bị trong mạng (gửi một broadcast packet) địa chỉ IP của
nó, thông báo rằng nó hỗ trợ thiết bị nào, cung cấp dịch vụ nào, và các thiết bị nào là
UPnP Client thì sẽ tự động nhận ra nó và bắt đầu sử dụng các dịch vụ. Khi đó trên màn
hình của UPnP client sẽ hiện ra các thông tin multimedia chia sẻ của thiết bị UPnP.
14


2.2.

Cơ chế hoạt động UPnP

Giao thức mạng UPnP hoạt động theo cơ chế mạng ngang hàng (peer-to-peer),
các thiết bị UPnP đều có quyền gửi và nhận tín hiệu điều khiển ngang nhau. Cũng
đồng nghĩa với việc bạn có thể ngồi ở tầng 3, đặt media server (ví dụ như PC & HDD
Box) ở tầng 2 và dùng tablet điều khiển để phim lưu trên media server đó phát ra trên
TV tại phòng khách tầng 1, miễn sao cả 3 thiết bị đều đã kết nối với hệ thống mạng gia
đình bạn và đã cài ứng dụng hỗ trợ UPnP. Việc di chuyển file dữ liệu sử dụng UPnP
cũng đôi lúc tỏ ra tiện lợi hơn file sharing mặc định của Windows. Tuy vậy do dung
lượng của các dữ liệu multimedia thường rất lớn nên giải pháp lưu trữ toàn bộ các file
này ở một nơi và sử dụng khả năng stream media của UPnP để phát lại trên các thiết bị
khác vẫn được ưa chuộng hơn cả.
UPnP hoạt động trên mọi nền tảng mạng từ Wi-fi, dial-up, các phương pháp

truyền dẫn sử dụng đường dây điện (communication over powerline), mạng dây
Ethernet truyền thống.v.v. Miễn sao có kết nối để truyền dẫn dữ liệu giữa các thiết bị.
Ứng dụng UPnP có thể được xây dựng trên bất cứ nền tảng HĐH nào bằng bất
cứ ngôn ngữ nào. Và với sức mạnh phần cứng mạnh mẽ hơn theo từng ngày, yêu cầu
về cấu hình phần cứng từ lâu đã không còn là chuyện cần bàn đến. Trên thực tế chỉ cần
một HĐH đạt được một lượng người dùng nhất định, chắc chắn sẽ có người viết ứng
dụng UPnP trên đó. Các thiết bị giải trí gia đình như máy console hay TV đời mới
phần lớn đều đã được hãng sản xuất tích hợp khả năng hỗ trợ UPnP ngay từ khi xuất
xưởng.
2.3.

Các thành phần UPnP

2.3.1. UPnP - MediaServer
Cũng tương tự khi download torrent, ta cần ít nhất 1 seed ban đầu làm nguồn
phát tán dữ liệu. Muốn stream phim/nhạc trong mạng thì nơi lưu trữ các dữ liệu
multimedia đó phải có khả năng phát tán dữ liệu, nói cách khác là đóng vai UPnP
server. Trên các thiết bị như PC, laptop sử dụng Windows, Mac hay các distro Linux
phổ biến dạng Ubuntu, điều này chỉ phụ vào việc ứng dụng UPnP mà bạn chọn cài đặt
có chức năng này hay không. May mắn là phần lớn các phần mềm Mediaserver có thể
được dùng làm UPnP Server tốt nhất hiện nay như XBMC, Plex, Mediatomb, Serviio,
15


