Điều khiển và giám sát thiết bị điện trong gia đình sử dụng wifi thông qua điện thoại thông minh

..

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÝ THÀNH ĐẠT

Điều khiển và giám sát thiết bị điện trong gia đình sử
dụng Wifi thông qua điện thoại thông minh
(Control and monitoring of electrical devices in
the home using WiFi via smartphone)
Chuyên ngành: :Kĩ thuật viễn thông
Mã nghành : CA150134
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN VĂN KHANG

Hà Nội – 2017


i

LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành luận văn này, tơi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy
GS.TS.Nguyễn Văn Khang - người đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong quá trình
nghiên cứu, thầy đã có những định hướng và đưa ra các ý tưởng chỉ dẫn q
giá để tơi có thể hồn thành luận văn này.
Đồng thời, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy, cô giáo
của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt tới các thầy, cô giáo tham
gia giảng dạy lớp 15AKTVTND, những người đã tận tình hướng dẫn, truyền
đạt kiến thức tạo tiền đề cho tơi hồn thành luận văn này.

Trong quá trình nghiên cứu, mặc dù đã cố gắng để thực hiện luận văn

một cách tốt nhất, song do một số mặt hạn chế khó tránh khỏi được sai sót.
Kính mong nhận được sự giúp đỡ q báu của các thầy, cơ để luận văn được
hồn chỉnh hơn.
Tác giả luận văn

Lý Thành Đạt


ii

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Lý Thành Đạt
Học viên lớp: 15AKTVTND – Kỹ thuật viễn thông.
Hiện làm viê ̣c ta ̣i: Đài PT-TH tỉnh Nam Định
Điạ chỉ: Số 6 Nguyễn Viết Xuân, P.Lộc Hạ, TP NĐ
Tôi xin cam đoan: Đề tài “ Điều khiển và giám sát thiết bị điện trong gia
đình sử dụng Wifi thơng qua điện thoại thơng minh ” do thầy giáo
PGS.TS Nguyễn Văn Khang hướng dẫn là cơng trình nghiên cứu của riêng
tơi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả
xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong
đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tơi hồn tồn chịu
trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật.

Tác giả luận văn

Lý Thành Đạt


iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................ viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................... ix
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN GIA ĐÌNH VÀ
IOT(INTERNET OF THING) .......................................................................... 5
1.1. Giới thiệu về IOT. ........................................................................... 5
1.2. Mơ hình tổng quan điều khiển các thiết bị điện trong gia đình ......... 7
1.3. Khảo sát mộ số bộ điều khiển thiết bị điện trong gia đình ................ 8
1.4. Các giải pháp điều khiển không dây và hiệu quả .............................. 9
1.4.1 Các giải pháp ............................................................................ 9
1.4.2. Đánh giá các giải pháp .......................................................... 10
1.5. Giới thiệu về giao tiếp Wifi hiện nay ............................................... 11
1.5.1. Khái niệm .............................................................................. 11
1.5.2. Phân loại ................................................................................ 11
1.5.3. Giao thức sử dụng ................................................................. 13
1.5.4. Bảo mât mạng không dây...................................................... 14
1.6. Vi Xử Lý trung tâm Esp8266 ........................................................... 14


iv

1.6.1.Thông số kỹ thuật Vi Xử lý Esp8266 .................................... 15
1.6.2. Đặc điểm chính của VXL ESP8266...................................... 15
1.6.3. CPU, bộ nhớ và giao tiếp ...................................................... 17

1.6.4. Tập lệnh ESP8266[10] .......................................................... 18
1.7. Phát biểu bài toán cần nghiên cứu .................................................. 21
1.8. Kết luận chương 1 ............................................................................ 21
CHƯƠNG 2 - THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM CỦA BỘ ĐIỀU
KHIỂN ............................................................................................................ 22
2.1. Giới thiệu chương ............................................................................ 22
2.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển ........................................................... 22
2.3. Thiết kế khối nguồn ......................................................................... 23
2.4. Thiết kế khối cảm biến nhiệt độ và độ ẩm ....................................... 24
2.5. Thiết kế Module cảm biến đo cường độ ánh sáng BH1750 ............ 28
2.5.1. Chức năng ............................................................................. 28
2.5.2. Thông số kỹ thuật .................................................................. 28
2.5.3. Hoạt động .............................................................................. 28
2.6. Thiết kế module cảm biến chuyển động (PIR motion) .................... 30
2.6.1 Chức năng .............................................................................. 30
2.6.2 Thông số kỹ thuật ................................................................... 30
2.7. Cảm biến khí Gas MQ2 ................................................................... 30
2.7.1.Chức năng .............................................................................. 30
2.7.2.Thơng số kỹ thuật ................................................................... 31


