Tải bản đầy đủ (.pdf) (108 trang)

Thiết kế và thi công mô hình điều khiển các thiết bị điện trong nhà

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.22 MB, 108 trang )

TĨM TẮT
Ngày nay, việc ứng dụng cơng nghệ thơng tin vào việc quản lý nhằm góp phần
phục vụ và nâng cao chất lượng cuộc sống con người ngày càng được chú trọng nhiều
hơn.
Từ đó, việc ra đời của các ứng dụng cũng như thiết bị thơng minh, có kết nối
internet nhằm thuận tiện cho việc theo dõi cũng như điều khiển các thiết bị trong nhà
cũng phát triển theo. Từ nhu cầu thực tế đó, người thực hiện đã quyết định thực hiện đề
tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN
TRONG NHÀ.
Đề tài sử dụng điện thoại thông minh kết hợp với dụng ứng dụng Blynk có kết
nối Internet để điều khiển những thiết bị như đèn, quạt thông qua NodeMCU ESP8266
và Arduino Mega2560. Hệ thống có hiển thị thơng số nhiệt độ, độ ẩm trên LCD và cập
nhật các thơng số đó trên ứng dụng giúp người sử dụng dễ giám sát nhiệt độ, độ ẩm
trong nhà .Về khả năng bảo mật thì hệ thống cịn có mở cửa bằng thẻ từ RFID và sử
dụng Keypad để nhập mật mã, khi muốn vào cửa thì phải quẹt thẻ để mở cửa, cịn khi
mất thẻ hay qn thẻ thì có thẻ nhập mật mã để vào, nếu quẹt thẻ hay nhập mật mã sai
quá 3 lần thì hệ thống sẽ khóa 60s đồng thời phát ra tiếng “bíp” để cảnh báo. Cịn về khả
năng giám sát về an tồn cháy nổ thì hệ thống cịn có khả năng gửi tin nhắn khi phát
hiện có khí Gas rị rỉ và đồng thời bật quạt hút khí Gas ra ngồi và đồng thời sẽ thực
hiện cuộc gọi thơng báo nếu có cháy xảy ra.

ii


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... I
TÓM TẮT ........................................................................................................... II
MỤC LỤC......................................................................................................... III
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................. V
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................... VI


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH BIỂU ĐỒ ..................................................... VII
TỔNG QUAN ................................................................................ 1
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ .......................................................................................... 1

1.2

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ............................................................. 2

1.3

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ................................................................................. 2

1.4

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..................................................................... 2

1.5

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................. 3

1.6

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU............................................ 3

1.7

BỐ CỤC QUYỂN BÁO CÁO................................................................... 3
CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................... 5


2.1

IOT VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐỜI SỐNG .............................................. 5

2.2

KHÁI NIỆM VỀ MẠNG WIFI ............................................................... 12

2.3

CÔNG NGHỆ RFID VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐỜI SỐNG .................. 15

2.4

ỨNG DỤNG BLYNK ............................................................................ 20

2.4.1

Ứng dụng Blynk là gì? .................................................................... 20

2.4.2

Blynk hoạt động như thế nào? ........................................................ 20

2.4.3

Tính năng , đặc điểm ...................................................................... 21

2.4.4


Cần gì để sử dụng Blynk ................................................................. 22
TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ...................................................... 25
iii


3.1

GIỚI THIỆU .......................................................................................... 25

3.2

THỰC TRẠNG NHU CẦU .................................................................... 25

3.3

BÀI TOÁN ĐẶT RA .............................................................................. 25

3.3.1

Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ........................................................... 26

3.3.2

App điều khiển ................................................................................ 27

3.3.3

Board điều khiển............................................................................. 28


3.3.4

Sơ đồ ngun lý tồn mạch ............................................................. 50
THI CƠNG HỆ THỐNG............................................................. 54

4.1

GIỚI THIỆU .......................................................................................... 54

4.2

THI CÔNG HỆ THỐNG ........................................................................ 54

4.2.1

Board hệ thống điều khiển và hệ thống khóa cửa ............................ 54

4.2.2

Lưu đồ hệ thống .............................................................................. 62
KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ...................................... 64

5.1

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.......................................................................... 64

5.2

NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ..................................................................... 67


5.2.1

Nhận xét ......................................................................................... 67

5.2.2

Đánh giá ......................................................................................... 68
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................... 69