PS3…. hiện nay đều được phát triển theo dạng cross-plattform. Nghĩa là bạn sẽ không
phải lo lắng về việc mình dùng HĐH nào. Đòi hỏi cấu hình để đóng vai trò UPnP
server cũng không hề cao, vì vậy nếu muốn người dùng hoàn toàn có thể phân tán dữ
liệu multimedia giữa các máy bàn/laptop trong nhà rồi cho tất cả các máy đóng vai trò
server để phát dữ liệu qua lại cho nhau. Nhưng đây không phải cách tối ưu do việc
nhớ và quản lý các dữ liệu bị phân tán không phải dễ dàng. Trong hộ gia đình phương

pháp phổ biến nhất vẫn là tập trung các bộ sưu tập phim, đĩa nhạc vào một máy có thể
chạy bền bỉ 24/24 dạng NAS Server, các thiết bị khác sẽ stream dữ liệu từ đó ra. Chức
năng UPnP Server trên các máy khác lúc này dĩ nhiên vẫn có thể được bật phòng khi
cần thiết, chỉ là chúng ta sẽ không cần mất công nhớ xem phim nào để trên máy nào
nữa.

Hình 2: Mô hình phổ biến, tập trung thư viện multimedia trên 1 máy dạng NAS
server.
Các thiết bị di dộng sử dụng iOS, Android hay các hệ điều hành di động khác,
do thường không có dung lượng lưu trữ cao, khả năng xử lí mạnh mẽ và pin bền bỉ (và
cũng không mấy ai dùng thiết bị di động làm nơi lưu thư viện phim/ảnh/nhạc cả) nên
việc sử dụng các thiết bị này làm UPnP Server là không phổ biến. Dĩ nhiên các ứng
dụng cung cấp chức năng này vẫn tồn tại trên Android hay iOS (ví dụ BubbleUPnP
hay Pixel Media Server), tuy nhiên trên tablet hay smartphone chức năng Server có lẽ
chỉ hữu dụng khi ta đangở nhà người khác và muốn phát thử nhạc/phim lên TV/Loa
của họ. Các phần mềm cross platform kể trên khi chạy trên hệ điều hành di động lại
thường đòi hỏi sức mạnh phần cứng kha khá, ví dụ XBMC hiện vẫn nói không với
Tegra 2.
16


Trên các dạng thiết bị khác như TV, loa đài, Camera, đầu DVD hay máy chơi
game console, các phần mềm và chức năng hầu hết đã được khóa cứng từ khi ta mua
về. Thiết bị đó có thể hỗ trợ UPnP hoặc không, và nếu có thì có thể chỉ nhận được tín
hiệu, chứ không thể đóng vai trò UPnP Server để phát dữ liệu. Tùy theo nhu cầu sử
dụng, ta cần tìm hiểu kĩ khi mua hàng, đặc biệt tham khảo kĩ chứng chỉ DLNA được
cấp cho sản phẩm đó.
2.3.2. UPnP Client: ControlPoint/Renderer/ RenderingControl
Sau khi đã có nguồn phát tín hiệu, việc điều khiển từ xa và nhận tín hiệu được
chia ra làm khá nhiều khâu, dù rằng phần lớn trường hợp các chức năng này đều được

tích hợp chung vào một gói phần mềm. Một thiết bị đóng vai trò UPnP ControlPoint
khi nó có khả năng truy cập, tìm kiếm, sử dụng và thay đổi dữ liệu của MediaServer.
Renderer là thiết bị nhận dữ liệu, xuất ra hình ảnh/âm thanh phục vụ người sử dụng.
Cuối cùng RenderingControl là thiết bị chỉ đảm nhiệm việc điều khiển Renderer, đơn
cử như chiếc điều khiển TV.
Ví dụ: Bạn đang đọc sách trên tầng 3, một PC cũ chuyên dùng để cắm torrent
và lưu phim đặt ở tầng 2, ở phòng khách đang có thành viên đang xem hoạt hình.
Hiển nhiên PC cũ lúc này sẽ được cài XBMC, Plex, Mediatomb… gì đó để đóng vai
trò Server. Khi bạn từ tablet sử dụng các phần mềm như BubbleUPnP, PlugPlayer để
truy cập, chọn phim từ thư viện (library) của Server rồi điều khiển cho phim đó được
phát lên TV, bạn đang sử dụng chức năng ControlPoint. Để làm được điều này, ta sẽ
cần chọn đúng thứ tự : PC là library và TV là renderer từ giao diện điều khiển của
ControlPoint. Nếu trong nhà có vài Server như vậy cộng với vài TV có hỗ trợ UPnP,
việc nhớ đúng vai trò của từng loại thiết bị là rất quan trọng.
Dĩ nhiên, một thiết bị nếu đủ khả năng có thể chịu trách nhiệm nhiều khâu cùng
lúc, vừa là Server vừa là Renderer, đồng thời kiêm luôn ContrlPoint và
RendererControl. Ví dụ đơn giản nhất là khi sử dụng các Mediaserver kể trên để tạo
thư viện trên 1 PC, tìm kiếm phim/nhạc và xem trực tiếp trên cùng 1 máy đó.
3. Chuẩn DLNA
3.1.

