Điều khiển và giám sát nhà thông minh

VI
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGH
NGHỆ ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN

ĐỒ ÁN
TỐT
T NGHI
NGHIỆP ĐẠI HỌ
ỌC
Đề tài: Điềuu khi
khiển và giám sát nhà thông minh

Giảng viên
iên hư
hướng dẫn: PGS.TS PHẠM MINH VIỆT
Sinh viên thự
ực hiện : NGUYỄN HẢI DUY
Lớp
: K16B
Khoá
: 2013 - 2017
Hệ
: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

Hà Nội, tháng 5 năm 2017


VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CN ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hải Duy
Lớp: K16B

Khoá: 2013 - 2017

Ngành đào tạo: Công nghệ Kỹ thuật điện tử, Truyền thông Hệ đào tạo: ĐHCQ

1/ Tên đồ án:
Điều khiển và giám sát nhà thông minh
2/ Nội dung chính:
Xây dựng 1 hệ thống nhà thông minh gồm các chức năng:
- Giám sát trạng thái các thiết bị điện từ xa qua mạng internet.
- Giám sát các thông số về nhiệt độ, độ ẩm của môi trường, cảnh báo người dùng khi
nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép.
- Điều khiển các thiết bị điện từ xa qua mạng internet.
- Hệ thống có thể cho nhiều người cùng sử dụng.
3/ Cơ sở dữ liệu ban đầu
Lập trình C/C++
Lập trình Android
Lập trình web html/javascript
Thiết kế mạch điện tử
4/ Ngày giao:20/02/2017
5/ Ngày nộp: 19/05/2017

TRƯỞNG KHOA

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)


Nhận xét của giảng viên hướng dẫn
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………


MỤC LỤ
LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU: ........................................................................... 6
DANH MỤC THUẬT NGỮ,TỪ VIẾT TẮT: ................................................................. 8
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 9
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 10
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ........................................................................................... 11
I. Giới thiệu ................................................................................................................ 11
II.

Khảo sát, hướng đi của đề tài ........................................................................... 12

1.

BKAV Smarthome .......................................................................................... 12

2.

Smarthome lumi Việt Nam ............................................................................ 14

III. Mục tiêu đề tài .................................................................................................... 16
IV.

Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 16

CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ................................................................... 18
I. Tổng quan về mạng internet................................................................................. 18
1.

Giới thiệu ......................................................................................................... 18

2.

Hoạt động của mạng internet ........................................................................ 19

3.

Kết nối Internet ............................................................................................... 20

4.

Giao Thức TCP/IP .......................................................................................... 20

5.

Công nghệ wifi ................................................................................................ 22

II.

Linh kiện ............................................................................................................. 24

1.

Module wifi esp8266 ....................................................................................... 24

2.

Module relay 4 kênh ....................................................................................... 27

3.

Module DHT11 ............................................................................................... 28

4.

Nguồn cung cấp ............................................................................................... 32

III. Công cụ................................................................................................................ 32
1.

Arduino ide ...................................................................................................... 32

2.

Android studio ................................................................................................ 34

3.

Firebase ............................................................................................................ 35

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG .......................................... 40
I. Mô hình cơ bản của hệ thống ............................................................................... 40

GVHD: Phạm Minh Việt

4

SV: Nguyễn Hải Duy


1.

Sơ đồ khối ........................................................................................................ 40

2.

Phân tích chức năng các khối ........................................................................ 40

II.

Thiết kế phần cứng ............................................................................................ 42

1.

Esp8266 + module relay 4 kênh ..................................................................... 42

2.

Esp8266 + DHT11 ........................................................................................... 43

III. Thiết kế phần mềm ............................................................................................ 44
1.

Firmware cho esp8266.................................................................................... 44

2.

Ứng dụng cho android.................................................................................... 48

3.

Ứng dụng web ................................................................................................. 51

4.

Cơ sở dữ liệu trên firebase ............................................................................. 53

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................... 55
I. Kết quả thực hiện .................................................................................................. 55
1.

Phần cứng: gồm 2 board ................................................................................ 55

2.

Phần mềm ........................................................................................................ 56

II.

Ưu điểm và khuyết điểm của hệ thống ............................................................. 57

1.

Ưu điểm ........................................................................................................... 57

2.

Khuyết điểm .................................................................................................... 57

III. Khả năng ứng dụng thực tế của đề tài ............................................................. 57
IV.

Hướng phát triển ................................................................................................ 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 58