6.1

KẾT LUẬN ............................................................................................ 69

6.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................................................... 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 70
PHỤ LỤC........................................................................................................... 71

iv


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

IOT : Internet of Things
RFID: Radio Frequency Identification
SSID :Service Set Identifier
App: Application


v


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1:Bảng so sánh giữa các loại bộ nhớ
Bảng 3.2: Dòng và áp những linh kiện sử dụng trong hệ thống
Bảng 4.1:Bảng thống kê linh kiện mạch điều khiển
Bảng 4.2:Bảng thống kê các linh kiện mạch khóa cửa

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH BIỂU ĐỒ

Hình 2.1: Smart Home
Hình 2.2: Thiết bị đeo thơng minh
Hình 2.3: Smart City
Hình 2.4: IOT trong nơng nghiệp
Hình 2.5: IOT trong cơng nghiệp
Hình 2.6: IOT trong mua sắm
Hình 2.7: IOT trong năng lượng
Hình 2.8: IOT trong chăm sóc sức khỏe
Hình 2.9: IOT trong chăn ni
Hình 2.10: Wifi
Hình 2.11: Các thiết bị kết nối Wifi
Hình 2.12: Thiết bị IFF và thiết bị RFID ngày nay
Hình 2.13: Sơ đồ khối hệ thống RFID
Hình 2.14: Hoạt động giữa tab và reader
Hình 2.15: Ứng dụng Blynk

Hình 2.16: Các kết nối Server Blynk
Hình 2.17: Tải thư viện Blynk
Hình 2.18: Giao diện thêm thư viện trong Arduino IDE
Hình 2.19: Thêm thư viện tải về
Hình 2.20: kết quả thêm thư viện
Hình 2.21: Giao diện ứng dụng Blynk
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.2: Giao diện điều khiển app Blynk
Hình 3.3: ESP8266
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý ESP 8266
Hình 3.5: Sơ đồ khối chân NodeMCU
Hình 3.6: Sơ đồ chân Arduino Mega
Hình 3.7: Arduino Nano
vii


Hình 3.8: LCD 16x2
Hình 3.9: Module I2C
Hình 3.10: Sơ đồ chân RFID
Hình 3.11: Sơ đồ chân Keypad
Hình 3.12: App Blynk điều khiển thiết bị
Hình 3.13: Sơ đồ chân Sim 800L
Hình 3.14: Module Relay 5V 4 kênh
Hình 3.15: Module thân nhiệt chuyển động
Hình 3.16: Cảm biến ánh sáng
Hình 3.17: Cảm biến gas
Hình 3.18: Cảm biến cháy
Hình 3.19: Cảm biến vật cản hồng ngoại
Hình 3.20: Servo
Hình 3.21: Nguồn Adapter

Hình 3.22: Mạch giảm áp LM 2596
Hình 3.23: Sơ đồ ngun lý mạch khóa cửa
Hình 3.24: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
Hình 4.1: Sơ đồ mạch in
Hình 4.2: Sơ đồ mạch in 3D
Hình 4.3: Mạch in hệ thống khóa
Hình 4.4: Mạch in 3D
Hình 4.5: Hệ thống khóa cửa RFID và Password
Hình 4.6: Mơ hình thực tế hệ thống điều khiển
Hình 4.7: Cửa sổ làm việc của Arduino IDE
Hình 4.8: Icon phần mềm
Hình 4.9: Giao diện phần mềm
Hình 4.10: Lưu đồ hệ thống điều khiển
Hình 4.11: Lưu đồ hệ thống điều khiển trong Node MCU
Hình 4.12: Lưu đồ hệ thống khóa cửa
Hình 5.1: Giao diện app Blynk trên điện thoại khi điều khiển
Hình 5.2: Ứng dụng báo trạng thái từng thiết bị khi điều khiển
viii


Hình 5.3: Mơ hình ngơi nhà
Hình 5.4: Ngơi nhà khi bật tất cả thiết bị

ix


TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, Internet phát triển mở ra những khả năng ứng dụng mới, Internet và