Giới thiệu về DLNA

DLNA là chữ cái viết tắt của mạng giao tiếp Digital Living Network Alliance,
được hỗ trợ rộng rãi bởi hầu hết các nhà sản xuất TV, cho phép chia sẻ nội dung hình
17


ảnh, video không dây từ các thiết bị kỹ thuật số như laptop, điện thoại, máy tính
bảng… lền màn hình TV, sử dụng trong cùng một mạng gia đình.

DLNA là một giao thức cho phép những thiết bị kỹ thuật số đa phương tiện có
thể giao tiếp với nhau thông qua mạng nội bộ, cho phép người dùng chia sẻ nhạc, phim
và hình ảnh một cách dễ dàng, ví dụ là bạn có thể truyền hình ảnh từ smartphones vào
TV để xem chẳng hạn.

Hình 3: Mô Hình DLNA trong SmartHome
DLNA đại diện cho cụm từ Digital Living Network Alliance. Tổ chức phi lợi
nhuận này được tạo ra bởi Sony vào năm 2003, đặt ra các tiêu chuẩn và nguyên tắc
cho các thiết bị giải trí / truyền thông đa phương tiện như máy chơi game, hệ thống âm
thanh gia đình, loa, thiết bị lưu trữ và smartphones. Không chỉ có phần cứng, các phần
mềm cũng có chứng nhận DLNA như Windows Media Player. Những thiết bị này sử
dụng một giao thức chuẩn để giao tiếp với nhau. Thay vì mỗi nhà sản xuất tạo ra một
giao thức riêng cho các thiết bị của mình thì DLNA làm cho chúng có một quan hệ “tứ
hải giai huynh đệ”, miễn là chúng được cấp chứng nhận DLNA và hoạt động trong
cùng một mạng thì chúng đề hiểu và nhìn thấy nhau.
Giao tiếp này mang đến nhiều lợi ích hơn cho người sử dụng nhờ chia sẻ rộng
rãi hơn, cho nhiều TV hơn trong gia đình, xem màn hình lớn hơn hay tiết kiệm bộ nhớ
hơn vì không phải lưu trữ ở tất cả các thiết bị.
Với mỗi nhà sản xuất TV, chuẩn giao tiếp này sẽ được gọi bằng những cái tền
khác nhau như AllShare trong các dòng SmartTV của Samsung hay SmartShare của
LG hoặc Simple Share của Philips, thậm chí là AirPlay – một phiền bản chia sẻ dữ liệu
không dây thông minh của Apple nhưng đây chỉ là giải pháp thúc đẩy, hỗ trợ, không
18


phải giải pháp đầy đủ hoàn hảo như DLNA. Song, DLNA vẫn là tền phổ biến nhất để
gọi cho chuẩn giao tiếp không dây nói trền.

Hình 4: Giao tiếp truyền thông tin của DLNA
Đây là một công nghệ di động khá phổ biến hiện nay được tích hợp trong các

smartphone, máy tính, máy nghe nhạc, TV… DLNA là giải pháp chia sẻ nội mạng
trong gia đình giúp người dùng dễ dàng chia sẻ phim, nhạc, hình ảnh chất lượng cao
giữa các thiết bị “đạt chuẩn” DLNA. Bạn cứ tưởng tượng bạn có một ổ cứng được lưu
rất nhiều nhạc và phim trên máy tính, nhờ cài đặt DLNA bạn có thể chia sẻ kho dữ liệu
này tới các thiết bị có DLNA khác như TV, đầu đĩa, smartphone, máy tính khác,… mà
không phải thông qua một kết nối vật lý như USB hay dây cáp nào.
Các thiết bị DLNA sử dụng bộ mã UPnP – Universal Plug and Play – để tìm và
hiểu lẫn nhau. DLNA chia các thiết bị này ra thành nhiều lớp khác nhau.
3.2.

Các thành phần của chuẩn DLNA

Thông thường, trên các thiết bị đa phương tiện có hỗ trợ DLNA thường sẽ hỗ
trợ nhiều chuẩn DLNA khác nhau, nhưng phần lớn đều hỗ trợ các chuẩn:
Các thiết bị kết nối trong nhà
DMS(Digital Media Server) Máy chủ kỹ thuật số: Với chuẩn này các thiết bị sẽ
lưu trữ nội dung và sẽ trở thành một máy chủ đa phương tiện, các thiết bị đạt chuẩn
DLNA khác có thể truy xuất vào điện thoại để mở file đa phương tiện. Máy chủ ở đây
có thể là một NAS có DLNA hay một máy tính chạy Windows Media Player.
19


DMP(Digital Media Player) Với chuẩn này, thiết bị trở thành một thiết bị truy
cập vào DMS và phát nội dung . Nội dung không lưu trên máy mà được lưu trên một
máy chủ đa phương tiện khác hỗ trợ DLNA.
Digital Media Renderer (DMR): Đây là các thiết bị phát các nội dung từ DMC,
nó sẽ tìm thông tin lưu trữ từ DMS. Phát nhạc, hình phim từ điện thoại lên thiết bị
khác như TV, dàn âm thanh. Ví dụ như: TVs, Màn hình hiển thị...
Digital Media Controller (DMC): Đây là các thiết bị sẽ tải nội dung đa phương
tiện trên máy chủ đa phương tiện hỗ trợ DLNA và phát nội dung đã được tải về đó trực

tiếp trên nội dung đã được tải về.
Digital Media Printer (DMPr): Đây là các thiết bị sẽ tải nội dung trên DMS và
thực hiện in ấn. VD: Máy in ảnh, máy in.

Hình 5 : Các thiết bị tương ứng sử dụng trong môi trường DLNA
-

Các thiết bị di động
M-DMS: Mobile Digital Media Server: Với chuẩn này, điện thoại của bạn sẽ

trở thành một máy chủ đa phương tiện, các thiết bị đạt chuẩn DLNA khác có thể truy
xuất vào điện thoại để mở file đa phương tiện.
M-DMP: Mobile Digital Media Player: Với chuẩn này, điện thoại trở thành một
thiết bị phát nội dung. Nội dung không lưu trên máy mà được lưu trên một máy chủ đa
phương tiện khác hỗ trợ DLNA.
M-DMU: Mobile Digital Media Upload: Đây là các thiết bị không dây gửi các
nội dungto MDMS. Ví dụ: Camera không dây, smartPhone
20


M-DMD: Mobile Digital Media Download: Đây là các thiết bị không dây dò
tìm nội dung trên MDMS
M-DMC: Máy điện thoại sẽ tải nội dung đa phương tiện trên máy chủ đa
phương tiện hỗ trợ DLNA và phát nội dung đã được tải về đó trực tiếp trên nội dung

đã được tải về.
Hình 6: Các thiết bị di động trên mô hình DLNA
-

Hạ tầng các thiết bị trong nhà:

M-NCF (Mobile Network Connectivity Function): đây là hạ tầng để kết nối các

thiết bị trong nhà với nhau.
MIU (Media Interoperability Unit): đây là hạ tầng chuyển đổi định dạng dữa
các thiệt bị trong nhà và các thiết bị di động.
4. Kết luận chƣơng 1:
Trong chương này đã nêu lên các khái niệm cơ bản trong việc tìm hiểu và
nghiên cứu hệ thống nhà thông minh, giới thiệu về công nghệ DLNA/UPnP, sau đó
giới thiệu về mô hình nhà thông minh sử dụng công nghệ DLNA/UPnP. Trên cơ sở
các nội dung nghiên cứu lý thuyết tổng quan về việc đánh giá hiệu năng từ chương 1,
chương 2 sẽ nghiên cứu chi tiết công nghệ áp dụng cho các hệ thống này.
21


CHƢƠNG 2. GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG
1. Công nghệ UPnP của Intel
1.1.

Giới thiệu

Công nghệ UPnP cung cấp một nền tảng hiệu quả cho các thiết bị mạng có khả
năng tương tác trực tiếp với nhau trong phạm vimạng gia đình, văn phòng, và phạm vi
công cộng. Các kiến trúc thiết bị UPnP cho phép kết nối các thiết bị bằng các phương
thức khác nhau. Nó cung cấp các thiết bị mạng với khả năng để tự động phát hiện, cấu
hình và kiểm soát. Nó là một kiến trúc mạng để thúc đẩy công nghệ TCP / IP và các
công nghệ Internet khác để cho phép truyền dữ liệu linh hoạt giữa các thiết bị liên
quan dưới sự điều khiển của các công cụ kiểm soát điểm UpnP.
Năm 2002, các phòng thí nghiệm Kiến trúc Solutions (SA) tại Intel đã bắt đầu
nghiên cứu để cải thiện quá trình thiết kế và thực hiện các thiết bị sử dụng công nghệ
UPnP và làm việc trên các công nghệ khác nhau để mở rộng các máy tính trong nhà,

bao gồm UPnP AV và công nghệ UPnP, SA thấy sự cần thiết cho các công cụ phát
triển cho tất cả các bước cơ bản cần thiết để xây dựng một thiết bị UPnP.
1.2.
-

Các giải pháp cung cấp

Device Builder: Tự động tập hợp SCPDs tạo ra mã nguồn và cho phép triển
khai trên các loại thiết bị mới. Điều này giúp các nhà phát triển hoàn toàn chủ
động về kỹ thuật và công nghệ, và cho phép họ tập trung thay vì phát triển logic
thiết bị. Device Builder cũng cung cấp cho việc tạo ra các thiết bị UPnP có chứa
các mã nguồn thiết bị UPnP nhúng.

-

Intel Device Validator: Nhằm cung cấp công cụ hỗ trợ debug, validate, và
kiểm thử trong quá trình phát triển các dịch vụ UPnP.
Device Validator tự động kiểm tra các thiết bị cho UPnP và UPnP AV tuân thủ .
Khi kiểm tra hoàn tất , giao diện người dùng chỉ ra kết quả thử nghiệm bằng
một trong ba trạng thái đèn .
• Green Light : Pass- tuân theo các tiêu chuẩn UPnP thích hợp
• Red Light : điểm Fail- cụ thể của việc không tuân thủ được xác định
• Yellow Light : Cảnh báo – cảnh báo phương thức thực hiện

22


Ngoài việc kiểm tra cho phù hợp với đặc điểm kỹ thuật UPnP , Device
Validator sẽ cảnh báo các nhà phát triển khi thực hành việc phát triển các dịch
vụ trên nền công nghệ UPnP.

Hình 7: Công cụ IntelDevice Validator của Intel

-

Intel Device Spy: là một công cụ nhằm để hỗ trợ phát hiện và mô tả tả các
thông tin về các thiết bị UpnP, cũng như các phương thức hành động của thiết
bị như:
• Phát hiện tất cả các thiết bị UPnP trên mạng
• Hiển thị thông tin thiết bị UPnP chi tiết gọi hành động
• Theo dõi sự kiện

Ứng dụng mô phỏng đèn thông minh trong SmartHome

23