v

2.7.3. Hoạt động .............................................................................. 31
2.8. Thiết kế bộ vi xử lý trung tâm.......................................................... 32
2.9. Bộ nhớ ngoài cho CPU .................................................................... 33
2.10. Khối giao tiếp USB ........................................................................ 33
2.11. Khối giao tiếp trung gian ............................................................... 34
2.12. Sơ đồ nguyên lý tổng hợp hệ thống ............................................... 35
2.13. Ứng Dụng trên Smartphone ........................................................... 35

2.16. Chương trình cho Vi xử lý Esp8266 .............................................. 40
2.17. Kết luận chương 2 .......................................................................... 46
CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG .................... 47
3.1. Giới thiệu chương ............................................................................ 47
3.2. Bảng mạch hoàn thiện ...................................................................... 47
3.3. Phần mềm điều khiển và giám sát .................................................... 47
3.3.1. Nguyên lí hoạt động .............................................................. 48
3.3.2 Thử nghiệm đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm ............................... 48
3.3.3. Thử nghiệm đo giá trị cảm biến ánh sáng ............................. 49
3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................ 51
KẾT LUẬN ............................................................................................. 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 53


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
CCK

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Complimentary code keying

Khóa mã bù

Global System for Mobile

Hệ thống thơng tin di động tồn

Communication

cầu thế hệ 2

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

LLC

Logical Link Control

Điều khiển liên kết logic

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi trường

GSM

NDIS

Network Driver Interface
Specification

Bộ điều khiển mạng

Near Field Communications

Công nghệ giao tiếp tầm ngắn

Orthogonal frequency-division

Ghép kênh phân chia theo tần số

multiplexing

trực giao

OSI

Open Systems Interconnection

Kết nối các hệ thống mở

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

PCB

PRINTED CIRCUIT BOARD

Bảng mạch in

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SPI

Serial Peripheral Interface

Giao diện ngoại vi nối tiếp

WEP

Wired Equivalent Privacy

Wifi

Wireless Fidelity

NFC
OFDM

WiMAX
WLAN
WMAN
WPA

Bảo mật tương đương với mạng
có dây
Mạng khơng dây sử dụng sóng vơ
tuyến

Wordwide Interopeabillity for

Tương tác tồn cầu với truy cập

MicroWave Access

viba

Wireless Local Area NetWork

Mạng vô tuyến cục bộ

Wireless Metropolitan Area
NetWork
Wireless Protected Area

Mạng vô tuyến đô thị
Vùng bảo vệ không dây


vii

WPAN

Wireless Personal NetWork

Mạng vô tuyến cá nhân

WWAN

Wireless Wide Area NetWork

Mạng vô tuyến diện rộng


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Đánh giá các giải pháp điều khiển .................................................. 10
Bảng 1.2. Một số lệnh AT comand cơ bản ..................................................... 18
Bảng 1.3. Các lệnh AT cấu hình ..................................................................... 18
Bảng 1.4. Các lệnh AT đối với module wifi cấu hình là Station/Client ........ 19
Bảng 1.5. Các lệnh AT với module wifi cấu hình Access Point .................... 19
Bảng 1.6. Tập lệnh AT khác ........................................................................... 20
Bảng 3.1. Kết quả thử nghiệm cảm biến nhiệt độ và độ ẩm. .......................... 49
Bảng 3.2. Giá trị trả về của cảm biến chuyển động ........................................ 51


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Mơ hình tổng quan thiết bị điện trong ngơi nhà ............................... 8
Hình 1.2. Hình ảnh bộ điều khiển thiết bị từ xa Camsco C601 ........................ 8
Hình 1.3. Bộ điều khiển thiết bị từ xa sử dụng cơng nghệ GSM ...................... 9