các ứng dụng của nó đã và đang thay đổi cách làm việc, cách giải trí và cách sống
của chúng ta. Internet khơng chỉ cho phép tìm kiếm thơng tin, mà cịn cho phép
truy cập đến lĩnh vực rộng lớn của số liệu và các dịch vụ đa phương tiện. Nhiều
ứng dụng mới đã được triển khai và người sử dụng có thể bắt đầu chạy nhiều ứng
dụng âm thanh và hình ảnh từ Internet, cũng như thưởng thức một thế giới mới của
các ứng dụng tương tác ba chiều. Gần đây, vấn đề đặc biệt được quan tâm là các
hệ thống thời gian thực trên nền mạng Internet. Qua hệ thống thời gian thực này
mà con người có thể điều khiển chính xác những thiết bị vật lý. Hệ thống thơng tin
thời gian thực ngày nay được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: trong ngành
công nghiệp sản xuất, kiểm sốt tiến trình trong nhà máy, hay trong các lị phản
ứng hạt nhân, trong hệ thống hàng không, thông qua các hệ thống dẫn đường tích
hợp trên máy bay, vệ tinh và gần gũi nhất với chính cuộc sống con người là điều
khiển thiết bị trong tịa nhà thơng minh.Người dùng, với một chiếc máy tính ở bất
kỳ đâu được nối mạng Internet, có thể điều khiển các thiết bị ở trong nhà của mình
như bật nồi cơm điện, bật điều hịa, vận hành máy giặt, kiểm tra tình trạng an ninh
Phương pháp điều khiển này mạng lại những ưu điểm nổi bật sau:
Hiện nay hầu hết các căn hộ và tịa nhà đều có sẵn mạng Internet việc triển
khai các bộ điều khiển sẽ không yêu cầu phải lắp đặt mới đường truyền hay phần
cứng phức tạp.
Hệ thống cho phép điều khiển tất cả các thiết bị đóng ngắt,báo cháy,hiển thị
nhiệt độ,độ ẩm,khóa cửa bằng RFID có mật khẩu trong tịa nhà từ những thiết đơn
giản như bóng đèn,quạt,tivi,... đến những thiết bị cơng suất lớn như điều hịa,máy
giặt,tủ lạnh,..người điều khiển có thể biết tình trang hoạt động của từng thiết bị
1


Hệ thống hoạt động 24/24 đảm bảo cho các thiết bị có thể điều khiển “mọi
lúc,mọi nơi”.
Từ thực tế và nhu cầu ngày càng cao của việc điều khiển cũng như giám sát
các thiết bị điện trong nhà thì người thực hiện đã quyết định thực hiện đề tài:

“THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ
ĐIỆN TRONG NHÀ”
1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài đề cập đến các vấn đề về sự tự động hóa, sự tiện dụng trong thời buổi
cơng nghệ, khi đó việc quản lý các thiết bị điện cũng như an toàn về cháy nổ trong
ngơi nhà của mình khi khơng có người khơng cịn là nỗi lo của mọi người. Hệ
thống giúp cho chủ nhà ở bất cứ đâu cũng có thể điều khiển các thiết bị và giám
sát sự an tồn cũng như an ninh trong ngơi nhà của mình.
1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Mục tiêu đề tài sẽ thiết kế và thi cơng mơ hình điều khiển các thiết bị điện
trong nhà như đèn, quạt, … qua app Blynk trên điện thoại có kết nối Internet.
Các tín hiệu của hệ thống được gửi lên Sever Blynk làm nơi lưu trữ dữ liệu và
giao tiếp với Arduino Mega2560 thông qua ESP8266 để điều khiển và Node
MCU ESP8266 giao tiếp với Blynk để hiển thị nhiệt độ, độ ẩm trên LCD và trên
app. Hệ thống cũng có hệ thống thẻ từ RFID và Password để mở cửa ra vào, hệ
thống cịn có chức năng báo cháy, báo khí gas qua điện thoại để giám sát sự an
tồn trong nhà. Hệ thống có chức năng đồng bộ nút nhấn với app Blynk giúp cho
việc điều khiển và giám sát trở nên trực quan hơn.
1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
 Nghiên cứu tổng quan về Arduino, ngơn ngữ lập trình C++, UART, SPI,
I2C.
 Nghiên cứu về Arduino Mega2560, Arduino Nano, ESP 8266, NodeMCU
ESP8266, Blynk, LCD 16x2, RFID, Keypad, Servo, các loại cảm biến.
 Viết chương trình điều khiển cho Arduino Mega, Nano, NodeMCU
ESP8266.
2


 Thiết kế mơ hình và lắp ráp các khối điều khiển.
 Chạy thử nghiệm hệ thống.

 Chỉnh sửa các lỗi phát sinh.
 Viết báo cáo.
 Báo cáo đề tài tốt nghiệp
1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp tổng hợp tài liệu
Phương pháp khảo sát hệ thống thực tế
Phương pháp mô hình hóa
1.6 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng: Arduino Mega, Arduino Nano, ESP8266, NodeMCU ESP8266,
cảm biến cháy, khí gas, DHT11, cảm biến chuyển động, Servo...
Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống sử dụng các board Arduino và các cảm biến
có sẵn kết hợp với ứng dụng có trên kho ứng dụng của Android và IOS.Hệ thống
sử dụng phần mềm nạp code là Arduino IDE và code sử dụng trong chương trình
được viết bằng ngơn ngữ lập trình C.
1.7 BỐ CỤC QUYỂN BÁO CÁO
Gồm 6 chương:


Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài.

