XÂY DỰNG HỆ THỐNG IOT ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TỪ XA CÓ KHẢ NĂNG TÙY CHỈNH THEO YÊU CẦU NGƯỜI SỬ DỤNG
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.62 MB, 111 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
XÂY DỰNG HỆ THỐNG IOT ĐIỀU KHIỂN
THIẾT BỊ TỪ XA CÓ KHẢ NĂNG TÙY CHỈNH
THEO YÊU CẦU NGƯỜI SỬ DỤNG
Sinh viên thực hiện:
Giảng viên hướng dẫn:
Cán bộ phản biện:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
XÂY DỰNG HỆ THỐNG IOT ĐIỀU KHIỂN
THIẾT BỊ TỪ XA CÓ KHẢ NĂNG TÙY CHỈNH
THEO YÊU CẦU NGƯỜI SỬ DỤNG
Sinh viên thực hiện:
Giảng viên hướng dẫn:
Cán bộ phản biện:
ĐÁNH GIÁ QUYỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dùng cho giảng viên hướng dẫn)
Tên giảng viên đánh giá:...........................................................................................
Họ và tên sinh viên:..................................................MSSV:.....................................
Tên đồ án:..................................................................................................................
..................................................................................................................................
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả
1 thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng dụng
1
2
3
4
5
của đồ án
2
Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế)
1
2
3
4
5
3
Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
4
Có kết quả mô phỏng/thực nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt
được
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
5
6
Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực
hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống
Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều
được phân tích và đánh giá thỏa đáng
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết quả
7 đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận để đề
xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai
Kỹ năng viết quyển đồ án (10)
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic và
đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số thứ tự và
8 được giải thích hay đề cập đến; căn lề thống nhất, có dấu cách sau dấu
chấm, dấu phảy v.v.), có mở đầu chương và kết luận chương, có liệt kê
tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định
9
Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập
luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)
Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)
1
0a
SVNCKH giải 3 cấp Viện trở lên/Có giải thưởng khoa học (quốc tế hoặc
5
trong nước) từ giải 3 trở lên/Có đăng ký bằng phát minh, sáng chế
1
0b
Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị SVNCKH nhưng
không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi
2
quốc gia và quốc tế khác về chuyên ngành (VD: TI contest)
1
0c
Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/Đạt giải
Không có thành tích về nghiên cứu khoa học
0
Điểm tổng
/50
Điểm tổng quy đổi về thang 10
Nhận xét khác (về thái độ và tinh thần làm việc của sinh viên)
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
Ngày: … / … / 20…
Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)
ĐÁNH GIÁ QUYỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dùng cho cán bộ phản biện)
Giảng viên đánh giá:..................................................................................................
Họ và tên sinh viên:.................................................. MSSV:....................................
Tên đồ án:..................................................................................................................
..................................................................................................................................
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả
1 thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng dụng
1
2
3
4
5
của đồ án
2
Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế)
1
2
3
4
5
3
Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
4
Có kết quả mô phỏng/thực nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt
được
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
5
6
Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực
hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống
Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều
được phân tích và đánh giá thỏa đáng
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết quả
7 đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận để đề
xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai
Kỹ năng viết quyển đồ án (10)
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic và
đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số thứ tự và
8 được giải thích hay đề cập đến; căn lề thống nhất, có dấu cách sau dấu
chấm, dấu phảy v.v.), có mở đầu chương và kết luận chương, có liệt kê
tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định
9
Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập
luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)
Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)
1
0a
SVNCKH giải 3 cấp Viện trở lên/Có giải thưởng khoa học (quốc tế hoặc
5
trong nước) từ giải 3 trở lên/Có đăng ký bằng phát minh, sáng chế
1
0b
Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị SVNCKH nhưng
không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi
2
quốc gia và quốc tế khác về chuyên ngành (VD: TI contest)
1
0c
Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/Đạt giải
Không có thành tích về nghiên cứu khoa học
0
Điểm tổng
/50
Điểm tổng quy đổi về thang 10
Nhận xét khác của cán bộ phản biện
Ngày: … / … / 20…
Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây với sự bùng nổ của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0
đang diễn ra mạnh mẽ ở cả 3 lĩnh vực bao gồm công nghệ sinh học, kỹ thuật số và vật
lý. Những yếu tố cốt lõi của Kỹ thuật số trong cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 sẽ là:
Trí tuệ nhân tạo (AI), Vạn vật kết nối - Internet of Things (IoT) và dữ liệu lớn (Big
Data). Trên lĩnh vực công nghệ sinh học, Cách mạng Công nghiệp 4.0 tập trung vào
nghiên cứu để tạo ra những bước nhảy vọt trong Nông nghiệp, Thủy sản, Y dược, chế
biến thực phẩm, bảo vệ môi trường, năng lượng tái tạo, hóa học và vật liệu. Trên lĩnh
vực Vật lý với robot thế hệ mới, máy in 3D, xe tự lái, các vật liệu mới (graphene,
skyrmions…) và công nghệ nano.
Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đem lại nhiều cơ hội để nâng cao chất lượng cuộc
sống con người, giúp chúng ta làm việc, giải trí hiệu quả hơn, các nghành công nghiệp
được tự động hoá, ít sử dụng sức lao động con người hơn nhưng cũng đặt ra nhiều khó
khan thách thức.
Không năm ngoài xu hướng toàn cầu về cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 tôi cũng
muốn góp công sức mình vào nghiên cứu một lĩnh vực nào đó giúp ích cho cuộc sống.
Tôi quyết định sẽ chọn đề tài nghiên cứu về lĩnh vực kỹ thuật số là ‘Internet of Things’
và đề tài được lựa chọn là “ Xây dựng hệ thống IoT điều khiển thiết bị từ xa có khả
năng tuỳ chỉnh theo yêu cầu người sử dụng”.
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Nam đã hướng dẫn, giúp
đỡ, đưa ra nhiều đóng góp để tôi hoàn thành đồ án này. Cảm ơn các quý thầy cô viện
Điện tử - Viễn thông đã mang lại những kiến thức bổ ích, quý giá trong suốt quá trình
học và rèn luyện tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là , mã số sinh viên , sinh viên lớp, khóa 58. Người hướng dẫn là TS. Nguyễn
Anh Quang. Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong đồ án “Xây dựng
hệ thống IoT điều khiển thiết bị từ xa có khả năng tuỳ chỉnh theo yêu cầu người sử
dụng” là kết quả quá trình tìm hiểu và nghiên cứu của tôi. Các dữ liệu được nêu trong
đồ án là hoàn toàn trung thực, phản ánh đúng kết quả đo đạc thực tế. Mọi thông tin
trích dẫn đều tuân thủ các quy định về sở hữu trí tuệ; các tài liệu tham khảo được liệt
kê rõ ràng. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong đồ
án này.
Hà Nội ngày tháng năm
Người cam đoan
MỤC LỤC
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT...........................................................................i
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU..........................................................................................................v
TÓM TẮT ĐỒ ÁN.......................................................................................................................vi
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MỘT HỆ THỐNG IOT.........................1
1.1 Internet Of Things và những vấn đề cơ bản......................................................................1
1.1.1 Internet of Things và xu thế toàn cầu.................................................................................1
1.1.2 Những thách thức trong thời kì bùng nổ của Internet Of Things :.....................................2
1.2 Thành phần trong một hệ thống IoT..................................................................................2
1.2.1 Hệ thống điều khiển (Controller) :.....................................................................................4
1.2.2 Cảm biến (Sensor)..............................................................................................................7
1.2.3 Bộ phận chấp hành (Actutor).............................................................................................8
1.3 Công nghệ không dây phổ biến trong các hệ thống IoT...................................................8
1.3.1 Bluetooth............................................................................................................................9
1.3.2 Zigbee..............................................................................................................................10
1.3.3 Z-wave.............................................................................................................................10
1.3.4 WiFi..................................................................................................................................11
1.3.5 LoRa.................................................................................................................................11
1.4 Giao thức truyền thông MQTT.........................................................................................12
1.4.1 Publish và subscribe.........................................................................................................13
1.4.2 QoS..................................................................................................................................13
1.4.3 Retain...............................................................................................................................14
CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH, XÂY DỰNG HỆ THỐNG IOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA CÓ
KHẢ NĂNG TUỲ CHỈNH THEO YÊU CẦU CỦA NGƯỜI DÙNG................................15
2.1 Bài toán..............................................................................................................................15
2.2 Mô hình hệ thống IoT điều khiển từ xa...........................................................................16
2.3 Xây dựng thiết bị Node......................................................................................................17
2.3.1 Phần mềm thiết kế mạch Altium Designer:.....................................................................17