GVHD: Phạm Minh Việt

5

SV: Nguyễn Hải Duy


DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU:
Tên

Trang

Hình 1.1: Mô hình smarthome

11

Hình 1.2: Giao diện điều khiển BKAV Smarthome

13

Hình 1.3: Hệ thống Smarthome Lumi

14

Hình 2.1: Mạng internet

18

Hình 2.2: Giao thức TCP/IP

21

Hình 2.3: Mô hình mạng wifi

23

Hình 2.4: Module esp8266-12F

24

Hình 2.5: Sơ đồ chân esp8266

26

Hình 2.6: Module relay 4 kênh

27

Hình 2.7: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11

29

Hình 2.8: Sơ đồ chân DHT11

29

Hình 2.9: Gửi tín hiệu Start

30

Hình 2.10: Bit 0

31

Hình 2.11: Bit 1

32

Hình 2.12: Giao diện Arduino IDE

33

Hình 2.13: Android studio

34

Hình 2.14: Giao diện Android Studio

35

Hình 2.15: Chức năng của firebase

36

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống

40

Hình 3.2: Khối phần cứng

41

Hình 3.3: Khối phần mềm

42

Hình 3.4: Sơ đồ mạch điện esp8266 + relay 4 kênh

43

Hình 3.5: Sơ đồ mạch điện esp8266+dht11

44

Hình 3.6: Lưu đồ chương trình esp8266 + relay

45

HÌnh 3.7: Giao diện cấu hình kết nối wifi

46

Hình 3.8: Lưu đồ chương trình esp8266 + DHT11

47

Hình 3.9: Lưu đồ ứng dụng trên android

49

Hình 3.10: Giao diện đăng nhập, đăng kí, khôi phục mật khẩu

50

Hình 3.11: Giao diện điều khiển và giám sát nhiệt độ độ ẩm

50

GVHD: Phạm Minh Việt

6

SV: Nguyễn Hải Duy


Hình 3.12: Giao diện web điều khiển

51

Hình 3.13: Giao diện web đăng nhập

51

Hình 3.14: Lưu đồ ứng dụng web

52

Hình 3.15: Cấu trúc cơ sở dữ liệu

53

Hình 4.1: Bo mạch điều khiển thiết bị

55

Hình 4.2: Bo mạch đo nhiệt độ, độ ẩm

56

Bảng 2.1: Sơ đồ chân esp8266

27

Bảng 2.2: Các chế độ hoạt động esp8266

27

Bảng 2.3: Sơ đồ chân module relay 4 kênh

28

Bảng 2.4: Sơ đồ chân DHT11

30

Bảng 2.5: Ưu điểm của firebase hosting

37

Bảng 3.1: Sơ đồ kết nối esp8266 với USB to UART

48

GVHD: Phạm Minh Việt

7

SV: Nguyễn Hải Duy


DANH MỤC THUẬT NGỮ,TỪ VIẾT TẮT:
IP
Internet protocol
WWW World Wide Web

Giao thức Liên mạng
Mạng lưới toàn cầu

TCP
UDP

Tranmission Control Protocol
User Datagram Protocol

Giao thức điều khiển truyền vận
Giao thức không liên kết

HTTP
FTP
SMTP

HyperText Transfer Protocol
File Transfer Protocol
Simple Mail Transfer Protocol

Giao thức truyền tải siêu văn bản
Giao thức truyền tập tin
Giao thức truyền thư đơn giản.

POP3
DNS
ARP

Post Office Protocol 3
Domain Name System
Address Resolution Protocol

Giao thức bưu điện
Hệ thống tên miền
Giao thức phân giải ngược lại địa
chỉ

ICMP

Internet Control Message Protocol

Giao thức thông báo điều khiển
mạng Internet

IGMP
DHCP

Internet Group Management Protocol Giao thức quản lý nhóm Internet
Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình trạm động.

SNMP Simpe Network Management
Protocol
TFTP Trivial File Transfer Protocol

Giao thức quản lý mạng đơn giản.

Wi-Fi

Wireless Fidelity

Hệ thống mạng không dây sử
dụng sóng vô tuyến

IoT
IDE

Internet of Things
Integrated Development Environment

Internet vạn vật
Môi trường phát triển tích hợp

GVHD: Phạm Minh Việt

Giao thức truyền tập tin bình
thường

8

SV: Nguyễn Hải Duy


MỞ ĐẦU

“Ngôi nhà thông minh” là một cụm từ không còn xa lạđối với nền công nghệ phát
triểnhiện nay. Lúc đầu, ý tưởng được thực hiện nhờ vào tia hồng ngoại đểđiều khiển từ
xa, nhưngkhoảng cách là hạn chế. Về sau, nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện khoảng cách
điều khiển mang lạinhiều thành công và cóý nghĩa thực tiễn nhưđiều khiển thông qua
đường dây điện thoại. Khi côngnghệ wireless phát triển, người ta lại nghĩđến điều khiển
qua mạng không dây, điều khiển từ xadùng máy tính ra đời. Không dừng lại ởđó, khi mà
các mạng điện thoại đang cạnh tranh gay gắt,chiếc điện thoại trở nên vật dùng không thể
thiếu với mỗi cá nhân, người ta lại nghĩ về một chiếcđiện thoại tích hợp khả năng điều
khiển từ xa. Đặc biệt, với sự phát triển chóng mặt củaSmartPhone và công nghệ 3G hiện
nay, việc tích hợp các chức năng này vào SmartPhone đang trởthành một giải pháp tối ưu
và mang lại nhiều ưu điểm. Đi cùng xu hướng đó, đồ án này giới thiệumột giải phát điều
khiển và giám sát ngôi nhà một cách thông minh thông qua internet và có thể sửdụng
điện thoại để giám sát các thiết bị, báo cháy, báo trộm. Giải pháp này được đưa ra rất khả
khivới cơ chế hoạt động chính xác và mang tính ổn định để tạo bước phát triển một thiết
bị nhỏ gọntham gia một mảng của nhà thông minh giá rẻ.

Là một sinh viên khoa Điện tử thông tin của Viện Đại học Mở Hà Nội, với những
kiến thức đã học cùng với mong muốn thiết kế một ngôi nhà đáp ứng được các nhu cầu
sinh hoạt hằng ngày một cách nhanh chóng và chính xác, em đã chọn đề tài “Điều khiển
và giám sát nhà thông minh” làm đồ án tốt nghiệp của mình.

Trong quá trình thực hiện báo cáo của mình, em đã cố gắng hết sức để hoàn thiện
một cách tốt nhất. Nhưng với kiến thức và sự hiểu biết có hạn nên sẽ không tránh khỏi
những thiếu sót, mong các thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến cho đề tài của em có thể
hoàn thiện hơn.

Hà Nội, ngày… tháng… năm…

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hải Duy

GVHD: Phạm Minh Việt

9

SV: Nguyễn Hải Duy


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin được gửi lời cảm ơn tới thầy giáo Phạm Minh Việt, thầy đã
tận tình giúp đỡ và chỉ bảo cho em trong suốt thời gian làm đồ án vừa qua.
Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa Điện tử
thông tin – Viện Đại học Mở Hà Nội. Các thầy cô đã luôn nhiệt tình dạy dỗ và tạo điều
kiện cho chúng em học tập và nghiên cứu trong suốt những năm học đại học.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên trong tập thể lớp K16 đã cho tôi
những ý kiến đóng góp giá trị khi thực hiện đề tài này. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn
tới gia đình, những người luôn ở bên động viên và tạo điều kiện cho tôi thực hiện tốt đề
tài này.
Em xin chân thành cảm ơn!

GVHD: Phạm Minh Việt

10

SV: Nguyễn Hải Duy


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
I.

Giới thiệu
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật,
công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật tự động điều khiển đóng vai trò
quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp, cung cấp
thông tin ... Do đó, chúng ta phải biết nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu
quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và
trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng. Bên cạnh đó còn là sự thúc đẩy sự
phát triển của nền kinh tế nước nhà.
Như chúng ta cũng đã biết, gần như các thiết bị trong đời sống của các gia
đình ngày nay đều hoạt động độc lập với nhau, mỗi thiết bị có một quy trình sử
dụng khác nhau tuỳ thuộc vào sự thiết lập, cài đặt của người sử dụng. Chúng chưa
có một sự liên kết nào với nhau về mặt dữ liệu. Nhưng đối với hệ thống điều khiển
thiết bị từ xa thông qua mạng Internet thì lại khác. Ở đây, các thiết bị điều khiển tự
động được kết nối với nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh qua một một thiết bị
trung tâm và có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu.

Hình 1.1: Mô hình smarthome

GVHD: Phạm Minh Việt

11

SV: Nguyễn Hải Duy

II.

Điển hình của một hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà từ xa thông qua
mạng Internet gồm có các thiết bị đơn giản như bóng đèn, quạt máy, lò sưởi đến
các thiết bị tinh vi, phức tạp như tivi, máy giặt, hệ thống báo động ... Nó hoạt động
như một ngôi nhà thông minh. Nghĩa là tất cả các thiết bị này có thể giao tiếp với
nhau về mặt dữ liệu thông qua một đầu não trung tâm. Đầu não trung tâm ở đây có
thể là một máy vi tính hoàn chỉnh hoặc có thể là một bộ xử lí đã được lập trình sẵn
tất cả các chương trình điều khiển. Bình thường, các thiết bị trong ngồi nhà này có
thể được điều khiển từ xa thông qua mạng Ethernet của chủ nhà. Chẳng hạn như
việc tắt quạt, đèn điện ... khi người chủ nhà quên chưa tắt trước khi ra khỏi nhà.
Hay chỉ với một thao tác kích, người chủ nhà có thể bật máy điều hòa để làm mát
phòng trước khi về nhà trong một khoảng thời gian nhất định. Bên cạnh đó nó
cũng gửi thông báo cho người điều khiển biết nhiệt độ trong phòng hiện tại là bao
nhiêu, đồng thời phát tín hiệu cảnh báo khi nhiệt độ phòng vượt quá giới hạn cho
phép.
Từ những yêu cầu thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống,
cộng với sự hợp tác, phát triển mạnh mẽ của mạng di động nên em đã chọn đề tài
“Điều khiển và giám sát nhà thông minh” làm đồ án tốt nghiệp của mình để đáp
ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người và góp phần vào sự tiến bộ, văn
minh, hiện đại của nước nhà.
Khảo sát, hướng đi của đề tài
1. BKAV Smarthome
Ông Nguyễn Tử Quảng, Tổng giám đốc công ty Bkis, chia sẻ cách đây
nhiều năm, khi đọc thông tin về biệt thự công nghệ cao với khả năng tự điều
chỉnh âm thanh, ánh sáng theo ý thích của tỷ phú Bill Gates, ông đã mong
muốn có thể trang bị khả năng tự động cho các căn nhà bằng công nghệ do
chính Việt Nam sản xuất.
Trong Triển lãm thành tựu kinh tế - xã hội Việt Nam và Thăng Long Hà Nội 2010, diễn ra từ ngày 1/10 đến 6/10 tại Trung tâm triển lãm Giảng Võ Hà Nội, Bkav đã giới thiệu Hệ thống nhà thông minh SmartHome. Đây là một

trong những công trình công nghệ cao hoàn toàn do các kỹ sư và chuyên gia
của Công ty đầu tư phát triển công nghệ ngôi nhà thông minh Bkav
SmartHome (công ty thành viên của Bkav) nghiên cứu và sản xuất.

GVHD: Phạm Minh Việt

12

SV: Nguyễn Hải Duy


Hình 1.2
1.2: Giao diện điều khiển
n BKAV Smarthome
SmartHome kkết nối sản phẩm điện tử gia dụng
ng thành mạng
m
thiết bị và
hoạt động
ng theo các kkịch bản khác nhau nhằm tạo môi trường số
ống tiện nghi, an
toàn và tiết kiệm
m năng llượng. Chẳng hạn, khi có người bướcc vào nhà, hệ
h thống
đèn sẽ tự bật nhờ thi
thiết bị cảm biến hồng ngoại. Đèn chiếu
u sáng còn có thể
th điều
chỉnh
nh ánh sáng, màu ssắc theo sở thích của chủ nhân. Khi thiếết bị chiếu phim

hoạt động, hệ thống
ng đđèn tự động giảm độ sáng, rèm cửa cũng tự động khép lại
để tạo không khí củaa m
một phòng chiếu phim.
Ngoài ra, ngôi nhà thông minh ccủaa Bkav SmartHome còn được trang bị
hệ thống kiểm
m soát môi tr
trường, cảnh báo an ninh (kiểm
m soát các nguy cơ
c cháy,
nổ hay bị xâm nhậpp trái phép), gi
giải trí đa phương tiện
n Multimedia (quản
(qu lý thư
viện âm nhạc,
c, phim, ảnh của chủ nhà).
Để điều khiểển các thiết bị điện tử gia dụng, người dùng có thể
th tương tác
trên giao diện cảm
m ứng của máy tính bảng (tablet) được đặt ở các vị trí thuận
tiện trong nhà hoặcc đđiện thoại di động 3G.
Tùy theo nhu ccầu, người sử dụng có thể cấu hình hệ thống
ng hoạt
ho động
theo những kịch bảnn bbất kỳ như lập trình hẹn giờ tắt đèn khi đi ngủ,
ng đổ thức ăn
vào bể cá khi vắng
ng nhà, ho
hoặc nếu quên tắt TV, bếp gas, khi tớii công sở,
s họ có

thể gửi tin nhắnn qua đđiện thoại di động để điều khiển thiết bị từ xa. Ông Quảng
khẳng định
nh "nhà thông minh" không còn là khái ni
niệm xa vời, đắắt đỏ. Tùy theo
mức độ sử dụng
ng mà m
mức giá của SmartHome sẽ dao động từ vài triệu
tri đến vài
trăm triệu đồng.

GVHD: Phạm Minh Việt

13

SV: Nguyễễn Hải Duy


2. Smarthome lumi Việt Nam

Hình 1.3: Hệ thống Smarthome Lumi
Hệ thống chiếu sáng thông minh
Một chạm vạn tiện nghi: Các kịch bản chiếu sáng được thiết lập sẵn
cho từng hoạt cảnh cụ thể, chỉ một chạm là bạn có thể điều khiển hệ
thống chiếu sáng theo ý muốn. Ví dụ khi khách đến nhà, nhấn vào chế
độ “tiếp khách” một loạt các bóng đèn sẽ cùng bật sáng lên, hoặc khi
ra ngoài chỉ cần chạm nút “đi vắng” toàn bộ hệ thống đèn trong nhà sẽ
tắt
Điều khiển và giám sát trên điện thoại, máy tính bảng: Kiểm soát
được bóng nào đang sáng, cường độ sáng là bao nhiêu % được hiển thị
trên điện thoại di động hoặc máy tính bảng. Bạn hoàn toàn bật hoặc tắt

thiết bị đó ngay trên điện thoại
Tự động chiếu sáng:Đèn chiếu sáng sẽ tự động bật lên khi phát hiện có
chuyển động. Nếu ánh sáng tự nhiên không đủ cường độ sáng, đèn sẽ tự
động bật khi phát hiện có người di chuyển và tự động tắt sau 1 khoảng
thời gian được cài đặt kể từ khi không phát hiện có người di chuyển
Hẹn giờ chiếu sáng: Các thiết bị chiếu sáng có thể tự động bật, tắt theo
giờ đãđược cài đặt theo ý gia chủ
Hệ thống rèm cửa tự động

GVHD: Phạm Minh Việt

14

SV: Nguyễn Hải Duy


Điều khiển nhiều rèm cửa cùng 1 lúc: Ngoài việc điều khiển rèm tại
chỗ như thông thường, bạn có thể điều khiển nhiều rèm cùng một lúc
chỉ với 1 chạm
Hẹn giờ mở-đóng rèm: Bạn có thể tùy chỉnh thời gian đặt lịch đóng,
mở cho một hoặc nhiều rèm cùng lúc trên chính chiếc điện thoại đi động
của mình
Điều khiển qua internet: Với chiếc Smartphone có kết nối Internet,
bạn có thể kiểm soát hệ thống rèm cửa nhà mình ở bất cứ lúc nào, trạng
thái của từng bộ rèm đang đóng hay mở hoặc đóng mở bao nhiêu %
Hệ thống điều hòa không khí
Dễ dàng sử dụng: Bạn có thể tắt toàn bộ điều hòa chỉ với 1 chạm trên
điện thoại khi đi ra ngoài hoặc mở sẵn khi bạn gần về tới nhà
Điều khiển nhiệt độ từ xa: Bạn có thể điều chỉnh nhiệt độ của một hay
nhiều điều hòa ở bất cứ nơi nào có điện thoại hay máy tính bảng trên