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội
dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này giới thiệu các lý thuyết liên quan, các linh kiện, phần cứng sử
dụng trong thiết kế.
 Chương 3: Thiết kế và tính tốn
Chương này tính tốn thiết kế hệ thống, thiết kế sơ đồ khối, chức năng từng

khối và nguyên lý hoạt động từng khối.

3


 Chương 4: Thi công hệ thống
Chương này thi công hệ thống, lắp ráp và kiểm tra.
 Chương 5: Kết quả, Nhận xét, Đánh giá
Chương này nêu kết quả đạt được, nhận xét đánh giá hệ thống.
 Chương 6:Kết luận và hướng phát triển
Chương này trình bày những gì đã đạt được và chưa đạt được so với mục tiêu
đề ra ban đầu, nêu hướng phát triển.

4


CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 IOT VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐỜI SỐNG
Internet of Things (IoT) còn được gọi là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet hay
Internet kết nối vạn vật. Trong đó tồn bộ vật dụng được tích hợp các bộ phận điện
tử, phần mềm, cảm biến để trở nên thơng minh hơn.
Đây là một hệ thống phức tạp vì nó bao gồm một lượng lớn các kết nối giữa
các thiết bị máy móc với nhau.
Dự đốn đến cuối năm 2020 của một công ty nghiên cứu và tư vấn cơng nghệ
Gartner, Inc sẽ có gần 30 tỷ thiết bị, vật dụng trên thế giới được kết nối với nhau.
Để thấy được sự phát triển của lĩnh vực này, họ cũng đưa ra số liệu vào năm 1984,
khi mà Cisco mới thành lập mới chỉ có khoảng 1.000 thiết bị được kết nối mạng
toàn cầu, đến năm 2010, con số này đã lên mức 10 tỷ.
Intel, đơn vị mới tham gia vào thị trường sản xuất chip cho các thiết bị thông

minh phục vụ IoT cũng đã thu về hơn 2 tỷ USD trong năm 2014 từ lĩnh vực này,
tăng trưởng 19% so với năm 2013.
Và không thể không kể tới một thương hiệu Việt Nam là Bkav cũng đã đạt
được những thành tựu đáng ghi nhận về Internet of Things. Hệ thống nhà thông
minh SmartHome của Bkav là một tổ hợp các thiết bị thông minh trong 1 ngôi nhà,
đều được kết nối Internet và có thể tự động điều chỉnh cũng như điều khiển qua
smartphone. Bên cạnh đó, các ông lớn như Google, Apple, Samsung, Microsoft
cũng không hề giấu diếm ý định xâm nhập thị trường này, hứa hẹn một cuộc cạnh
tranh mạnh mẽ trong thời gian tới đây, đưa kỷ nguyên IoT đến sớm hơn với mọi
người.
Một vài ứng dụng trong đời sống:
Smart home: Có thể nói smart home chính là ứng dụng được tìm kiếm nhiều
nhất trên thế giới hiện nay. Vậy như thế nào được hiểu là một ngơi nhà thơng minh?
Bạn sẽ có thể bật điều hịa, bình nóng lạnh trước khi về nhà hay thậm chí tắt đèn
ngay khi bạn khơng có nhà, bạn có thể mở cửa cho bạn bè vào nhà trong khi bạn
5


vẫn cịn ở cơ quan hay trường học. Các cơng ty đang xây dựng và sản xuất hàng
loạt các sản phẩm để làm cho cuộc sống con người đơn giản và thuận tiện hơn.
Smart home chính là bậc thang mang tính cách mạng của q trình phát triển xu
hướng IoT. Sự xuất hiện của smart home được dự đoán sẽ trở nên phổ biến như
smart phone hiện nay.

Hình 2.1:Smart Home
Các thiết bị đeo thông minh: Hiện nay ở nhiều nước đã xuất hiện các thiết bị
đeo trên người với những tính năng vơ cùng thơng minh như: tai nghe, các loại
kính, ba lơ, vịng tay siêu thơng minh,… Những thiết bị này dần bùng nổ tại các
thị trường trên toàn thế giới. Google và Samsung là những công ty lớn có những
khoản đầu tư khổng lồ cho việc tạo ra các thiết bị như vậy. