Đề tài thiết kế mô hình smart home đơn giản sử dụng module wifi ESP8266

TẬP ĐỒN BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG VIỆT NAM
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

ĐỒ ÁN/KHỐ LUẬN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài: “Thiết kế mơ hình smart home đơn giản sử dụng
module wifi ESP8266”

Người hướng dẫn :
Sinh viên thực hiện: Trần Văn Tiệp
Lớp :
D12DTMT

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ, CHO ĐIỂM
(Của giảng viên hướng dẫn)
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................


......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................

......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
Điểm:.....................................(Bằng chữ:……………………………..)
Đồng ý/Không đồng ý cho sinh viên bảo vệ trước hội đồng chấm đồ án tốt nghiệp…?

Hà Nội, Ngày…...Tháng…...Năm 2013
CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(ký, họ tên)


LỜI CẢM ƠN

Bước vào ngưỡng cửa ước mơ cánh cửa đại học với biết bao niềm ước mơ về công nghệ thông tin
thế nhưng em tưởng chừng như ngã gục và không thể đứng dậy được khi ngày em biết tin em
trượt ngành công nghệ thông tin đại học Bách Khoa Hà Nội những tháng ngày kế tiếp là những
tháng ngày em sống trong tuyệt vọng khơng biết mình sẽ đi đâu và làm gì, nhưng cơ hội đã mở
ra với em một lần nữa khi có cơ hội bước vào học viện Bưu Chính Viễn Thơng nhưng có một sự
thay đổi là ngành em chọn không phải là công nghệ thông tin nữa mà em đi theo một con đường
trong em mách bảo là ngành kỹ thuật điện tử, ngày em bước vào trường em cũng chưa hiểu biết
nhiều về điện tử với biết bao hồi nghi khơng biết cơng việc sau này ra trường em sẽ làm gì,

trong quá trình học em sẽ nghiên cứu điều gì.
Nhưng thời gian thực tế học ở học viện đã trả lời em tất cả em thực rất thích thú đam mê và như
bị cuấn vào ngành điện tử với những ứng dụng của nó rất gần với cuộc sống và rất hưu ích theo
xu thế của xã hội.
Nhưng điều khiến em thực sự ấn tượng và quý trọng hơn rất nhiều đó là sự nhiệt huyết, tận tâm
của các thầy cơ trong khoa
Em xin cảm ơn cô Bùi Thị Dân, cô Vũ Anh Đào, thầy Nguyễn Trung Hiếu, thầy Nguyễn Ngọc
Minh thầy cô thực sự đã đưa em đến với khoa điện tử, đem đến cho em sự đam mê và nhiệt
huyết tuổi trẻ, điện tử của các thầy cô em và các bạn đã rất may mắn có được đón nhận tình cảm
của thầy cơ danh cho.
Sau cánh cửa đồ an là một tương lại mới, một con đường mới, một công việc mới cho em và các
bạn ở tập đoàn FPT sofware, khoảng 40 bạn trên tổng số hơn một trăm bạn làm việc cùng em ở
tập đoàn FPT sofware và cịn nhiều bạn khác đã có việc ở tập đoàn khác là sảm phẩm đào tạo và
tâm huyết của thầy cô.
Em xin một lần nữa thay mặt các bạn cảm ơn các thầy cô rất nhiều em xin chúc các thầy cô sức
khỏe và thành công a !
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
CPU: Central Process Unit
Khối xử lý trung tâm
RAM: Random Access Memory
Bộ Nhớ truy nhập ngẫu nhiên
ROM: Read Only Memory
Bộ Nhớ chỉ đọc
HDMI: High-Definition Multimedia Interface
Giao diện đa phương tiện độ phân giải cao
GPIO: General Purpose Input Output
Cổng vào ra vơi mục đích cơ bản
MQTT: Message Queuing Telemetry TransportGiao thức publish/subscribe bản tin
IOT: Internet Of Things
Là liên kết máy đến máy

WPA: Wi-Fi Protected Access
Giao Thức an ninh mạng không dây
UART: Universal Asynchronous Receive/Transmit Truyền nhận dữ liệu không đồng bộ
TXD: Transmitted Data
Truyền dữ liệu
RXD: Received Data
Nhận dữ liệu
RST: Reset
Làm lại
IC: Integrated Circuit
Mạch điện chứa các link kiện bán dẫn
VCC: Voltage Constant Current
Điện áp có dịng khơng đổi
VDD: Voltage Drain – Drain
Điện áp cực máng
Page


AC: Alternating Current
GND: Ground
EEPROM:Electrically Erasable Programmable
QoS: Quality of Service
IP: Internet Protocol
TCP: Transmission Control Protocol
MAC: Media Access Control
SSL: Secure Sockets Layer
TTL: Time To Live
URL: Uniform Resource Locator
PIR: Passive Infrared Sensor

Dòng thay đổi theo thời gian
Đất
Vùng nhớ không bay hơi
Khả năng giúp cho việc truyền dữ liệu
Giao thức internet
Giao thức điều khiển vận chuyển
Địa chỉ vật lý
Tiêu chuẩn của công nghệ bảo mật
Thời gian sống
Sử dụng tham chiếu đến tài nguyên mạng
Hồng ngoại thụ động

DANH MỤC CÁC BẢNG/ HÌNH
Hình 1. 1 Mơ hình smart home.........................................................................................................2
YHình 2. 1 Mặt trên của raspberry pi2.............................................................................................5
Hình 2. 2 ESP8266...........................................................................................................................6
Hình 2. 3 Sơ đồ chân ESP8266........................................................................................................6
Hình 2. 4 Sơ đồ nguyên lý cảm biến điện dung TTP223-BA6.........................................................7
Hình 2. 5 Sơ đồ chân Mosfet IRFR 3709.........................................................................................8
Hình 2. 6 Module uart PL2303.........................................................................................................9
Hình 2. 7 Sơ dồ chân DS18B20.....................................................................................................10
Hình 2. 8 Module hồng ngoại.........................................................................................................11
Hình 2. 9 Sơ đồ chân module MQ2................................................................................................13
Hình 2. 10 Module remote đa dụng................................................................................................14
Y
Hinh 3. 1 Sơ đồ khối smart home...................................................................................................15
Hinh 3. 2 Mơ hình giao tiếp client và broker trong giao thức mqtt................................................17
Hinh 3. 3 Sơ đồ cho ví dụ trên........................................................................................................18
Hinh 3. 4 Hình ảnh file Rasbian tải về..........................................................................................19
Hinh 3. 5 Hình ảnh minh họa cho bước 3......................................................................................20