2.3.2 Mạch nguyên lí :..............................................................................................................18
2.3.3 Mô hình mạch 3D............................................................................................................19
2.3.4 Linh kiện và các thông số kỹ thuật :...............................................................................20
2.3.5 Mô hình mạch thực tế :....................................................................................................26
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG, VIẾT ỨNG DỤNG ANDROID , ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 27
3.1 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Packet Tracer..........................................................27
3.1.1 Giới thiệu phần mềm Packet Tracer :...............................................................................27
3.1.2 Xây dựng mô hình hệ thống IoT trên Packet Tracer........................................................28
3.1.3 Mô phỏng hệ thống IoT trên Packet Tracer.....................................................................31
3.2 Lựa chọn MQTT Broker :.................................................................................................45
3.3 Lập trình cho Node MCU :...............................................................................................46
3.3.1 Giới thiệu Arduino IDE :.................................................................................................46
3.3.2 Lập trình cho bo mạch Node MCU..................................................................................47
3.4 Viết ứng dụng Android......................................................................................................73
3.4.1 Thiết kế giao diện đăng nhập :.........................................................................................73
3.4.2 Thiết kế giao diện chính :.................................................................................................79
3.4.3 Thiết kế dialog : publish, subscribe, timer, automation...................................................82
KẾT LUẬN..................................................................................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................................89
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
M2M
Machine To Machine
Thiết bị đến thiết bị
IoT
Internet Of Things
Internet vạn vật
1
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Dự đoán phát triển của IoT trong năm 2020...................................................2
Hình 1.2 Mô hình điều khiển nhà thông qua giao diện 3D............................................3
Hình 1.3 Bảng điều khiển Smarthome của BKAV.........................................................3
Hình 1.4 Tiến trình làm việc trong hệ thống IoT đơn giản.............................................4
Hình 1.5 Bo mạch Arduino Uno....................................................................................5
Hình 1.6 Máy tính nhúng Raspberry Pi.........................................................................5
Hình 1.7 Mô hình hệ thống điều khiển vòng hở............................................................5
Hình 1.8 Mô hình hệ thống điều khiển vòng kín...........................................................6
Hình 1.9 Cảm biến ánh sáng..........................................................................................8
Hình 1.10 Cảm biến khói, gas........................................................................................8
Hình 1.11 Cảm biến độ ẩm đất......................................................................................8
Hình 1.12 Máy bơm mini...............................................................................................8
Hình 1.13 Biểu đồ khoảng cách và khả năng truyền dữ liệu của các công nghệ không
dây................................................................................................................................. 9
Hình 1.14 Mô hình hoạt động MQTT Broker và MQTT Client...................................12
Hình 1.15 Mô hình thể hiện quá trình Subscribe.........................................................13
Hình 1.16 Mô hình thể hiện quá trình Publish.............................................................13
Hình 2.1 Mô hình hệ thống IoT điều khiển từ xa.........................................................16
Hình 2.2 Giao diện làm việc của Altium designer.......................................................18
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lí mạch nguồn.........................................................................18
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lí khối thiết bị Relay...............................................................19
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lí khối điều khiển trung tâm và cảm biến...............................19
Hình 2.6 Sơ đồ đi dây mạch.........................................................................................20
Hình 2.7 Hình ảnh 3D của mạch trên Altium...............................................................20
Hình 2.8 Node MCU 1.0..............................................................................................21
Hình 2.9 Relay.............................................................................................................22
2
Hình 2.10 Nguồn hạ áp từ 220V AC về 5V DC...........................................................23
Hình 2.11 Cảm biến ánh sáng......................................................................................24
Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lí cảm biến ánh sáng.............................................................24
Hình 2.13 Cảm biến DHT11........................................................................................25
Hình 2.14 Ảnh mạch thực tế........................................................................................26
Hình 3.1 Giao diện phần mềm Packet Tracer...............................................................28
Hình 3.2 Khối thiết bị IoT trong Packet Tracer............................................................28
Hình 3.3 Mô hình kết thiết bị Node vào Home Gateway.............................................29
Hình 3.4 Mô hình kết nối từ HomeGateway đến MQTT Broker.................................29
Hình 3.5 Hình Mô hình kết nối từ Smartphone đến ISP..............................................30
Hình 3.6 Mô hình hệ thống IoT điều khiển từ xa hoàn chỉnh.......................................30
Hình 3.7 Kiểm tra kết nối từ thiết bị di động đến MQTT Broker.................................31
Hình 3.8 Cài đặt MQTT Broker trên máy chủ.............................................................32
Hình 3.9 Ứng dụng có sẵn trong Server.......................................................................32
Hình 3.10 Bật dịch vụ MQTT Broker, thêm tài khoản người dùng..............................33
Hình 3.11 Cài đặt MQTT Client trong SmartPhone trong Packet Tracer.....................33
Hình 3.12 Ứng dụng MQTT Client sau khi cài đặt xong.............................................34
Hình 3.13 Đăng nhập vào MQTT Clien trên SmartPhone...........................................34
Hình 3.14 Giao diện Publish và Subscribe trên MQTT Client.....................................35
Hình 3.15 Tạo code mẫu mặc định MQTT Client trên SBC Board.............................36
Hình 3.16 Lập trình cho SBC Board trong Packet Tracer............................................36
Hình 3.17 Đăng nhập vào MQTT Clien từ SBC Board...............................................41
Hình 3.18 Mô phỏng publish thông tin lên một kênh trong Packet Tracer...................42
Hình 3.19 Bản tin nhận được từ một topic trên Packet Tracer.....................................42
Hình 3.20 Kết quả mô phỏng bật tắt đèn từ xa trên Packet Tracer...............................43
Hình 3.21 Bản tin nhận được trong quá trình mô phỏng..............................................43
Hình 3.22 Kết quả của mô phỏng tương tác giữa các thiết bị trong hệ thống IoT........44
Hình 3.23 Bản tin nhận được trong quá trình mô phỏng..............................................44
Hình 3.24 Đăng kí một project trên Cloud MQTT.......................................................45
3
Hình 3.25 Giao diện Arduino IDE...............................................................................46
Hình 3.26 Thêm đường dẫn hỗ trợ ESP8266 trong Arduino IDE...............................47
Hình 3.27 Cài đặt thêm gói hỗ trợ Bo mạch ESP8266.................................................47
Hình 3.28 Hình ảnh sau khi chạy Smart Config từ Node MCU...................................50
Hình 3.29 Hình ảnh giao diện ứng dụng di động sau khi hoàn tất smart config...........50
Hình 3.30 Giao diện đăng nhập ứng dụng Android......................................................74
Hình 3.31 Giao diện màn hình chinh Android.............................................................79
Hình 3.32 Giao diện màn hình chính sau khi thêm thiết bị..........................................80
Hình 3.33 Dialog hẹn giờ.............................................................................................82
Hình 3.34 Dialog tự động............................................................................................82
Hình 3.35 Dialog Publish.............................................................................................82
Hình 3.36 Dialog Subscribe.........................................................................................82
Hình 3.37 Kiểm tra gửi thông tin từ ứng dụng Android xuống thiết bị Node..............87
4
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Bảng thông số kỹ thuật của mạch.................................................................19
5
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Trong đề tài “ Xây dựng hệ thống IoT điều khiển thiết bị từ xa có khả năng tuỳ
chỉnh theo yêu cầu người dùng” với nhiệm vụ nghiên cứu, xây dựng một mô hình thực
tế từ phần cứng đến phần mềm phục vụ cho người sử dụng. Đề tài được chia thành 3
chương với nội dung như sau:
Chương 1: Cơ sở lý thuyết xây dựng một hệ thống IoT : chương này đề sẽ tìm
hiểu lý thuyết cơ bản về trong một IoT, các công nghệ không dây được sử dụng.
Chương 2: Phân tích, xây dựng hệ thống IoT điều khiển từ xa có khả năng tuỳ
chỉnh theo yêu cầu của người dùng : Sau khi tìm hiểu lý thuyết chương 1, chương này
sẽ đi vào xây dựng bài toán xây dựng hệ thống IoT điều khiển thiết bị trong thực tế, vẽ
mạch phần cứng và xây dựng chức năng phần mềm.
Chương 3: Mô phỏng, viết ứng dụng android , đánh giá hệ thống : chương này sẽ
mô phỏng hệ thống IoT trên phần mềm Packet Tracer, đánh giá tính ứng dụng của hệ
thống, sau đó sẽ đi vào lập trình trên mạch phần cứng thật và viết phần mềm tuỳ chỉnh
trên nền tảng hệ điều hành Android.
6
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MỘT HỆ
THỐNG IOT
Chương này trình bày tổng quan về một hệ thống IoT gồm các thành phần, chức
năng. Tìm hiểu về các công nghệ không dây, giao thức để có thể xây dựng một hệ
thống IoT điều khiển các thiết bị từ xa.
1.1 Internet Of Things và những vấn đề cơ bản
1.1.1 Internet of Things và xu thế toàn cầu
Internet of Things (viết tắt IoT) : hiểu đơn giản là Internet vạn vật, kết nối vạn vật
vào mạng Internet, có khả năng truyền tải thông tin, dữ liệu , kết hợp với nhau thực
hiện một công việc nào đó.
Thực tế, Internet of Things đã manh nha từ nhiều thập kỹ trước. Tuy nhiên mãi đến
năm 1999 cụm từ IoT mới được đưa ra bởi Kevin Ashton.
IoT là một minh chứng cho tốc độ mà những thay đổi đang diễn ra trong thế giới
kỹ thuật số. Sự thay đổi theo cấp số nhân, “Internet of Things” (IOT) là thiết bị công
nghệ kết nối vật dụng hàng ngày với internet cung cấp dữ liệu để theo dõi, kiểm soát
được.
Những vật dụng hàng ngày xung quanh chúng ta sẽ có kết nối Internet: nhiệt, tủ
lạnh, máy và ô tô… IoT sẽ có thể cung cấp một lượng lớn dữ liệu, cung cấp nhà sản
xuất với thông tin giá trị về việc sử dụng, vấn đề của người tiêu dùng, cho phép các
công ty để biết thói quen của họ và thậm chí dự đoán nhu cầu của họ, đồng thời dự
đoán được sản phẩm ưa chuộng.
IoT sẽ tác động trực tiếp đến mọi mặt đời sống :
- Cơ sở hạ tầng: IoT có thể tham gia giám sát và kiểm soát giao thông đèn, cầu
hoặc đường (cả thành thị và nông thôn), phát hiện những thay đổi trong điều kiện cơ
cấu, đáp ứng ngay lập tức trong trường hợp khẩn cấp, nâng cao chất lượng.
1
- Môi trường: IoT có thể thiết lập kiểm soát chất lượng không khí hoặc nước, điều
kiện khí quyển hoặc đất.
- Công nghiệp và sản xuất hàng loạt: tương lai IoT có thể hỗ trợ lập trình sửa chữa
và bảo trì các hoạt động, kiểm soát và quản lý quá trình tập trung, tối ưu hóa các dây
chuyền sản xuất và đáp ứng nhanh chóng nhu cầu sản phẩm.
Năng lượng: Giám sát từ xa tiêu thụ năng lượng, lưu trữ thông minh, hệ thống phát
hiện và hành động, tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng.