Hình 1.4. Sơ đồ chân ESP8266 ....................................................................... 16
Hình 1.5. Sơ đồ khối ESP8266 ....................................................................... 17
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................ 22
Hình 2.2. Sơ đồ khối nguồn cấp ...................................................................... 23
Hình 2.3. Sơ đồ chân cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 ............................ 24
Hình 2.4. Sơ đồ kết nối với Vi xử lý .............................................................. 25
Hình 2.5. Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (DHT11)............................................ 25
Hình 2.6. Giao tiếp giữa DHT11 với Vi xử lý ................................................ 26
Hình 2.7. Giao tiếp giữa DHT11 với Vi xử lý ................................................ 27
Hình 2.8. Module cảm biến ánh sáng BH1750 ............................................... 29
Hình 2.9. Sơ đồ mạch cảm biến ánh sáng BH1750 ........................................ 29
Hình 2.10. Module cảm biến phát hiện chuyển động ..................................... 30
Hình 2.11. Module cảm biến khí Gas và Sơ đồ chân...................................... 31
Hình 2.12. Cảm biến khí Gas MQ2 ................................................................ 31
Hình 2.13. Module RC522 .............................. Error! Bookmark not defined.
Hinh 2.14. Sơ đồ chân Atmega328 ................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.15. Hình ảnh động cơ Servo ................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.16. Sơ đồ chân vi xử lý ESP8266 ....................................................... 32


x

Hình 2.17. Sơ đồ chân bộ nhớ Flash ............................................................... 33
Hình 2.18. Sơ đồ chân khối giao tiếp USB ..................................................... 34
Hình 2.19. Giao tiếp trung gian....................................................................... 34
Hình 2.20. Cách tạo nút nhấn .......................................................................... 36
Hình 2.21. Hình ảnh nút nhấn đã được tạo xong ........................................... 37
Hình 2.22. Các tùy chọn trong biểu tượng nút nhấn ....................................... 38
Hình 2.23. Các tùy chọn để hiển thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm .......................... 39
Hình 2.24. Các giá trị tùy biến trong Gauge ................................................... 39

Hình 2.25. Các giá trị của cảm biến ánh sáng và khí gas ............................... 40
Hình 2.26. Lưu đồ điều khiển trung tâm ......................................................... 41
Hình 2.27. Lưu đồ điều khiển tín hiệu đầu ra ................................................. 42
Hình 2.28. Lưu đồ đọc dữ liệu DHT11 ........................................................... 43
Hình 2.29. Lưu đồ đọc dữ liệu cảm biến ánh sáng ......................................... 44
Hình 2.30. Lưu đồ đọc dữ liệu cảm biến ánh sáng ......................................... 45
Hình 3.1. Mạch điện hồn thiện ...................................................................... 47
Hình 3.2. Hình ảnh giao diện phần mềm ........................................................ 48
Hình 3.3. Giao diện hiển thị tham số nhiệt độ, độ ẩm .................................... 49
Hình 3.4. Hình ảnh giao diện hiển thị các tham số ......................................... 50


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Ngày nay sự phát triển của khoa học cơng nghệ nói chung góp phần
không nhỏ trong sự thay đổi và phát triển cuộc sống của con người. Sự phát
triển nhanh chóng của các thiết bị di động cầm tay cũng tác động không nhỏ
đến đời sống của con người. Những chiếc điện thoại thông minh không chỉ
giúp liên lạc với nhau dễ dàng hơn, mà nó cịn cung cấp rất nhiều tính năng
hữu ích khác như ứng dụng văn phòng, giải trí, khả năng kết nối mạng để tìm
hiểu thơng tin. Với những tính năng mạnh mẽ ấy cộng với giá thành vừa phải
đã khiến các thiết bị này trở thành “vật bất ly thân” của rất nhiều người.
Kinh tế phát triển, cuộc sống được nâng cao, nhu cầu của con người về
một cuộc sống thoải mái, an toàn tiện nghi là điều tất yếu. Chính vì vậy ý
tưởng về việc điều khiển các thiết bị từ xa đã ra đời như là ý tưởng về một
cuộc sống với các thiết bị được vận hành một cách tự động hoặc theo trạng
thái của người điều khiển.
Ý tưởng trên là một ý tưởng khả thi và đem lại nhiều lợi ích cho con

người và được rất nhiều nhà khoa học, các tổ chức trong và ngoài nước quan
tâm phát triển. Đây là một ý tưởng tương đối rộng nó có thể bao gồm những
thiết bị điều khiển đơn giản như điều khiển ti vi bằng điều khiển từ xa cho đến
những điều khiển tự động bằng cảm ứng như thay đổi ánh sáng, nhiệt độ theo
sở thích hay thay đổi để phù hợp với các điều kiện thời tiết để tạo sự dễ chịu
nhất. Chính vì sự đa dạng đó nên đã có rất nhiều công nghệ ra đời.
Từ thực trạng trên học viên đã lựa chọn đề tài “Điều khiển và giám sát
thiết bị điện trong gia đình sử dụng Wifi thơng qua điện thoại thơng minh.”.
Nội dung nghiên cứu chính là ứng dụng phần mềm “Blynk” được cài đặt trên
điện thoại kết nối Wifi thông qua Vi xử lý ESP8266 để giám sát các thông số


2

về độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng và điều khiển các thiết bị điện, điện tử trong gia
đình.
Ngồi việc giám sát điều khiển các thiết bị trong gia đình, hệ thống cịn
có các cảm biến các cảnh báo khác như: cảnh báo rị rỉ khí gas, cảnh báo
cháy, cảnh báo phát hiện đột nhập. Bộ vi xử lý trung tâm của hệ thống kết nối
Internet thông qua Wifi và người sử dụng có thể giám sát thơng qua ứng dụng
của điện thoại.
Tất cả các thiết bị trong gia đình được kết nối Internet gọi là
IOT(internet of things) và sử dụng phần mềm Blynk trên nền tảng IOT.
2. Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu chế thử mơ hình giám sát và điều khiển thiết bị điện, điện
tử trong gia đình kết nối với điện thoại thơng minh qua giao tiếp bằng
Wifi.
- Cảnh báo các mức độ nguy hiểm về trong nhà như: báo khói, dị rỉ khí
gas
- Xây dụng mơ hình ngơi nhà với 3 phịng: Phịng khách, phịng ngủ và nhà

bếp.
- Xây dụng mạch điều khiển trung tâm và kết nối các cảm biến cho ngôi nhà.
- Xây dụng phần mềm trên nền tảng Android Mobile.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn
* Đối tượng nghiên cứu luận văn là:
- Tìm hiểu về giao tiếp Wifi.
- Tìm hiểu về các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và khí ga.
- Tìm hiểu về ngơn ngữ C và lập trình ứng dụng Android.


3

* Phạm vi nghiên cứu của luận văn bao gồm:
- Nghiên cứu giao tiếp Wifi 802.11 a/b/g/n.
- Nghiên cứu lập trình phần mềm trên Android 4.4.
4. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu là:
- Thu thập và phân tích tài liệu thơng tin, tài liệu liên quan đến đề tài.
- Thảo luận, lựa chọn phương hướng giải quyết vấn đề.
- Phân tích thiết kế các mơ phỏng của chương trình.
- Kiểm tra, đánh giá kết quả
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Luận văn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn như sau:
- Trên cơ sở mơ hình nhà thơng minh kết nối Internet có thể được ứng
dụng trong thực tế ở nhiều lĩnh vực khác nhau.
- Có thể liên kết tất cả các máy móc thành một mạng lưới. Thu thập dữ
liệu kết quả qua internet và đặc biệt là kết nối Wifi.
- Thuận tiện cho quản lý, điều khiển và giám sát từ xa.
- Nâng cao mức độ bảo vệ và an toàn.

4

6. Tên và bố cục luận văn
* Tên luận văn:
Điều khiển và giám sát thiết bị điện trong gia đình sử dụng Wifi thông
qua điện thoại thông minh”
* Bố cục luận văn - Nội dung chính của luận văn được chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về điều khiển các thiết bị điện trong gia đình
Nội dung của chương này giới thiệu về các thiết bị điện, điện tử thông
minh và các cảm biến thông minh. Nghiên cứu về sóng Wifi và kết nối
Internet trong ngơi nhà. Ngơn ngữ thiết kế phần mềm trên di động.
Chương 2: Thiết kế phần cứng
Nội dung của chương này đi sâu vào xây dựng, thiết kế các mạch của
hệ thống và viết chương trình cho Vi xử lý thu nhận các thơng tin đầu vào, xử
lý các thông tin và điều khiển các thiết bị đầu cuối. Thiết kế phần mềm có thể
cài đặt, sử dụng trên điện thoại thông minh Android.
Chương 3: Trình bày kết quả nghiên cứu bằng mơ hình thực tế
Nội dung của chương này tổng kết các kết quả nghiên cứu, chế tạo và
thử nghiệm mơ hình hoạt động đảm bảo đúng với mục tiêu đã đề ra.


5

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN GIA
ĐÌNH VÀ IOT(INTERNET OF THING)
1.1.

Giới thiệu về IOT.

1.1.1 Lịch sử phát triển IOT
Mạng lưới thiết bị kết nối internet viết tắt là IOT(Internet of thing) là một kịch
bản của thế giới công nghệ khi mà mỗi đồ vật được định danh riêng và tất cả
có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà
không cần sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy
tính. IOT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ
điện tử và internet. Nó là tập hợp của các thiết bị có khả năng kết nối với
nhau, với internet và thế giới bên ngồi để thực hiện cơng việc của mình.
1.1.2 Đặc tính cơ bản của IOT
- Tính kết nối liên thơng: Với IOT bất cứ điều gì cũng có thể kết nối với
nhau thơng qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể.
- Tính khơng đồng nhất: Các thiết bị trong IOT là khơng đồng nhất vì nó
có phần cứng khác nhau, và network khác nhau. Các thiết bị giữa các
network có thể tương tác với nhau nhờ vào sự liên kết của các network.
-

Thay đổi linh hoạt: Status của các thiết bị tự động thay đổi, ví dụ, ngủ
và thức dậy, kết nối hoặc bị ngắt, vị trí thiết bị đã thay đổi,và tốc độ đã
thay đổi… Hơn nữa, số lượng thiết bị có thể tự động thay đổi.

-

Quy mơ lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và
giao tiếp với nhau. Số lượng này lớn hơn nhiều so với số lượng máy
tính kết nối Internet hiện nay. Số lượng các thông tin được truyền bởi
thiết bị sẽ lớn hơn nhiều so với được truyền bởi con người.

1.1.3 Khả năng của IOT.

6

- Kết nối dựa trên sự nhận diện: Nghĩa là các “Things” phải có ID riêng
biệt. Hệ thống IoT cần hỗ trợ các kết nối giữa các “Things”, và kết nối
được thiết lập dựa trên định danh (ID) của Things.
- Khả năng cộng tác: hệ thống IoT khả năng tương tác qua lại giữa các
network và Things.
- Khả năng tự quản của network: Bao gồm tự quản lý, tự cấu hình, tự
chữa bệnh, tự tối ưu hóa và tự có cơ chế bảo vệ. Điều này cần thiết để
network có thể thích ứng với các domains ứng dụng khác nhau, môi
trường truyền thông khác nhau, và nhiều loại thiết bị khác nhau.
- Dịch vụ thoả thuận: dịch vụ này để có thể được cung cấp bằng cách thu
thập, giao tiếp và xử lý tự động các dữ liệu giữa các “Things” dựa trên
các quy tắc(rules) được thiết lập bởi người vận hành hoặc tùy chỉnh bởi
các người dùng.
- Các Khả năng dựa vào vị trí(location-based capabilities): Thơng tin liên
lạc và các dịch vụ liên quan đến một cái gì đó sẽ phụ thuộc vào thơng
tin vị trí của Things và người sử dụng. Hệ thống IoT có thể biết và theo
dõi vị trí một cách tự động. Các dịch vụ dựa trên vị trí có thể bị hạn chế
bởi luật pháp hay quy định, và phải tuân thủ các yêu cầu an ninh.
- Bảo mật: Trong IoT, nhiều “Things” được kết nối với nhau. Chình điều
này làm tăng mối nguy trong bảo mật, chẳng hạn như bí mật thơng tin
bị tiết lộ, xác thực sai, hay dữ liệu bị thay đổi hay làm giả.
- Bảo vệ tính riêng tư: tất cả các “Things” đều có chủ sở hữu và người sử
dụng của nó. Dữ liệu thu thập được từ các “Things” có thể chứa thơng
tin cá nhân liên quan chủ sở hữu hoặc người sử dụng nó. Các hệ thống
IoT cần bảo vệ sự riêng tư trong quá trình truyền dữ liệu, tập hợp, lưu
trữ, khai thác và xử lý. Bảo vệ sự riêng tư không nên thiết lập một rào
cản đối với xác thực nguồn dữ liệu.