Hinh 3. 6 Hình minh họa cho bước 5.............................................................................................20
Hinh 3. 7 Hinh minh họa cho bước trên.........................................................................................21
Hinh 3. 8 Sơ đồ chân kết nối usb ttl và module Raspberry pi2.....................................................22
Hinh 3. 9 Hình ảnh minh họa cho bước 1......................................................................................22
Hinh 3. 10 Hình ảnh minh họa cho bước 3...................................................................................23
Hinh 3. 11 Hình ảnh minh họa cho bước 4.....................................................................................23
Hinh 3. 12 Hình minh họa cho bươc 5...........................................................................................24
Hinh 3. 13 Hình minh họa cho bước 1...........................................................................................24
Hinh 3. 14 Hình ảnh minh họa cho bước 2....................................................................................25
Hinh 3. 15 Hình ảnh mơ tả cho bước 3..........................................................................................26
Hinh 3. 16 Hình ảnh mơ tả cho bước 4..........................................................................................26
Hinh 3. 17 Hình ảnh mơ tả cho bước 5..........................................................................................27
Hinh 3. 18 Hình ảnh cài đặt mosquitto cho Orange pi one............................................................27
Hinh 3. 19 Hinh ảnh đăng nhập vào Raspberry pi băng winSCP...................................................29
Hinh 3. 20 Hình mơ tả cho bước trên............................................................................................30
Hinh 3. 21 Hình ảnh kích hoạt openhab bằng Putty.......................................................................32
Hinh 3. 22 Hình ảnh giao diện Openhab........................................................................................33
Page


Hình 4. 1 Mạch in điều khiển thiết bị bằng wifi trong mơ hình smart home, mặt top...................34
Hình 4. 2 Mạch in điều khiển thiết bị bằng wifi trong mô hình smart home, mặt bottom.............34
Hình 4. 3 Lưu đồ thuật tốn code xử lý cảm biến điện dung.........................................................35
Hình 4. 4 Code sử dụng ngắt ngoài ESP8266 để phát hiện trạm phím..........................................37
Hình 4. 5 Hàm xử lý sau trạm phím...............................................................................................40
Hình 4. 6 Chương trình mơ tả cho q trình trên...........................................................................43
Hình 4. 7 Lưu đồ thuật tốn phân tích xử lý dữ liệu từ mqtt broker gửi về...................................44
Hình 4. 8 Chương trình mơ tả cho bước lắng nghe và phân tích dữ liệu từ MQTT broker...........46
Hình 4. 9 Mỗ tả phần cứng cảm biến nhiệt độ...............................................................................47
Hình 4. 10 Lưu đồ thuật tốn hoạt động ESP8266 cảm biến nhiệt độ...........................................47

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................................i
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT....................................................................ii
MỤC LỤC.......................................................................................................................................v
MỞ ĐẦU..........................................................................................................................................1
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ SMART HOME.........................................................................2
1.1 Giới thiệu về smart home.......................................................................................................2
1.2 Yêu cầu tổng thể.....................................................................................................................2
1.3 Phần cứng...............................................................................................................................3
1.4 Kịch bản cho từng phòng.......................................................................................................4
CHƯƠNG 2: LINK KIỆN VÀ MODULE SỬ DỤNG...............................................................5
2.1 Server raspberry pi 2..............................................................................................................5
2.1.1 Giới thiệu về raspberry pi 2............................................................................................5
2.1.2 Mục đích sử dụng Raspberry pi 2 trong đề tài smart home.............................................5
2.2 Module wifi ESP8266........................................................................................................6
2.2.1 Giới thiệu về module ESP8266.......................................................................................6
2.1.2 Sơ đồ chân và chức năng.................................................................................................6
2.3 IC cảm biến điện dung TTP223-BA6....................................................................................7
2.3.1 Giới thiệu về IC cảm biến điện dung TTP223-BA6........................................................7
2.3.2 Sơ đồ chân và chức năng.................................................................................................7
2.3.3 Mục đích sử dụng IC TTP223-BA6................................................................................8
2.4 Mosfet kênh N- IRFR3709 30V.............................................................................................8
2.4.1 Giới thiệu mosfet kênh N- IRFR3709 30V.....................................................................8
2.4.2 Nguyên lý hoạt động.......................................................................................................9
2.4.3 Kiểm tra hoạt động của mosfet........................................................................................9
2.4.4 Mục đích sử dụng Mosfet IRFR3709..............................................................................9
2.5 IC chuyển đổi USB – UART IC PL2303..............................................................................9
2.5.1 Giới thiệu IC chuyển đổi giới thiệu IC PL2303..............................................................9
2.5.2 Sơ đồ chân và chức năng...............................................................................................10

2.5.3 Mục đích sử dụng mạch nạp UART..............................................................................10
2.6 Cảm biến nhiệt độ DS18B20...............................................................................................10
Page


2.6.1 Giới thiệu về cảm biến nhiệt độ DS18B20....................................................................10
2.6.2 Sơ đồ chân và chức năng...............................................................................................11
2.6.3 Mục đích sử dụng cảm biến nhiệt độ trong đề tài..........................................................11
2.7 IC cảm biến hồng ngoại........................................................................................................11
2.7.1 Giới thiệu IC cảm biến hồng ngoại...............................................................................11
2.7.2 Một số lưu ý khi lắp đặt cảm biến hồng ngoại..............................................................12
2.7.3 Mục đích sử dụng cảm biến hồng ngoại trong đề tài smart home.................................12
2.8 Module cảm biến khí gas MQ2...........................................................................................12
2.8.1 Giới thiệu về module cảm biến khí gas MQ2................................................................12
2.8.3 Mục đích sử dụng module cảm biến khí gas MQ2........................................................13
2.9 Remote đa cảm biến cho smart home..................................................................................13
2.9.1 Giới thiệu về remote đa dụng cho smart home..............................................................13
2.9.2 Mục tiêu đạt được..........................................................................................................14
CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH SMART HOME XÂY DỰNG...........................15
3.1 Giao thức MQTT..................................................................................................................15
3.1.1 MQTT là gì....................................................................................................................15
3.1.2 Publish và subcribe trong giao thức MQTT......................................................................15
3.1.3 QoS trong giao thức MQTT.........................................................................................16
3.1.4 Retain trong giao thức MQTT......................................................................................16
3.2 Kiến trúc MQTT...................................................................................................................17
3.3 Bảo mật của giao thức MQTT..............................................................................................19
3.4 Cài đặt hệ điều hành và phần mềm cho Raspberry pi 2.......................................................19
3.4.1 Cài đặt hệ điều hành Raspberry pi 2..............................................................................19
3.4.2 Cài đặt phần mềm mosquitto để đưa Raspberry pi trở thành MQTT Broker................27
3.4.3 Giới thiệu về phần mềm quản lý thiết bị vào giao diện người dùng openhab...............28

3.4.4 Cài đặt openhab trên Raspberry pi 2.............................................................................28
3.4.5 Cấu hình MQTT Binding..............................................................................................29
3.4.6 Cấu hình các thiết bị (item) và giao diện (site map) cho openhab...............................29
CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA CLIENT TRONG MƠ HÌNH
SMART HOME............................................................................................................................34
4.1 Mạch thiết kế điều khiển thiết bị..........................................................................................34
4.2 Chương trình điều khiển device...........................................................................................35
4.3 Xây dựng ESP8266 MQTT client cảm biến nhiệt độ gửi giá trị cảm biến lên MQTT broker
....................................................................................................................................................47
4.4 Xây dựng cảm biến hống ngoại đếm số người trong phòng.................................................52
KẾT LUẬN...................................................................................................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................52

Page


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Giới thiệu về smart home

MỞ ĐẦU
Điện tử đang là ngành khoa học đa nhiệm điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng
của các ngành và lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống
hằng ngày. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất cảu điện tử là wifi ứng dụng vào trong
mơ hình smart home IOT, wifi được ứng dụng vào nhiều trong công công nghiệp và trong cuộc
sống với nhiều các ứng dụng khác nhau với những thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi và đạt
được năng suất kinh tế thật cao. Xuất phát từ ứng dụng đó em thiết kế mơ hình smart home sử
dụng module wifi ESP8266.
Thiết kế mudule thực thi: mạch điều khiển thiết bị theo kích thước hộp âm tường để ứng dụng
đưa vào ngôi nhà xây dựng thực tế module gồm 3 kênh cảm biến điện dung gắn vào mặt trơn

SINO S190 của gộp âm tường để có thể dễ dàng trạm cảm biến đóng ngắt thiết bị và tăng giảm
độ sáng của thiết bị trong nhà mỗi module được thiết kế điều khiển tối đa 4 thiết bị (đèn ) trên
module tích hợp ESP 8266 để nhận lệnh từ server raspberry pi, và gửi trạng thái hoạt động của
module lên server qua chuẩn giao thực MQTT của IOT.
Thiết kế tách rời module cảm biến: đặt ở các phòng làm nhiệm vụ đếm số người trong phòng, đọc
cảm biến độ ẩm, nhiệt độ cảm biến khi gas, đo dịng điện tiêu thụ của tồn bộ các thiết bị trong
mơ hình smart home và gửi những dữ liệu thu thập của cảm biến về cho server, server gửi lại giá
trị cảm biến nhận được cho module thực thi phân tích và có những độn thái thực hiện tương ưng
Nội dung bao gồm 4 chương :
- Chương 1: Giới thiệu về smart home
- Chương 2: Link kiện và module sử dụng
- Chương 3: Tổng quan về mô hình smart home xây dựng
- Chương 4: Chương trình hoạt động của client trong mơ hình smart home
Đề tài này giúp em hiểu rõ nguyên lý thu phát phát và ứng dụng nó vào trong q trình ngiên cứu
thì em đã :
1. Đã làm được
Thiết kế các module thực thi điều khiển thiết bị điện áp 1 chiều điện áp từ 5 đến 60V
Thiết bị cảm biến: nhiệt độ , độ ẩm, khi gas, cảm biến đo dòng, cảm biển hồng ngoại hoạt động
chính xác và nhạy cảm các mơi trường kích thích.
Thực hiện truyển nhận tốt data trên web openhab và phần mềm openhab viết trên androi
Mơ hình xây dựng đã được vào xây dụng trong ngôi nhà thực tế .
2.Vẫn đề chưa làm được
Trong 3 tháng làm đồ án cũng là 3 tháng em thử việc ở tập đồn FPT Sofware nên em gặp nhiều
khó khăn về thời gian giữa áp lực công việc mới, và đồ án nghiên cứu được trực tiếp vào xây
dựng trong ngôi nhà thực tế của anh quản lý em ở tập đoàn FPT sofware với những địi hỏi khắt
khe về ngơi nhà mà khiến cho áp lực đề tài tăng cao thực hiện đề tài trong thời gian ngắn nên sản
phẩm demo trong đồ an chưa được tích hợp nhiều những tính năng như ngôi nhà xây dựng thực
tế.
3. Hướng phát triển đề tài tiếp theo
Sẽ xây dựng tích hợp đầy đủ những tình năng của smart home thực tế đã làm, xây dựng đầy đủ

chi tiết tài liệu để các bạn khóa sau có thể nghiên cứu phat triển kế thừa.

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ SMART HOME

Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 1


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Giới thiệu về smart home

1.1 Giới thiệu về smart home
Nhà thông minh đang và sẽ là một xu hướng công nghệ tất yếu trên thế giới, trở thành tiêu chuẩn
của nhà ở hiện đại trong kỷ nguyên Internet of Things – kết nối vạn vật qua internet. Bên cạnh
đó, sự tiện nghi và tiết kiệm năng lượng cũng dần trở thành một tiêu chuẩn cần thiết nhằm nâng
cao chất lượng sống của chúng ta. Vậy nên hãy bắt đầu cho một "kỷ nguyên công nghệ" mới.
Công nghệ và thiết bị cho ngôi nhà thông minh đang được các công ty trong ngành xây dựng
quan tâm nhiều. Tại châu Âu, ngày càng có nhiều điều luật bắt buộc các ngơi nhà mới xây phải
có chứng chỉ thân thiện môi trường, như cách nhiệt tốt, giảm tiêu thụ điện, nước và khí đốt,...
Dưới đây là 5 cách mà một ngôi nhà thông minh giúp bạn có một cuộc sống tiện nghi và thoải
mái hơn:

Hình 1. 1 Mơ hình smart home
1. Các cánh cửa đều tự động đóng và mở khi chúng nhận diện được bạn là ông chủ của ngôi nhà.
2. Tự điều chỉnh độ sáng các bóng đèn điện khi bạn đọc sách, xem ti-vi hay đi ngủ.
3. Các thiết bị điện tử từ gia dụng đến giải trí trong ngơi nhà được điều khiển dễ dàng thơng qua
giọng nói hay Smartphone của bạn.
4. Đưa ra các cảnh báo các vật dụng có thể gây nguy hiểm cho trẻ em khi chúng có ý định sử

dụng các vật dụng đó.
5. Tính năng an ninh như tự báo động khi có một người cố tình xâm nhập trái phép, tự động khóa
trái cửa, báo cảnh sát,… luôn trong trạng thái sẵn sàng.

1.2 Yêu cầu tổng thể
- Có kịch bản cho từng đèn và từng chế độ (ngủ, đọc sách, làm việc ..)
- Tự động đóng ngát đèn khi có người trong phịng, phịng có >2 cửa ra vào.
- Đóng ngắt đèn có dimmer (sáng từ từ, tắt từ từ). Phịng có nhiều đèn và mỗi đèn đều có thể điều
khiển độc lập. Đèn chỉ sáng khi ngồi trời tối. Mùa đơng thì bật đèn sáng ấm, mùa hè thì bật đèn
sáng lạnh.
Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 2


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Giới thiệu về smart home

- Điều chỉnh sáng tối của đèn theo ý muốn.
- Đo dòng điện và báo lượng điện tiêu thụ
- Cảnh báo cho chủ nhà (bật đèn, hú còi) khi có người vào khi kích hoạt chế độ chống
trộm.
- Báo vị trí chính xác người đang ở phịng nào.
- Báo cửa nào chưa đóng.
- Kéo rèm khi trời sáng
- Đo mực nước trong bể, hiển thị theo %. độ mịn là 5-10%
- Tự động bơm nước khi bể < 50%
- Điều khiển các thiết bị trên smartphone hoặc bảng điều khiển trung tâm.

1.3 Phần cứng
Cảm biến:
- Đếm số người trong phòng
- Nhiệt độ, độ ẩm.
- Cường độ ánh sáng.
- Mực nước
- Dịng điện
- PIR.
- Đóng mở cửa (cửa ra vào cửa sổ)
- Cảm biến Gas, CO2
- Camera (cửa ngõ)
- Cảm biến mất điện :)
Đèn :
- LED thanh 1m 12V -> dùng làm đèn hắt ở tủ bếp hoặc hắt lên trần trong phòng ngủ. Remove bỏ
điện trở trên thanh LED.
- LED âm tường: 36v -> dùng làm đèn trần phòng khách. Remove bỏ bộ đổi nguồn
220 -> 36v và điện trở hạn dịng.
- LED 12v (3 bóng cắt từ led thanh) -> dùng làm đèn tường
- Điện áp tối đa 1 bóng led là 3.3v. Nối tiếp các bóng để ra điện áp khác nhau.
Nguồn
- Ưu tiên dùng nguồn 24V
- Nguồn cho LED: Điện áp là bội của 3.3v -> mỗi phòng dùng 1 cục sạc laptop 19-20v
- Nguồn cho hệ thống điều khiển: 5V từ điện lưới hoặc acquy.
Optional:
- Nguồn dự phòng: 2 acquy 12v - 20AH (giá 1M)
- Pin năng lượng mặt trời: 1 tấm 100W (1mx0.8m) + bộ sạc.
Đi dây trong tường:
- Đi đường nguồn 1 chiều 20v dây to mỗi phịng sẽ có 1 cục adapter 20v – 4A
- Đi đường nguồn 1 chiều 5V dây vừa – mỗi tầng sẽ có 1 cục adapter 5v – 2A
- Đường 220v đi quanh nhà phục vụ cho các ổ cắm và các adapter.

- Nguồn 24V (pin mặt trời) đấu thẳng vào các phịng)
- Mỗi tầng có 1 tủ điện

1.4 Kịch bản cho từng phòng
Phòng khách
- Đếm số người trong phịng
- Khi có người vào
- Kiểm tra độ sáng và bật đèn với độ sáng phù hợp, có dimmer.
- Bật tivi, âm lượng nhỏ.
Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 3


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Giới thiệu về smart home

- Bật quạt trần khi nhiệt độ > 30o
- Khi hết người, giảm độ sáng đèn trần còn 10%, đèn tường còn 50%, tắt quạt. Tắt hết đèn sau 5p
- Trên tường có nút điều chỉnh độ sáng, tắt mở theo ý muốn. (reset về auto khi hết người trong
phịng)
Phịng ngủ
- Đếm số người trong phịng
- Khi có người vào, check độ sáng và bật đèn với độ sáng phù hợp, có dimmer.
- Khi hết người, tắt hết đèn
- Trên tường có nút điều chỉnh độ sáng theo ý muốn.
- Bật quạt thơng gió khi CO2 trên ngưỡng cho phép
- Điều chỉnh độ ẩm. Tăng đần nhiệt độ về sáng.
- Kéo dèm theo thời gian đặt trước.

- Trên tường có nút điều chỉnh độ sáng theo ý muốn.
Phịng bếp
- Báo động khí gas, Co2
- Bật quạt thơng gió khi CO2 đạt ngưỡng.
- Tủ bếp có đèn, bật đèn tủ khi mở cửa tủ.
- Đếm số người trong phòng
- Khi có người vào, check độ sáng và bật đèn với độ sáng phù hợp, có dimmer.
- Khi hết người, giảm độ sáng đèn trần còn 10%, đèn tường còn 50%. Tắt hết đèn sau 5 phút
- Trên tường có nút điều chỉnh độ sáng, tắt mở theo ý muốn. (reset về auto khi hết người trong
phòng)
Phòng tắm
- Đếm số người trong phịng
- Khi có người vào, check độ sáng và bật đèn với độ sáng phù hợp, có dimmer.
- Khi hết người, giảm độ sáng đèn trần còn 10%, Tắt hết đèn sau 5p
- Trên tường có nút điều chỉnh độ sáng, tắt mở theo ý muốn. (reset về auto khi hết người trong
phịng)
Cửa ngõ
- Bấm chng, màn hình home server tự hiện camera cửa ngõ
- Camera ghi hình khi có chuyển động
- Khi có người vào, check độ sáng và bật đèn với độ sáng phù hợp, có dimmer.
- Khi hết người, giảm độ sáng đèn còn 50%, Tắt hết đèn sau 10p

Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 4


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 2 Link kiện va mudule sử dụng

CHƯƠNG 2: LINK KIỆN VÀ MODULE SỬ DỤNG
2.1 Server raspberry pi 2
2.1.1 Giới thiệu về raspberry pi 2

Hình 2. 1 Mặt trên của raspberry pi2
Chip Raspberry pi 2 sử dụng CPU 4 nhân lõi ARM cotex A7 chip đồ họaBroadcom VideoCore IV
– 250MHz, RAM 1 GB bị chia sẻ 250MB cho chip đồ họa và 1 khe cắm thẻ nhớ micro SD phục
vụ lưu trữ điện rộng .
Raspberry pi 2 được tích hợp nhiều cổng kết nối trong đó có cổng HDMI, cổng kết nối ethernet
10/100, USB 2.0, microUSB, cổng kết nối camera, màn hình đầy đủ chân cắm GPIO như một
vi mạch điều khiển thông thường. Mạch hỗ trợ bộ sạc 5V 2A hỗ trợ sạc
Camera: Connector 15-pin MIPI Camera Serial Interface (CSI-2)
Display: Connector Display Serial Interface (DSI)
Memory Card Slot: Micro SD
Cũng giống như một số model máy tính Raspberry pi 2 khác, model Raspberry pi 2có thể chạy
trên nền tảng Androi hoặc một số nền tảng dựa trên linux bao gồm:
Raspbian: hệ điều hành dựa trên Debian
Ubuntu Mate: Ubuntu Desktop
Snappy Ubuntu Core: chủ yếu dành cho các nhà phát triển
Openelec: hệ thống giải trí đa phương tiện
OSMC: hệ thống giải trí đa phương tiện
Pidora: hệ điều hành dựa trên Fedora
RISC OS: không phải hệ điều hành Linux, ….

2.1.2 Mục đích sử dụng Raspberry pi 2 trong đề tài smart home
Sử dụng Raspberry pi 2 trong smart home đóng vai trị như server lưu trữ dữ liệu, tương tác với
các thiết bị ( Device ) trao đổi dữ liệu với các thiết bị thông qua chuẩn giao thức IOT MQTT,
Orange pi one đóng vai trị MQTT server (Broker) trong mơ hình MQTT cịn thiết bị đóng vai
trị MQTT client. Trong đó mỗi MQTT client đăng ký 1 vài kênh (topic) gửi để trao đổi dữ liệu

với MQTT server gọi là Subcribe mỗ client (có thể là điện thoại máy tính ) mỗi client có thế
nhận được dữ liệu từ bất kỳ trạm nào khác gửi sang kênh đã đăng ký việc gửi dữ liệu sang kênh
đăng ký gọi là publish.
Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 5


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 2 Link kiện va mudule sử dụng

2.2 Module wifi ESP8266
2.2.1 Giới thiệu về module ESP8266

Hình 2. 2 ESP8266
Module wifi ESP8266-07/ESP8266-12 đây là một chip tích hợp cao – System on chip, có khả
năng xử lý lưu trữ tốt cung cấp khả năng vượt trội để trang bị thêm tính năng wifi trong hệ thống
khác hoặc đóng vai trị như một giải pháp độc lập. ESP8266 cung cấp khả năng kết nối wifi đầy
đủ khép kín có thể dùng nó để tạo 1 web server đơn giản hoặc sử dụng accsess point.
ESP8266 hỗ trợ chuẩn kết nối wifi 802.11 b/g/n, hoạt động ở tần số 2.4Ghz hỗ trợ WPA/WPA2
Chuẩn điện áp hoạt động la 3.3V, chuẩn giao tiếp UART với tốc độ Baudrate lên đến 115200
bit/s có 3 chế độ hoạt động client, access piont cả client và access piont.

2.1.2 Sơ đồ chân và chức năng

Hình 2. 3 Sơ đồ chân ESP8266

Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 6


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 2 Link kiện va mudule sử dụng

- Chân TXD và Chân RXD là 2 chân chuyền nhận UART
- Chân VCC đầu vào 3.3 V
- Chân GPIO 0 kéo xuống thấp để chế độ bootloader
- Chân RST chân reset cứng của module kéo xuống mass để reset
- Chân GPIO2 được dùng như 1 cổng TX trong giao tiếp UART debug lỗi
- Chân CH_PD chân sử dụng kích hoạt chip sử dụng cho flash boot và updating module nối với
mức cao
- Chân GND nối mass

2.3 IC cảm biến điện dung TTP223-BA6
2.3.1 Giới thiệu về IC cảm biến điện dung TTP223-BA6

Hình 2. 4 Sơ đồ nguyên lý cảm biến điện dung TTP223-BA6
TTP223 là một IC phát hiện chạm phím cảm ưng, việc phát hiện chạm cảm biến của IC được
thiết kế để thay thế việc nhấn nút bấm trực tiếp thơng thường, với kích thước cảm biến đa dạng.
tiêu thụ điện năng thấp và điện áp hoạt động rộng là tiếp xúc tính năng chính cho các ứng dụng
DC –AC.

2.3.2 Sơ đồ chân và chức năng
- Chân TOG nối GND chọn mode direct
- Chân AHLB là chân chọn mức điện áp đầu ra chân Q khi chạm phím, nối ALHB với GND chân
Q ở mức active hight khi chạm phím chân Q ở mức điện áo cao.

Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 7


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 2 Link kiện va mudule sử dụng

2.3.3 Mục đích sử dụng IC TTP223-BA6
Sử dụng IC TTP223-BA6 để thiết kế mạch cảm biến điện dung 3 kênh dùng để bật tắt thiết bị và
điều chỉnh công suất hoạt động của thiết bị tiêu thụ trong đề tái Smart home.
2.4 Mosfet kênh N- IRFR3709 30V
2.4.2 Nguyên lý hoạt động
Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở, do là phần tử của hạt mang điện cơ bản nên mosfet có
thế đóng ngắt với tần số cao. Nhưng để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại
là rất quan trọng.
Mạch điện tương đương của mosfet, nhìn đố ta thấy cơ chế đóng ngắt của mosfet phụ thuộc vào
tụ ký sinh trên nó, đối với mosfet kênh N thì điện áp điều khiển mosfet là Ugs >0 dòng đi từ D
xuống S, mosfet kênh P điện áp mở mosfet là Ugs<0 dòng sẽ đi từ S đến D.

2.4.3 Kiểm tra hoạt động của mosfet
Mosfet có thể được kiểm tra bang đồng hồ vạn năng , kiểm tra mosfet còn hoạt động tốt khi đo
trở kháng giữa D và S phải là vô cùng
Bước 1: Chuẩn bị thang đo x1KW
Bước 2: Nạp cho G 1 điện tích(để que đen vào G que đỏ vào S hoặc D)
Bước 3: Sau khi nạp cho G 1 điện tích ta đo giữa D và S (que đen vào D que đỏ vào S) kim đồng
hồ sẽ lên.
Bước 4: Sau khi đã thoát điện chân G đo lại DS như bước 3 kim không lên

2.4.1 Giới thiệu mosfet kênh N- IRFR3709 30V
Mosfet là transistor hiệu ứng trường là một transistor đặc biệt có cấu trúc hoạt động khác với
transistor hoạt động thông thường mosfet hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ta dòng
điện, là link kiện có trở kháng đầu vào thích hợp hơn cho khuếch đại các nguồn tín hiệu yếu,
mosfet có thể được sử dụng cho các mạch băm xung điều chỉnh công suất hoạt động của thiết bị
điện áp 1 chiều .

Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 8


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 2 Link kiện va mudule sử dụng

Hình 2. 5 Sơ đồ chân Mosfet IRFR 3709
- G là cực cổng
- S là cực nguồn
- D là cực máng
Trong đó G là cực điều khiển được cách ly hồn tồn với cấu trúc bán dẫn cịn lại bởi lớp bán dẫn
cịn lại bởi lớp điện mơi cực mỏng nhưng có độ cách điện lớn. Hai cực còn lại là cực gốc (S) và
cực máng (D), cực máng là cực đón tiếp các hạt mang điện.
Mosfet có điện trở giữa 2 cực G và S và giữa G và D là vơ cùng lớn cịn điện trở giữa D và S phị
thuộc vào điện áp cực G và cực S khi điện áp Ugs tăng thì trở kháng giữa cực D và cực S giảm
còn khi điện áp Ugs giảm thì trở kháng giữa cực D và cực S tang.
2.4.4 Mục đích sử dụng Mosfet IRFR3709
Mosfet có khả năng đóng ngắt nhanh với dịng điện và điện áp khá lớn nên được sử dụng nhiều
trong các bộ dao động tạo ra từ trường vì đóng cắt nhanh lam cho dòng điện biến thiên.
Sử dung mosfet trong trong module thiết bịđể điều khiển độ sáng của led thanh 12V đóng ngắt

thiết bị điện 1 chiều.

2.5 IC chuyển đổi USB – UART IC PL2303

Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 9


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 2 Link kiện va mudule sử dụng

Hình 2. 6 Module uart PL2303

2.5.1 Giới thiệu IC chuyển đổi giới thiệu IC PL2303
Việc sử dụng chip IC chuyển đổi PL2303 chuyển đổi USB - UART dễ dàng kết nối với máy tính
module dễ dàng cho việc nghiên cứu module khac bằng các lệnh trực tiếp từ máy tính và phân
tích dữ liệu nhận được lên màn hình máy tính và phân tích dữ liệu nhận được lên màn hình máy
tính và phân tích dữ liệu nhận được lên màn hình máy tính mà khơng cần thơng qua chương trình
của vi điều khiển .

2.5.2 Sơ đồ chân và chức năng
- Sử dụng điện áp 5 V cấp trực tiếp từ USB
- Dây đỏ là chân nguồn 5V
- Dây đen GND
- Dây xanh dây truyền dữ liệu từ máy tính TX
- Dây đỏ dây nhận dữ liệu từ máy tính RX

2.5.3 Mục đích sử dụng mạch nạp UART

sử dụng mạch nạp UART để nạp code lập trình từ máy tính vào chip ESP8266 thơng qua
Bootloader
Sử dụng truyền dữ liệu từ ESP8266 lên màn hình máy tính .

2.6 Cảm biến nhiệt độ DS18B20
2.6.1 Giới thiệu về cảm biến nhiệt độ DS18B20

Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 10


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 2 Link kiện va mudule sử dụng

Hình 2. 7 Sơ dồ chân DS18B20
DS18B20 là link kiện điện tử thuộc loại bán cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số giao tiếp one
wire( giao tiếp một đường truyền ), bên trong ic tích hợp sẵn cảm biến nhiệt độ, bộ chuyển đổi,
khối xử lý , giao tiếp one wire, bộ nhớ ROM, EEPROM, báo thức nhiệu độ dạt ngưỡng …
Các thông số của linh kiện DS18B20:
- Các thông số của giải đo từ -55 đến + 125 độ C
- Nguồn cung cấp 3 đến 5.5 V
- Độ phân giải 9bit, 12 bit
- Cảm biến nhiệt độ DS18B20 có mã nhận diện lên đến 64-bit, vì vậy bạn có thể kiểm tra nhiệt độ
với nhiều IC DS18B20 mà chỉ dùng 1 dây dẫn duy nhất để giao tiếp với các IC này.
- Sơ đồ và chức năng chân của linh kiện điện tử DS18B20.

2.6.2 Sơ đồ chân và chức năng
Chức năng chân của DS18B20.

- Chân số 1 : GND là chân nối mass (0V).
- Chân số 2 : DQ là chân dữ liệu vào ra.
- Chân số 3 : VDD là chân nối nguồn (5V).
- Kích thước của DS18B20.

2.6.3 Mục đích sử dụng cảm biến nhiệt độ trong đề tài
Sử dụng IC DS18B20 để đọc nhiệt độ trong phịng của smart home sau đó qua MQTT của
ESP8266 gửi lên trang web openhab của server

2.7 IC cảm biến hồng ngoại
2.7.1 Giới thiệu IC cảm biến hồng ngoại
Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 11


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 2 Link kiện va mudule sử dụng

Hình 2. 8 Module hồng ngoại
Module cảm biến hồng ngoại PIR ln có có sensor (mắt cảm biến) với 2 đơn vị (element). Chắn
trước mắt sensor là một lăng kính (thường làm bằng plastic), chế tạo theo kiểu lăng kính fresnel.
Lăng kính fresnel này có tác dụng chặn lại và phân thành nhiều vùng (zone) cho phép tia hồng
ngoại đi vào mắt sensor. Chúng ta có thể hiểu đơn giản rằng, nếu khơng có lăng kính fresnel, tồn
bộ bức xạ của mơi trường sẽ chỉ coi như có 1 Zone dội hết vào mắt sensor, như vậy thì nó sẽ
khơng có tác dụng phân biệt chuyển động, và sẽ cực kỳ nhạy với bất kỳ sự thay đổi nhiệt độ nào
của môi trường.
2 đơn vị của mắt sensor có tác dụng phân thành 2 điện cực. Một cái là điện cực dương (+) và cái
kia là âm (-). Khi 2 đơn vị này được tuần tự kích hoạt (cái này xong rồi mới đến cái kia) thì sẽ

sinh ra một xung điện, xung điện này kích hoạt sensor (alarm-báo động). Chính vì ngun lý này,
khi có người đi theo hướng vng góc với khu vực kiểm sốt của sensor (hướng mũi tên), thân
nhiệt từ người này (bức xạ hồng ngoại) sẽ lần lượt kích hoạt từng đơn vị cảm biến và làm sensor
báo động.
Vậy thì cũng chính do nguyên lý này, nếu người chuyển động theo hướng song song, phát ra cùng
lúc 2 luồng bức xạ qua lăng kính fresnel đập vào đồng thời 2 đơn vị cảm biến, xung điện không
tạo ra ,và lúc này sensor không hề báo động. Đây là điều hết sức cơ bản, nhưng nhiều kỹ thuật
viên an ninh khi lắp đặt cảm biến PIR thường không hề lưu ý đến. Họ chỉ đơn giản đặt sensor
hướng mắt ra khu vực cần kiểm sốt” mà khơng quan tâm đến hướng đột nhập của kẻ trộm.
Nguyên tắc là phải đặt mắt sensor hướng vuông góc với hướng khả dĩ nhất mà kẻ trộm có thể di
chuyển. Như vậy mới tăng xác suất báo động chính xác. Đặt song song với hướng kẻ trộm, hắn ta
sẽ đi thẳng đến cảm biến mà có thể khơng hề kích hoạt báo động.

2.7.2 Một số lưu ý khi lắp đặt cảm biến hồng ngoại
- Không hướng mắt sensor về phía dàn nóng máy lạnh. Vì dàn nóng máy lạnh khi hoạt động
thường có nhiệt độ cao, tia bức xạ hồng ngoại của nó phát ra sẽ gây nhiễu cảm biến, khiến nó
hoạt động khơng chính xác.
- Khơng hướng mắt sensor về phía cửa sổ có rèm che. Việc này là để tránh báo động giả. Khi cửa
sổ mở, nhiều nguồn nhiệt xâm nhập, rèm che gặp gió sẽ có thể gây nhiễu cảm biến vi sóng.
Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 12


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 2 Link kiện va mudule sử dụng

- Không lắp đặt cảm biến PIR trong nhà ra ngoài trời. Điều này thường hay gặp. Cảm biến PIR
loại trong nhà khơng có tính năng chịu mưa nắng, để ngồi trời dù khơng trực tiếp gặp mưa nắng,

nó cũng dễ bị hỏng dần chất liệu vỏ, lăng kính fresnel, khiến chức năng hoạt động kém dần đi.
- Không hướng trực tiếp mắt sensor về nơi nhiều nắng mặt trời. Khuyến cáo này rất dễ hiểu. Tia
mặt trời có nhiều bức xạ hồng ngoại, khiến sensor bị nhiễu.
- Không nên đặt sensor gần dây điện nguồn. Cảm biến PIR là một thiết bị điện tử, hoạt động ở
điện áp thấp, nên hạn chế đặt gần điện nguồn cao áp.
- Khơng nên hướng mắt sensor ra phía cổng sát đường đi. Lý do đơn giản là để tránh báo động
giả khơng đáng có do người khác đi bộ hoặc chạy bộ ngang qua cổng. Sensor có thể lầm với việc
đột nhập.
- Không lắp sensor trên tường bị rung. Điều này giúp sensor hoạt động ổn định hơn.

2.7.3 Mục đích sử dụng cảm biến hồng ngoại trong đề tài smart home
Sử dụng cảm biến hồng ngoại để đếm số người trong phòng phát hiện vật thể và chống chộm

2.8 Module cảm biến khí gas MQ2
2.8.1 Giới thiệu về module cảm biến khí gas MQ2
MQ2 là cảm biến khí, dùng để phát hiện các khí có thể gây cháy. Nó được cấu tạo từ chất bán dẫn
SnO2. Chất này có độ nhạy cảm thấp với khơng khí sạch. Nhưng khi trong mơi trường có chất
ngây cháy, độ dẫn của nó thay đổi ngay. Chính nhờ đặc điểm này người ta thêm vào mạch đơn
gian để biến đổi từ độ nhạy này sang điện áp.
- Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu ra càng tăng khi nồng
độ khí gây cháy xung quang MQ2 càng cao.
- MQ2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây cháy khác.
Nó được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp và dân dụng do mạch đơn giản và chi phí thấp.
- Trong mạch có 2 chân đầu ra là Aout và Dout. Trong đó:
Aout: điện áp ra tương tự. Nó chạy từ 0.3-4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khí xung quang MQ2.
Dout: điện áp ra số, giá trị 0,1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ khí mà MQ2 đo
được.
Việc có chân ra số Dout rất tiện cho ta mắc các ứng dụng đơn giản, không cần đến vi điều khiển.
Khi đó ta chỉ cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta muốn cảnh báo. Khi nồng độ MQ2 đo
được thấp hơn mức cho phép thì Dout = 1. Đèn Led tắt. Khi nồng độ khí đo được lớn hơn nồng

khí cho phép, Dout =0, đèn led sáng.
Ta có thể ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, hoặc thiết bị cảnh báo khác.
- Một điều khó khăn khi làm việc với MQ2 là chúng ta khó có thể quy từ điện áp Aout về giá trị
nồng độ ppm. Rồi từ đó hiển thị và cảnh báo theo ppm. Do giá trị điện áp trả về từng loại khí
khác nhau, lại bị ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm nữa.
- Trong thiết bị của mình, để xác định điểm cảnh báo mình làm khá thủ cơng.
Đầu tiên đo trạng thái khơng khí sạch, giá trị thu được Vout1
Cho khí ga từ bật lửa rò rỉ ra. Ta thấy giá trị Aout tăng lên. Khi đạt khoảng cách khí ga từ bật lửa
hợp lý rồi tương ứng với nồng độ khí bắt đầu nguy hiểm, ta ghi lại giá trị Vout2. Ta chọn giá trị
Vout2 là giá trị ngưỡng cảnh báo. Nếu giá trị đo được lớn hơn ta sẽ cảnh báo
Chỉnh chân biến trở để điện áp đo tại chân 3 của L358 = Vout2.
Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 13


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 2 Link kiện va mudule sử dụng

Hình 2. 9 Sơ đồ chân module MQ2

2.8.3 Mục đích sử dụng module cảm biến khí gas MQ2
Sử dụng module cảm biến khi gas để phát hiện xem khi gas có bị rị rỉ ra ngoại khơng trong
phịng bếp.

2.9 Remote đa cảm biến cho smart home
2.9.1 Giới thiệu về remote đa dụng cho smart home

Hình 2. 10 Module remote đa dụng

Khi nghiên cứu về Smart Home thường có nhiều ý tưởng về một ngôi nhà tự động và có thể dễ
dàng điều khiển bằng các thiết bị hiện đại như smart phone hay máy tính bảng. Thật ra, các thiết
bị đó chỉ tiện lợi trong một số trường hợp nhất định như đang ở xa nhà hay sẵn điện thoại trên
Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 14


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 2 Link kiện va mudule sử dụng

tay, còn lại phần lớn đều khá bất tiện khi phải lọ mọ kiếm được cái điện thoại rồi loay hoay bật
chương trình điều khiển lên. Khi đó việc nhấn công tắc hay remote cái remote(điều khiển từ xa)
còn nhanh hơn . Remote được sử dụng phố biến nhất và tiện lợi nhất. Khi bạn phát hiện vẫn còn
phải tắt đèn phòng ngủ hay phòng khách trong khi đã nằm êm ấm trong chăn mền thì remote đặt
ở đầu giường sẽ ln là giải pháp nhanh nhất.
-Trên hình, Kodi remote có các chân cắm để cắm D1 Mini mà khơng cần hàn, các chân cắm
module thu sóng RF, mắt nhận hồng ngoại để thu tín hiệu từ remote hồng ngoại như TV, máy
lạnh… và 8 led phát hồng ngoại phủ đều 8 hướng cùng IC darlington ULN2803 khuếch đại tín
hiệu giúp phát lệnh điều khiển được tồn bộ các thiết bị trong một phòng.
2.9.2 Mục tiêu đạt được
- Nhận được tín hiệu từ remote RF hay hồng ngoại, từ đó thực hiện các lệnh đã được cài đặt trước
- Có khả năng học được các lệnh từ remoteTV, máy lạnh, quạt…
- Nhận được yêu cầu điều khiển thiết bị từ bộ quản lý trung tâm như bật tắt TV, máy lạnh… và
phát các lệnh tương ứng đã học từ remote của TV hay máy lạnh với tầm phát sóng rộng 360 độ.

Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 15

Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 3 Tổng quan về mơ hình smart home

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH SMART HOME XÂY DỰNG

Giao diện người dùng
1

Giao diện người dùng
2

Giao diện người dùng
2…

Publish/subcribe
Openhab - server
Raspberry pi

Publish/subcribe

ESP8266.client1

Moderm wifi

MQTT – Broker
(Raspberrypi)

ESP8266.client2

ESP8266.client…

Hinh 3. 1 Sơ đồ khối smart home

3.1 Giao thức MQTT
3.1.1 MQTT là gì
MQTT là một giao thức gởi dạng publish/subscribe sử dụng cho các thiết bị Internet of Things
với băng thông thấp, độ tin cậy cao và khả năng được sử dụng trong mạng lưới khơng ổn định.
Bởi vì giao thức này sử dụng băng thơng thấp trong mơi trường có độ trễ cao nên nó là một giao
thức lý tưởng cho các ứng dụng M2M(machine to machine ).
M2M: là công nghệ cho phép các thiết bị có thể trao đổi với các hệ thống thông qua mạng vô
tuyến hoặc hữu tuyến.

3.1.2 Publish và subcribe trong giao thức MQTT
Trong một hệ thống sử dụng giao thức MQTT, nhiều node trạm (gọi là mqtt client - gọi tắt là
client) kết nối tới một MQTT server (gọi là broker). Mỗi client sẽ đăng ký một vài kênh (topic),
ví dụ như "/client1/channel1", "/client1/channel2". Quá trình đăng ký này gọi là "subscribe",
giống như chúng ta đăng ký nhận tin trên một kênh Youtube vậy. Mỗi client sẽ nhận được dữ liệu

Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 15


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 3 Tổng quan về mơ hình smart home

khi bất kỳ trạm nào khác gởi dữ liệu và kênh đã đăng ký. Khi một client gởi dữ liệu tới kênh đó,
gọi là "publish".

3.1.3 QoS trong giao thức MQTT
QoS (qualities of sevice) : là 1 cách thức điều khiển mức độ ưu tiên traffic của hệ thống mạng,
tính năng này hoạt động trên tất cả các tầng khác nhau của hệ thống, nhưng trong bài thử nghiệm
này, chúng ta sẽ tập trung vào thiết bị router sử dụng trong mơ hình nhà hoặc cá nhân. Cụ thể
hơn, QoS sẽ thể hiện rõ tác dụng ở những vị trí thường xảy ra hiện tượng bottleneck (hay thường
gọi nôm nà là thắt nút cổ chai), đồng thời quyết định phần traffic nào quan trọng hơn các phần
còn lại, dựa trên quy luật mà người sử dụng thiết lập có liên quan tới địa chỉ IP, MAC, các dịch
vụ đang hoạt động...
- QoS0 Broker/client sẽ gởi dữ liệu đúng 1 lần, quá trình gởi được xác nhận bởi chỉ giao thức
TCP/IP
- QoS1 Broker/client sẽ gởi dữ liệu với ít nhất 1 lần xác nhận từ đầu kia, nghĩa là có thể có nhiều
hơn 1 lần xác nhận đã nhận được dữ liệu.
- QoS2 Broker/client đảm bảm khi gởi dữ liệu thì phía nhận chỉ nhận được đúng 1 lần, q trình
này phải trải qua 4 bước bắt tay.
Một gói tin có thể được gởi ở bất kỳ QoS nào, và các client cũng có thể subscribe với bất kỳ yêu
cầu QoS nào. Có nghĩa là client sẽ lựa chọn QoS tối đa mà nó có để nhận tin. Ví dụ, nếu 1 gói dữ
liệu được publish với QoS2, và client subscribe với QoS0, thì gói dữ liệu được nhận về client này
sẽ được broker gởi với QoS0, và 1 client khác đăng ký cùng kênh này với QoS 2, thì nó sẽ được
Broker gởi dữ liệu với QoS2.
Một ví dụ khác, nếu 1 client subscribe với QoS2 và gói dữ liệu gởi vào kênh đó publish với QoS0
thì client đó sẽ được Broker gởi dữ liệu với QoS0. QoS càng cao thì càng đáng tin cậy, đồng thời
độ trễ và băng thơng địi hỏi cũng cao hơn.

3.1.4 Retain trong giao thức MQTT
Nếu RETAIN được set bằng 1, khi gói tin được publish từ Client, Broker PHẢI lưu trữ lại gói tin
với QoS, và nó sẽ được gởi đến bất kỳ Client nào subscribe cùng kênh trong tương lai. Khi một
Client kết nối tới Broker và subscribe, nó sẽ nhận được gói tin cuối cùng có RETAIN = 1 với bất

kỳ topic nào mà nó đăng ký trùng. Tuy nhiên, nếu Broker nhận được gói tin mà có QoS = 0 và
RETAIN = 1, nó sẽ huỷ tất cả các gói tin có RETAIN = 1 trước đó. Và phải lưu gói tin này lại,
nhưng hồn tồn có thể huỷ bất kỳ lúc nào.
Khi publish một gói dữ liệu đến Client, Broker phải đặt RETAIN = 1 nếu gói được gởi như là kết
quả của việc subscribe mới của Client (giống như tin nhắn ACK báo subscribe thành công).
RETAIN phải bằng 0 nếu không quan tâm tới kết quả của viẹc subscribe.

3.2 Kiến trúc MQTT
MQTT có mơ hình client/server, nơi mà mỗi cảm biến là một khác hàng (client) và kết nối đến
một máy chủ, có thể hiểu như một nhà môi giới (broker), thông qua giao thức TCP (Transmission
Control Protocol)
MQTT là giao thức định hướng bản tin. Mỗi bản tin là một đoạn rời rạc của tín hiệu và broker
khơng thể nhìn thấy.
Mỗi bản tin được publish một địa chỉ, có thể hiểu như một kênh. Client đăng kí vào một vài kênh
để nhận/gửi dữ liệu, gọi là subscribe. Client có thể subscribe vào nhiều kênh. Mỗi client sẽ nhận
Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 16


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 3 Tổng quan về mơ hình smart home

được dữ liệu khi bất kì trạm nào khác gửi dữ liệu vào kênh đã đăng kí. Khi một client gửi một
bản tin đến một kênh vào đó, gọi là publish.
Ví dụ, một mạng đơn giản gồm 3 Client và một broker trung tâm.
Cả 3 khách hàng mở kết nối TCP với Broker. Client B và C đăng kí tới kênh nhiệt độ topic
temperature.

Hinh 3. 2 Mơ hình giao tiếp client và broker trong giao thức mqtt
Tại một thời điểm nào đó, Client A gửi một giá trị 22.5 đến kênh nhiệt độ topic temperature.
Broker sẽ chuyển bản tin đến tất cả các Client đã đăng kí.

Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 17


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 3 Tổng quan về mơ hình smart home

Hinh 3. 3 Sơ đồ cho ví dụ trên
Như vậy, cả Client B và C đều nhận được bản tin gửi từ A.
Các mơ hình publish/subscribe cho phép các client MQTT có thể giao tiếp 1-1, 1-N vàN-1
Tầng ứng dụng QoS Có 3 tùy chọn khi đăng kí kênh và gửi bản tin:
- Delivered at least once: Gửi ít nhất một lần: Cần ít nhất 1 lần xác nhận từ đầu cuối tức là có thể
có nhiều hơn một lần xác nhận đã nhận bản tin.
- Delivered exactly once: Chỉ gửi một lần: Đảm bào khi gửi bản tin, phía nhận chỉ nhận được
đúng 1 lần, quá trình này cần qua nhiều bước bắt tay
- Fire and forget: Gửi và quên: Broker/Client sẽ gửi dữ liệu đúng 1 lần, quá trình gửi được xác
nhận bởi giao thức TCP/IP.
LWT( last will and testamen): Giả sử có 1 cảm biến, nó gửi những dữ liệu quan trọng và rất
khơng thường xuyên. Nó có đăng ký trước với Broker một bản tin ở topic /node/gone-offline. Và
Client A đăng ký theo dõi topic /node/gone-offline, Broker sẽ gửi SMS tới mỗi khi nhận được tin
nhắn nào ở kênh mà Client theo dõi.
Trong q trình hoạt động, cảm biến ln giữ kết nối với Broker bởi việc luôn gửi các bản tin cập
nhật. Nhưng nếu vì lý do gì đó, cảm biến này chuyển sang ngoại tuyến, kết nối tới Broker
timeout.

Lúc này, do cảm biến đã đăng ký LWT, do vậy Broker sẽ đóng kết nối của Cảm biến, đồng thời
sẽ publish một bản tin cần thiết vào kênh /node/gone-offline, dĩ nhiên là Client cũng sẽ nhận
được tin nhắn báo Cảm đã ngoại tuyến.
Khả năng duy trì bản tin
Trần Văn Tiệp – D12DTMT

Page 18