- Y học và sức khỏe: IoT tạo ra các ứng dụng để cung cấp dữ liệu hoạt động trong
thời gian thực, cho phép hệ thống thông báo khẩn cấp và giám sát từ xa hoặc giám sát,
hỗ trợ quá trình điều trị và tư vấn sức khỏe.
- Logistics và Vận tải: Giám sát của hệ thống giao thông bao gồm xe, lái xe, và cơ
sở hạ tầng, điều khiển giao thông thông minh, sự lựa chọn bãi đậu xe, thực hiện hệ
thống thu phí điện tử thu thập, hậu cần và quản lý đội xe hoặc hỗ trợ đường bộ và an
ninh.
1.1.2 Những thách thức trong thời kì bùng nổ của Internet Of Things :
Dự đoán đến năm 2020 sẽ có khoảng 50 tỉ thiết bị thông minh được kết nối vào
mạng Internet.
Hình 1.1 Dự đoán phát triển của IoT trong năm 2020
Sự bùng nổ về số lượng thiết bị cũng đem đến nhiều thách thức mới : quản lí hạ
tầng, bảo mật, dữ liệu lớn bigdata…
Theo Cisco sau thời kì Internet of Things là thời kì của Internet of EveryThings.
2
1.2 Thành phần trong một hệ thống IoT
IoT đã và đang trở thành một xu thế tất yếu, vậy làm thế nào để hiểu và tiếp cận với
xây dựng một hệ thống IoT cơ bản, có khả năng điều khiển, tự động hoá hay thực thi
các công việc theo ý muốn người sử dụng, hãy cũng nhau phân tích .
Phân tích mô hình nhà thông minh của BKAV :
Ngày 13/6/2014, Tập đoàn công nghệ Bkav chính thức ra mắt Nhà thông minh
SmartHome, giải pháp điều khiển ngôi nhà theo các kịch bản ngữ cảnh thông minh.
Bkav SmartHome là hệ thống Nhà thông minh hoàn chỉnh, có thể điều khiển và
kiểm soát ngôi nhà thông qua một giao diện trực quan 3D trên smartphone hay tablet,
ở đó các thiết bị được mô phỏng giống như đang sử dụng thực tế.
Hình 1.2 Mô hình điều khiển nhà thông qua giao diện 3D
Các hệ thống từ điều khiển ánh sáng, rèm mành, kiểm soát môi trường, an ninh,
giải trí cho đến bình nóng lạnh… được phối hợp hoạt động theo các kịch bản ngữ cảnh
thông minh, nhằm mang đến sự tiện nghi cao nhất cho người sử dụng.
Nhà thông minh Bkav SmartHome sử dụng công nghệ truyền thông không dây
ZigBee và Wifi nên việc lắp đặt thiết bị rất thuận tiện, đơn giản.
3
Hình 1.3 Bảng điều khiển Smarthome của BKAV
Phân tích hệ thống nhà thông minh của BKAV có một vài nhận xét như sau :
Một IoT luôn có một thành phần gọi bộ điều khiển trung tâm hay (Controller) được
kết nối ra Internet theo một cách nào đó, có thể có dây hoặc không dây. Thành phần
này được coi là bộ não có nhiệm chi phối, quản lí vận hành toàn bộ hệ thống.
Một thành phần tiếp theo không thể thiếu là các cảm biến (Sensor), nhiệm vụ thu
thập thông tin vật lý từ môi trường chuyển về các tín hiệu điện để bộ điều khiển có thể
xử lí.
Sau khi thu thập thông tin từ cảm biến (sensor), bộ điều khiển có thể đưa ra các yêu
cầu như tắt bật đèn tự động, kém rèm cửa, bật bình nóng lạnh… Các bộ phận thực thi
các yêu cầu đó được gọi chung là Actutor.
4
Hình 1.4 Tiến trình làm việc trong hệ thống IoT đơn giản
1.2.1 Hệ thống điều khiển (Controller) :
Tổng quan về hệ thống điều khiển :
Các vòng phản hồi (feedback) được sử dụng để cung cấp thông tin theo thời gian
thực cho bộ điều khiển dựa trên hành vi hiện tại.
Trong một vòng kín, phản hồi liên tục được bộ điều khiển nhận từ các cảm biến
của nó.
Bộ điều khiển liên tục phân tích và xử lý thông tin, và sử dụng bộ truyền động để
sửa đổi các điều kiện.
Các bộ điều khiển trong các hệ thống IoT cơ bản mà chúng ta hay sử dụng như
Arduino, Raspbery Pi…
5
Hình 1.5 Bo mạch Arduino Uno
Hình 1.6 Máy tính nhúng Raspberry Pi
1.2.1.1 Hệ thống điều khiển vòng hở (Open-Loop Control Systems) :
Hình 1.7 Mô hình hệ thống điều khiển vòng hở
Không sử dụng thông tin phản hồi.
6
Hành động thực hiện được xác định trước mà không có bất kỳ xác minh nào về
kết quả đầu ra mong muốn.
Hệ thống điều khiển vòng hở thường được sử dụng cho các quy trình đơn giản.
Hãy xem xét một máy pha cà phê như một hệ thống điều khiển vòng hở. Người
dùng cung cấp đúng lượng cà phê và nước (đầu vào). Máy làm nóng nước và kiểm
soát dòng nước nóng vào giỏ lọc đầu ra là cà phê.
Một ví dụ khác về hệ thống điều khiển vòng hở là một thiết bị gia dụng. Một máy
rửa chén thường chạy trong một khoảng thời gian nhất định sử dụng xà phòng và nước
nóng. Máy rửa chén với các vòi phun và giá để bát được đặt một cách tối ưu. Tuy
nhiên, nhà máy không có khả năng xác định khi nào hoặc nếu bát đĩa sạch.
1.2.1.2 Hệ thống điều khiển vòng kín ( Close-Loop Control Systems) :
Hình 1.8 Mô hình hệ thống điều khiển vòng kín
Sử dụng phản hồi để xác định xem đầu ra được thu thập có phải là đầu ra mong
muốn hay không.
Kết quả sau đó được đưa trở lại vào bộ điều khiển để điều chỉnh nhà máy cho
lần lặp đầu ra tiếp theo và quá trình lặp lại.
7
Máy điều hòa nhiệt độ sử dụng hệ thống điều khiển vòng kín. Đầu vào: nhiệt độ
nhập từ bàn phím.Khi điều hòa hoạt động, cảm biến liên tục gửi các phản hồi nhiệt độ
về hệ thống điều khiển, để điều chỉnh và duy trì nhiệt độ đầu ra mong muốn.
Có nhiều loại bộ điều khiển vòng kín:
Bộ điều khiển tỷ lệ (P): dựa trên sự khác biệt giữa đầu ra thực tế và đầu ra
mong muốn.
Bộ điều khiển tích phân (PI): sử dụng dữ liệu lịch sử để đo thời gian hệ thống
đã lệch khỏi đầu ra mong muốn.
Bộ điều khiển tỷ lệ, tích phân và đạo hàm (PID): bao gồm dữ liệu về tốc độ hệ
thống tiếp cận với đầu ra mong muốn.
Bộ điều khiển PID là một cách hiệu quả để thực hiện điều khiển phản hồi.
Các thiết bị Arduino và Raspberry Pi có thể được sử dụng để thực hiện các bộ điều
khiển PID.
1.2.2 Cảm biến (Sensor)
Cảm biến là linh kiện, thiết bị điện tử cảm nhận và biến đổi các thông tin vật lý từ môi
trường thành tín hiệu điện .
Cảm biến có nhiều cách để phân loại, cơ bản chia thành 2 nhóm chính :
Cảm biến vật lí
Cảm biến hóa học
Sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng
Độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc
ngoại, tia X, tia gamma, hạt bức xạ, nhiệt hiệu, khói,...
độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng
cách, chuyển động, gia tốc, từ trường, trọng
trường,...
Thông tin thu thập từ cảm biến có thể ở dạng tín hiệu số (digital) hoặc tín hiệu tương
tự (analog).
8