tay. Kiểm tra nhiệt độ hiện tại của phòng trẻ em để điều chỉnh hợp lý
hơn.
Chủ động điều khiển bình nóng lạnh
Nước ấm luôn sẵn chờ bạn: Chỉ với 1 chạm trên smartphone tại công
ty, bình nước nóng sẽ sẵn sàng chờ bạn thư giãn sau 1 ngày làm việc
Tiện nghi và tiết kiệm hơn: Có thể đặt chế độ hẹn giờ tự bật và tự tắt
mà không cần lo lắng đã bật hay tắt bình nóng lạnh hay chưa
Tận hưởng hệ thống âm thanh đa vùng
Hệ thống amply không dây: Giải pháp amply không dây công suất
35W*2, bạn có thể chơi nhạc trực tiếp từ điện thoại, máy tính bảng. Có
thể kết hợp các phòng cùng chơi một bài hát cùng lúc theo ý muốn
An toàn tuyệt đối với hệ thống an ninh 24/7
An ninh giám sát: Hệ thống Camera được lắp đặt tại các khu vực cần
được giám sát và hoạt động liên tục suốt ngày đêm ghi lại toàn bộ các
hoạt động diễn ra hàng ngày
Chống đột nhập: Cảm biến chống đột nhập sẽ phát hiện mở cửa trái
phép, ngay lập tức, còi hú vang lên, đèn xoáy quay sáng, hệ thống chiếu
sáng bật lên, toàn bộ rèm cửa mở ra… tất cả các thiết bị đều tham gia
“chống trộm” ngay khi có sự đột nhập trái phép.
Automatic kiểm soát môi trường

GVHD: Phạm Minh Việt

15

SV: Nguyễn Hải Duy


Bảo vệ sức khỏe: Cảm biến môi trường sẽ được đặt ở vị trí thích hợp
trong nhà để đo thông số môi trường và gửi về bộ điều khiển trung tâm

đồng thời hiện thị trên điện thoại di động. Dựa vào tham số gửi về, bộ
điều khiển trung tâm sẽ cảnh báo lên điện thoại hoặc ra lệnh đóng mở
các thiết bị điều hòa nhiệt độ, máy hút ẩm, quạt thông gió hoặc bật tắt
thiết bị chiếu sáng để đảm bảo môi trường sống hợp lý nhất.
Qua khảo sát các hệ thống nhà thông minh trên thị trường hiện nay, đề
tài của em sẽ được ứng dụng trong phạm vi mô hình nhà thông minh cơ bản ở
Việt Nam. Tập trung vào điều khiển các thiết bị điện và xây dụng hệ thống
giám sát nhiệt độ, độ ẩm cho người sử dụng.
Các thiết bị, cảm biến trong nhà sẽ được kết nối với nhau thành một hệ
thống, nhận và gửi dữ liệu lên server thông qua mạng wifi gia đình. Các thiết
bị trong hệ thống sẽ được lắp đặt và cài đặt một cách thuận tiện và đơn giản
nhất cho người sử dụng.
Các thiết bị và ứng dụng sẽ đồng bộ với nhau theo thời gian thực với độ
chính xác cao và độ trễ thấp.
III.

IV.

Mục tiêu đề tài
Xây dựng 1 hệ thống nhà thông minh gồm các chức năng:
- Giám sát trạng thái các thiết bị điện từ xa qua mạng internet.
- Giám sát các thông số về nhiệt độ, độ ẩm của môi trường, cảnh báo người dùng
khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép.
- Điều khiển các thiết bị điện từ xa qua mạng internet.
- Hệ thống có thể cho nhiều người cùng sử dụng.
Phương pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận
Để đảm bảo có thể thực hiện một khối lượng công việc khá lớn là nghiên cứu chế
tạo thành công hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh, có độ phức tạp
cao, bao gồm nhiều kỹ thuật công nghệ mới, tôi chọn một số cách tiếp cận sau:

• Tiếp cận kế thừa: nghiên cứu, khảo sát, tìm hiểu nguyên lí hoạt động, cấu
tạo của các thiết bị trong những ngôi nhà thông minh có trên thế giới và
Việt Nam. Trên cơ sở tiếp thu các kết quả thu thập được, xây dựng mô
hình, cấu trúc thiết bị phù hợp nhất với điều kiện hiện tại. Ngoài ra, những
bí quyết, kết quả được tích lũy qua những năm nghiên cứu học tập cũng sẽ
là những đảm bảo có tính thuyết phục cho đề tài này.
• Tiếp cận theo hướng nghiên cứu cơ sở công nghệ: để đảm bảo tính khoa
học, tạo cơ sở cho việc thiết kế những hệ thống thiết bị, đồng thời giảm bớt

GVHD: Phạm Minh Việt

16

SV: Nguyễn Hải Duy


sự phụ thuộc vào các bí quyết công nghệ của các hãng nước ngoài, việc
nghiên cứu thực nghiệm những thông số, quá trình công nghệ chủ yếu của
thiết bị thường mang tính đặc thù trong điều kiện môi trường và con người
Việt Nam là hết sức cần thiết.
• Tiếp cận theo hướng thị trường: nhằm làm cho kết quả của đề tài có thể
đi vào và đứng vững lâu dài trong thị trường thiết bị nhà thông minh trong
nước, có thể tiến ra thị trường ngoài nước.
Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng bao gồm:
• Phương pháp tham khảo tài liệu: Bằng cách thu thập thông tin từ sách,
tạp chí về điện tử, viễn thông, truy cập từ mạng internet, các đồ án của khóa
trước.
• Phương pháp quan sát: Khảo sát một số mạch điện từ mạng internet, khảo
sát các module điện tử có khả năng kết nối từ xa để lựa chọn phương án

thiết kế sau này.
• Phương pháp thực nghiệm: Thử nghiệm nhiều dạng mạch khác nhau để
từ đó chọn lọc những mạch điện tối ưu. Chạy thử phần mềm trên các loại
thiết bị để kiểm tra độ ổn định.

GVHD: Phạm Minh Việt

17

SV: Nguyễn Hải Duy


CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

I.

Tổng quan về mạng internet
1. Giới thiệu
Internet là một hệ thống thông tin toàn cầu có thể được truy nhập công cộng
gồm các mạng máy tính được liên kết với nhau. Hệ thống này truyền thông tin
theo kiểu nối chuyển gói dữ liệu (packet switching) dựa trên một giao thức liên
mạng đãđược chuẩn hóa (giao thức IP). Hệ thống này bao gồm hàng ngàn
mạng máy tính nhỏ hơn của các doanh nghiệp, của các viện nghiên cứu và các
trường đại học, của người dùng cá nhân, và các chính phủ trên toàn cầu. Chúng
cung cấp một khối lượng thông tin và dịch vụ khổng lồ trên internet.

Hình 2.1: Mạng internet
Mạng Internet mang lại rất nhiều tiện ích hữu dụng cho người sử dụng, một
trong các tiện ích phổ thông của Internet là hệ thống thưđiện tử (email), trò
chuyện trực tuyến (chat), máy truy tìm dữ liệu (search engine), các dịch vụ

thương mãi và chuyển ngân, và các dịch vụ về y tế giáo dục như là chữa bệnh
từ xa hoặc tổ chức các lớp học ảo.

GVHD: Phạm Minh Việt

18

SV: Nguyễn Hải Duy


Nguồn thông tin khổng lồ kèm theo các dịch vụ tương ứng chính là hệ thống
các trang Web liên kết với nhau và các tài liệu khác trong WWW (World Wide
Web). Trái với một số cách sử dụng thường ngày, Internet và WWW không
đồng nghĩa. Internet là một tập hợp các mạng máy tính kết nối với nhau bằng
dây đồng, cáp quang, v.v..; còn WWW, hay Web, là một tập hợp các tài liệu
liên kết với nhau bằng các siêu liên kết (hyperlink) và các địa chỉ URL, và nó
có thể được truy nhập bằng cách sử dụng Internet.
2. Hoạt động của mạng internet
2.1. Các giao thức (Protocols)
Các giao thức là tập các luật mà các máy tính phải tuân theo khi giao
tiếp trên Internet.
- Tranmission Control Protocol (TCP): thiết lập kết nối giữa hai
máy tính để truyền tải dữ liệu, chia dữ liệu thành những gói nhỏ và
đảm bảo việc truyền nhận dữ liệu. TCP là giao thức hướng kết nối
(connection-oriented protocol).
- User Datagram Protocol (UDP): thiết lập kết nối nhanh nhưng
không chắc chắn giữa các máy tính để truyền tải dữ liệu, cung cấp ít
dịch vụ để khắc phục lỗi.
- Internet Protocol (IP):điều chỉnh đường đi của những gói dữ liệu
đường truyền nhận trên Internet. TCP là giao thức phi kết nối

(connectionless protocol).
- HTTP: cho phép trao đổi thông tin trên Internet.
- FTP: cho phép truyền nhận file trên Internet.
- SMTP: cho phép gửi thưđiện tử trên Internet.
- POP3: cho phép nhận thưđiện tử trên Internet.
TCP/IP được dùng làm giao thức chuẩn khi giao tiếp trên Internet vì nó
độc lập với nền của hệ thống (platform independent) và không có tổ
chức nào có quyền sở hữu giao thức này.
2.2.

2.3.

Địa chỉ IP (IP Adress)
Internet là một mạng kết nối rộng lớn giữa các máy tính. Để xác định
một máy tính trên mạng này, người ta dùng một con số gọi là địa chỉ IP.
Địa chỉ IP gồm một tập 4 số nhỏ hơn 255 và được ngăn cách bởi các
dấu ‘.’. Ví dụ: 41.212.196.197.
Mô hình khách chủ (Client – Server)
Internet dựa trên mô hình khách – chủ (client – server), trong đó dữ liệu
được trao đổi thông qua các trang web. Trong mô hình client – server,
mỗi máy tính được xác định bởi một địa chỉ Internet protocol (IP) và cả

GVHD: Phạm Minh Việt

19

SV: Nguyễn Hải Duy


2.4.

máy tính client, server cùng chấp nhận một giao thức chungđể để giao
tiếp với nhau.
Trong mô hình khách - chủ, máy khách (client computer) yêu cầu thông
tin từ một máy chủ (server). Máy chủ chấp nhận yêu cầu và gửi thông
tin về cho máy khách. Việc trao đổi thông tin này được diễn ra thông
qua những trang web.
Hệ thống tên miền (DNS- Domain Name System)
Mỗi máy tính trên mạng Internet được xác định bằng địa chỉ IP, nhưng
con số này rất khó nhớ. Để khắc phục nhược điểm này, người ta dùng
hệ thống tên miền để đặt tên cho máy tính. Ví dụ: tên miền
www.google.com ứng với địa chỉ IP 172.217.25.14 request web page
Miền (domain) ứng với một tập các máy tính trên Internet. Phần mở
rộng của tên miền (domain name extension) được dùng để xác định
quốc gia hay tổ chức.

3. Kết nối Internet
Để kết nối với Internet cần có một số yêu cầu về phần cứng và phần
mềm sau:
Phần cứng: máy tính, kết nối thông qua đường dây điện thoại hoặc kết
nối cáp, modem, wifi…
Phần mềm: kết nối internet, hệ điều hành, giao thức TCP/IP, trình duyệt
web.
Các yêu cầu thiết yếu khi kết nối với Internet: kết nối với Internet thông
qua một nhà cung cấp Internet (Internet Service Provider), modem, trình duyệt
và địa chỉ URL.
4. Giao Thức TCP/IP
TCP/IP là bộ giao thức cho phép kết nối các hệ thống mạng không đồng
nhất với nhau. TCP/IP là viết tắt của Transmission Control Protocol (Giao
thức Điều Khiển Truyền thông)/Internet Protocol (Giao thức Internet), ngày

nay TCP/IP được sử dụng rộng rãi trong các mạng cục bộ cũng như trên mạng
Internet toàn cầu. TCP/IP không chỉ gồm 2 giao thức mà thực tế nó là tập hợp
của nhiều giao thức. Chúng ta gọi đó là 1 hệ giao thức hay bộ giao thức (Suite
Of Protocols).
TCP/IP được xem là giản lược của mô hình tham chiếu OSI với bốn
tầng, trong mô hình này là (theo thứ tự từ trên xuống):
- Tầng ứng dụng (Application Layer)
- Tầng giao vận (Transport Layer)
- Tầng mạng (Internet Layer)
- Tầng liên mạng (Network Interface Layer)
GVHD: Phạm Minh Việt

20

SV: Nguyễn Hải Duy


Hình 2.2: Giao thức TCP/IP
4.1.

4.2.

4.3.

Tầng liên mạng (Network Interface Layer)
Tầng Liên Mạng có trách nhiệm đưa dữ liệu tới và nhận dữ liệu từ
phương tiện truyền dẫn. Tầng này bao gồm các thiết bị giao tiếp
mạng(Card Mạng và Cáp Mạng) và chương trình cung cấp các thông tin
cần thiết để có thể hoạt động, truy nhập đường truyền vật lý qua thiết bị
giao tiếp mạng đó.

Tầng mạng (Internet Layer)
Nằm trên tầng liên mạng. Tầng này có chức năng gán địa chỉ, đóng gói
và định tuyến (Route) dữ liệu. Bốn giao thức quan trọng nhất trong tầng
này gồm:
IP (Internet Protocol): Có chức năng gán địa chỉ cho dữ liệu trước khi
truyền và định tuyến chúng tới đích.
ARP (Address Resolution Protocol): Có chức năng biên dịch địa chỉ
IP của máy đích thành địa chỉ MAC (Media Access Control).
ICMP (Internet Control Message Protocol): Có chức năng thông báo
lỗi trong trường hợp truyền dữ liệu bị hỏng.
IGMP (Internet Group Management Protocol): Có chức năng điều
khiển truyền đa hướng (Multicast).
Tầng giao vận (Transport Layer)
Có trách nhiệm thiết lập phiên truyền thông giữa các máy tính và quy
định cách truyền dữ liệu 2 giao thức chính trong tầng này gồm có hai
giao thức chính: TCP (Transmission Control Protocol) và UDP (User
Datagram Protocol). TCP cung cấp các kênh truyền thông hướng kết nối
và đảm bảo truyền dữ liệu một cách tin cậy, nó cung cấp một luồng dữ
liệu tin cậy giữa hai trạm, nó sử dụng các cơ chế như chia nhỏ các gói

GVHD: Phạm Minh Việt

21

SV: Nguyễn Hải Duy


tin của tầng trên thành các gói tin có kích thước thích hợp cho tầng
mạng bên dưới, báo nhận gói tin, đặt hạn chế thời gian time-out để đảm
bảo bên nhận biết được các gói tin đã gửi đi. TCP thường truyền các gói

tin có kích thước lớn và yêu cầu phía nhận xác nhận về các gói tin đã
nhận. Do tầng này đảm bảo tính tin cậy, tầng trên sẽ không cần quan
tâm đến nữa.
UDP cung cấp một dịch vụ đơn giản hơn cho tầng ứng dụng. UDP cung
cấp kênh truyền thông phi kết nối, nó chỉ gửi các gói dữ liệu từ trạm này
tới trạm kia mà không đảm bảo các gói tin đến được tới đích. Các ứng
dụng dùng UDP thường chỉ truyền những gói có kích thước nhỏ, độ tin
cậy dữ liệu phụ thuộc vào từng ứng dụng.
4.4. Tầng ứng dụng (Application Layer)
Tầng ứng dụng là tầng trên cùng của mô hình TCP/IP bao gồm các tiến
trình và các ứng dụng cung cấp cho người sử dụng để truy cập mạng.
Một số giao thức thông dụng trong tầng này là:
DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol): Giao thức cấu hình
trạm động.
DNS (Domain Name System): Hệ thống tên miền
SNMP (Simpe Network Management Protocol): Giao thức quản lý
mạng đơn giản.
FTP (File Transfer Protocol): Giao thức truyền tập tin
TFTP (Trivial File Transfer Protocol): Giao thức truyền tập tin bình
thường
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): Giao thức truyền thưđơn
giản.
5. Công nghệ wifi
Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng
không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống nhưđiện thoại di động, truyền hình và
radio.

GVHD: Phạm Minh Việt

22

SV: Nguyễn Hải Duy


Hình 2.3: Mô hình mạng wifi
Hệ thống này đã hoạt động ở một số sân bay, quán cafe, thư viện hoặc
khách sạn. Hệ thống cho phép truy cập Internet tại những khu vực có sóng của
hệ thống này, hoàn toàn không cần đến cáp nối. Ngoài các điểm kết nối công
cộng (hotspots), WiFi có thể được thiết lập ngay tại nhà riêng.
Tên gọi 802.11 bắt nguồn từ viện IEEE (Institute of Electrical and
Electronics Engineers). Viện này tạo ra nhiều chuẩn cho nhiều giao thức kỹ
thuật khác nhau, và nó sử dụng một hệ thống số nhằm phân loại chúng; 6
chuẩn thông dụng của WiFi hiện nay là 802.11a/b/g/n/ac/ad.
Đối với các ứng dụng mà không thích hợp với việc lắp đặt cáp hoặc chi
phí quá tốn kém, mạng WiFi 802.11 có thể được sử dụng trong những trường
hợp sau đây:
- Kết nối hai mạng LAN trong các tòa nhà riêng biệt trên các khoảng
cách xa hoặc có các chướng ngại cản trở để kết nối bằng dây cáp.
Việc kết nối vô tuyến giúp cho doanh nghiệp không phải thuê bao
một đường dây kết nối riêng (leased line) của nhà cung cấp dịch vụ
viễn thông, nhờ đó cũng tiết kiệm chi phí đáng kể.
- Thiết lập tạm thời mạng WiFi 802.11 cho các tình huống khẩn cấp
như hội nghị, triển lảm, hỏa hoạn, bảo lụt …
- Đảm bảo tính thẩm mỹ cho những nơi không yêu cầu lắp đặt dây cáp
như trong các di tích kiến trúc.
GVHD: Phạm Minh Việt

23

SV: Nguyễn Hải Duy

-

II.

Đảm bảo liền mạch việc kết nối mạng LAN hoặc mạng Internet khi
người dùng IPad/Iphone vừa sử dụng vửa di chuyển trong phạm vi
tòa nhà hoặc khu vực.
Thiết lập mạng WiFi công cộng (WiFi Hotspot) để truy cập Internet
trong sân bay, khách sạn và trung tâm bán hàng.

Linh kiện
1. Module wifi esp8266
1.1. Giới thiệu
Module ESP8266 là module wifi giá rẻ và được đánh giá rất cao cho
các ứng dụng liên quan đến Internet và Wifi cũng như các ứng dụng
truyền nhận sử dụng thay thế cho các module RF khác.

Hình 2.4: Module esp8266-12F
Mạch tích ở High Level
ESP8266EX là một trong những dòng chip tích hợp Wifi trong lĩnh vực
công nghiệp. Với kích thước chỉ 5mmx5mm, ESP8266EX cần rất ít linh
kiện hỗ trợ ngoài
ESP8266EX được tích hợp 32-bit Tensilica MCU, các ngoại vi cơ bản,
antenna switches, RF balun, khuếch đại công suất, khuếch đại nhận
nhiễu thấp (low noise), bộ lọc và các modules quản lý nguồn.
32-bit Tensilica MCU

GVHD: Phạm Minh Việt

24

SV: Nguyễn Hải Duy


ESP8266EX tích hợp vi xửa lý Tensilica L106 32-bit (MCU) là dòng
chip low-power, 16-bit RSIC, tốc độ clock cao nhất là 160 MHz. Nếu hệ
thống hoạt động với Real Time Operation System (RTOS) và Wi-Fi
stack thì ta có khoảng 80% khả năng xử lý cho ứng dụng người dùng.
Low Power Management
Với những ứng dụng cho mobile, thiết bị điện tử cẩm tay và Internet of
Things (IoT), ESP8266EX hoạt động với mức tiệu thụ năng lượng rất
thấp với nhưng công nghệ độc quyền. Tính năng tiết kiệm năng lượng
với 3 chế độ hoạt động – active mode, sleep mode và deep sleep mode,
vì vậy cho phép hiện thực những thiết bị với thời lượng Pin rất lớn.
Là thiết kế bền vững
Hoạt động với dãi nhiệt khá rộng -40°C to +125°C (trong công nghiệp),
ESP8266EX có thể hoạt động tốt trong môi trường công nghiệp. Với sự
tích hợp cao, dòng chip này hoạt động với rất ít linh kiện ngoài làm tăng
độ tin cậy, chặt chẽ và ổn định cao.
1.2.

1.3.

Thông số kĩ thuật
- Hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n.
- Wi-Fi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2.
- Chuẩn điện áp hoạt động: 3.3V.
- Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến 115200

- Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access
Point.
- Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK,
WPA2_PSK, WPA-WPA2_PSK.
- Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP
- Làm việc như các máy chủ có thể kết nối với 5 máy con.
- LED chỉ báo truyền nhận TX / RX
Khảo sát sơđồ chân và chức năng từng chân

GVHD: Phạm Minh Việt

25

SV: Nguyễn Hải Duy