7

- Plug and play: các Things phải được plug-and-play một cách dễ dàng
và tiện dụng.
- Khả năng quản lý: hệ thống IoT cần phải hỗ trợ tính năng quản lý các
“Things” để đảm bảo network hoạt động bình thường. Ứng dụng IoT
thường làm việc tự động mà không cần sự tham gia người, nhưng tồn
bộ q trình hoạt động của họ nên được quản lý bởi các bên liên quan.
1.1.4 Ứng dụng IOT
- Quản lý chất thải
- Quản lý và lập kế hoạch đồ thị
- Quản lý môi trường
- Phản hồi các tính huống khẩn cấp
- Mua sắm thơng minh
- Quản lý các thiết bị cá nhân
- Đồng hồ đo thông minh
- Điều khiển và giám sát ngôi nhà.
1.2. Mô hình tổng quan điều khiển các thiết bị điện gia đình
Mơ hình tổng quan các thiết bị điện trong ngơi nhà được mơ tả ở hình
1.1. Các trang thiết bị được tự động để kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, đèn chiếu
sáng, rèm cửa, cửa ra vào, cảnh báo khói, rị rỉ khí ga, thiết bị trong nhà (nóng
lạnh, điều hòa) tưới nước tự động sân vườn, năng lượng mặt trời, chạm để
điều khiển trực tiếp (cảm ứng điện dung), an ninh cho ngôi nhà rất quan trọng
và tất cả được kết nối internet. Có thể điều khiển qua Smartphone, Tablet...


8

Hình 1.1. Mơ hình tổng quan thiết bị điện trong ngôi nhà

1.3. Khảo sát mộ số bộ điều khiển thiết bị điện gia đình
Hiện nay ở các nước đã nghiên cứu chế tạo rất nhiều các bộ điều khiển
và quản lý thiết bị từ sử dụng sóng hồng ngoại, RF, GSM [2]… Các bộ điều
khiển này được sử dụng và lắp đặt cho ngơi nhà:
Ví dụ: Bộ điều khiển thiết bị từ xa Camsco C601 của trung quốc sử dụng sóng hồng
ngoại. Hình ảnh của bộ điều khiển hình 1.2. Khoảng cách điều khiển từ 20m đến
50m.

Hình 1.2. Hình ảnh bộ điều khiển thiết bị từ xa Camsco C601
Bộ điều khiển thiết bị điện sử dụng công nghệ GSM[2]. Mỗi bộ thông
thường chỉ điều khiển được 1 thiết bị và phải mất 1 module GSM để truyền
nhận dữ liệu. Các module này cũng có thể tích hợp kết nối thành một hệ thống


9

điều khiển và giám sát cho một tòa nhà nhưng chi phí sẽ rất lớn và hệ thống
kết nối phức tạp. Giá thành mỗi module điều khiển này khoảng 1 triệu đồng.
Hình ảnh được mơ tả ở hình 1.3.
Ngồi ra thì các hãng cơng nghệ lớn: Siemen, Hitachi vv… cũng đã
phát triển các hệ thống điều khiển và giám sát các thiết bị điện trong tòa nhà.
Nhưng những hệ thống này có chi phí rất đắt và chủ yếu phục vụ cho các tịa
nhà lớn.
Mới đây tập đồn BKAV và công ty cổ phần Lumi đã nghiên cứu chế
tạo thành cơng và thương mại hóa hệ thống điều khiển nhà thông minh.
Đặc điểm của hệ thống này là khả năng tích hợp cao, có nhiều chế độ
điều khiển, tồn bộ hoạt động của tòa nhà được giám sát và điều khiển trên
một máy tính bảng chạy hệ điều hành. Vì vậy giá thành của sản phẩm tương
đối cao khi triển khai lắp đặt và điều khiển nhiều thiết bị cùng lúc.

Hình 1.2. Bộ điều khiển thiết bị từ xa sử dụng công nghệ GSM
1.4. Các giải pháp điều khiển không dây và hiệu quả
1.4.1 Các giải pháp
Để đạt được mục tiêu nêu trên, giải pháp điều khiển có thể là:
- Điều khiển và giám sát qua Wifi.
- Điều khiển và giám sát qua Ethernet.


10

- Điều khiển và giám sát qua sóng RF.
- Điều khiển qua hồng ngoại.
1.4.2. Đánh giá các giải pháp
Việc đánh gia các giải pháp trên được thể hiện ở bảng 1.
Bảng 1.1. Đánh giá các giải pháp điều khiển
Phương pháp điều khiển

Đặc điểm
Phạm vi ngắn, không giám sát được thiết bị,

Điều khiển bằng hồng ngoại

khơng có kết nối Internet.
Phụ thuộc vào vị trí lắp đặt giữa các thiết bị
điều khiển và thiết bị đầu cuối.
Điều khiển và giám sát đơn giản được các thiết
bị.

Điều khiển và giám sát bằng
sóng RF[5]

Khơng có khả năng kết nối internet.
Khơng sử dụng dây dẫn nên lắp đặt được trên
mọi địa hình. Khoảng cách giới hạn bởi địa
hình và cơng suất thu phát RF.

Điều khiển và giám sát qua
Ethernet

Điều khiển và giám sát được các thiết bị.
Sử dụng các dây dẫn để kết nối các thiết bị.
Điều khiển và giám sát được các thiết bị thơng

Điều khiển và giám sát qua
sóng Wifi

qua mạng Wifi, mạng Internet.
Không sử dụng dây dẫn nên lắp đặt được trên
mọi địa hình. Khoảng cách giới hạn bởi địa
hình và cơng suất thu phát Wifi.


11

Lựa chọn giải pháp: Từ các đánh giá trên và căn cứ vào mục tiêu cần
đạt của đề tài học viên lựa chọn phương pháp điều khiển và giám sát qua
Wifi.
1.5. Giới thiệu về giao tiếp Wifi hiện nay
1.5.1. Khái niệm
Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng

khơng dây sử dụng sóng vơ tuyến. Truyền thông qua mạng không dây là
truyền thông hai chiều. Các sóng vơ tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với
các sóng vơ tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết
bị khác. Phương thức truyền sóng vơ tuyến song cơng hồn tồn, các dữ liệu
truyền trên đường truyền là sạng số nhị phân, tại các thiết bị đầu cuối tín hiệu
được chuyển đổi qua lại giữa Analog và Digital. Tuy nhiên, có một số đặc
điểm khác biệt của sóng WiFi so với các sóng vơ tuyến khác như sau:
Truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz. Tần số này cao hơn
so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và
truyền hình. Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn.
1.5.2. Phân loại
1.5.2.1. Phân loại theo tiêu chuẩn giao tiếp.
Chuẩn 802.11 có các tiêu chuẩn như sau:
• Chuẩn 802.11b : là phiên bản đầu tiên, chuẩn phát tín hiệu ở tần số
2.4GHz, xử lí 11Megabit /s và sử dụng mã CCK ( complimentary code
keying ). Đây là chuẩn chậm nhất cũng như chi phí thấp nhất trên thị
trường và ít phổ biến so với các chuẩn khác.
• Chuẩn 802.11g : phát tần số 2.4 GHz, xử lí 54 Megabit/s cũng với mã
OFDM ( orhogonal frequency-division multiplexing là một cơng nghệ
mã hóa hiệu quả) nên nhanh hơn so với 802.11b.


12

• Chuẩn 802.11a : chuẩn này có hiệu năng giống chuẩn 802.11g. Là tiền
đề cho chuẩn cuối cùng 802.11n.
• Chuẩn 802.11n: có tốc độ nhanh nhất trong các chuẩn có tần số 2.4GHz
với tốc độ xử lí 300 Megabit/s.
• Chuẩn 802.11ac phát ở tần số 5 GHz, có khả năng truyền tối đa 1.3
Gbits/giây (162,5 MB/giây). Tốc độ truyền của một Router 802.11ac

gấp đơi lưu lượng của Router 802.11n.
• Chuẩn 802.11ad phát ở tần số 60 GHz, tốc độ truyền dữ liệu lên đến 7
Gbps tuy nhiên khả năng xuyên tường và các vật dụng của tín hiệu 60
GHz rất kém và dễ bị mất năng lượng, phù hợp với chia sẻ dữ liệu giữa
các thiết bị trong cùng một phòng với khoảng cách ngắn.
1.5.2.2. Phân loại theo phạm vi phủ sóng hoạt động
* Trên cơ sở phạm vi phủ sóng chúng ta có 4 loại mạng sau:
- WPAN (Wireless Personal NetWork)[1]. Chủ yếu sử dụng với mạng có dây,
kết nối trực tiếp bằng USB, firewire đến 1 máy tính cá nhân của người dùng.
Như máy in, máy photo.
- WLAN (Wireless Local Area NetWork)[1]. WLAN là một mạng không dây
như một hệ thống mạng thông thường, mạng WLAN cho phép người dùng có
thể truy xuất được nguồn tài nguyên sẵn internet bất kỳ vị trí nào có phủ sóng
Wifi. WLAN sử dụng sóng điện từ (thường là sóng radio hay sóng hồng
ngoại) để liên lạc giữa các thiết bị trong phạm vi trung bình. So với Bluetooth,
Wireless Lan có khả năng kết nối phạm vi rộng hơn so với nhiều vùng phủ
sóng khác nhau, do đó các thiết bị di động có thể tự do di chuyển giữa các
vùng khác nhau. Phạm vi hoạt động từ 100m đén 500m với tốc độ truyền dữ
liệu trong khoảng 1Mbps-54Mbps.


13

- WMAN (Wireless Metropolitan Area NetWork)[1]. Mạng WMAN có kết
nối giống như mơ hình mạng LAN. Nó được nối kết các mạng LAN với nhau
thông qua các phương tiện truyền dẫn, cáp…. các thiết bị truyền thông kết nối
với nhau trong một diên tích rộng nhất định như trong một thành phố…
- WiMAX [1] là từ viết tắt của Wordwide Interopeabillity for MicroWave
Access có nghĩa là khả năng tương tác tồn cầu với truy cập viba. Cơng nghệ
WIMAX hay cịn gọi là chuẩn 802.16 là công nghệ không dây băng thông

rộng phát triển rất nhanh với khả năng triển khai phạm vi rộng và được coi là
tiềm năng to lớn.
- WWAN (Wireless Wide Area NetWork)[1]. Băng thơng thấp vì vậy kết nối
yếu dễ mất kết nối phù hợp với các ứng dụng như E-Mail, Web. Phạm vi hoạt
động rộng lớn, không giới hạn.
1.5.3. Giao thức sử dụng
Mạng không dây khác với mạng hữu tuyến truyền thông chủ yếu ở lớp vật
lý và ở lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC) của mơ hình tham chiếu
liên kết hệ thống mở (OSI). Nhưng phần khác nhau của hai phương thức tiếp
cận trong cung cấp điểm giao diện vật lý cho các WLAN. Nếu điểm giao diện
vật lý là ở lớp điều khiển kênh logic (LLC) thì phương pháp tiếp cận này địi
hỏi các bộ điều khiển của khách hàng phí cung cấp phần mềm mức cao hơn
như là hệ điều hành mạng[2].
Một giao diện như vậy cho phép các nút di động trao đổi trực tiếp với
nhau thông qua card giao diện mang vô tuyến. Điểm giao diện khác là ở lớp
MAC và thường áp dụng điểm truy cập. Vì vậy các điểm truy nhập thực hiện
cầu nối và không thực hiện định tuyến. Mặc dù MAC yêu cầu một kết nỗi hữu
tuyến nhưng nó cho phép bất kỳ hệ điều hành mạng nào hoặc bộ điều khiển


14

bất kỳ với WLAN. Một giao diện như vậy cho phép một Lan hữu tuyến đang
có mở rộng dễ dàng nhờ cung cấp thiết bị cho mạng vô tuyến mới.
Các lớp thấp hơn của card giao diện vô tuyến thường được thực hiện bởi
phần sụn “Firrmware” và chạy trên bộ xử lý nhúng. Các lớp cao hơn của ngăn
xếp giao thức mạng cho phép hệ điều hành trao đổi thông tin với Firmware
lớp thấp hơn được nhúng trong card giao diện mạng vơ tuyến. Ngồi ra nó
thực hiện chức năng LLC tiêu chuẩn. Đối với hệ điều hành WinDows bộ điều
khiển thường tuân thủ một số phiên bản của chỉ tiêu kỹ thuật bộ điều khiển

mạng(NDIS). Các bộ điều khiển dựa trên Unix, Linux.....
1.5.4. Bảo mât mạng không dây
Bảo mật là một vấn đề rất quan trọng đối với người dùng trong tất cả các
hệ thống mạng (WLAN, LAN....). Để kết nối tới mạng LAN hữu tuyến cần
phải truy cập theo đường truyền bằng dây cáp, phải kết nối với một PC và
một cổng mạng. Với mạng không dây chỉ cần có thiết bị trong vùng phủ sóng
là có thể truy cập được nên vấn đề bảo mật mạng không dây là cực kỳ quan
trọng đối với người sử dụng mạng. Bảo mật là vấn đề quan trọng và đặc biệt
rất được sự quan tâm của các doanh nghiệp. Không những thế bảo mật cũng
là nguyên nhân khiến doanh nghiệp e ngại.
* Các phương pháp bảo mật cho mạng không dây.
- FireWall: Lọc SSID, Lọc địa chỉ MAC, Lọc giao thức
- Mã hóa đường truyền: WEP, WPA.
1.6. Vi Xử Lý trung tâm Esp8266 [3][4]
Vi xử lý trung tâm có chức năng xử lý các tín hiệu vào ra,kết nối SPI, I2C.
Đồng thời có chức năng kết nối Internet thơng qua Wifi.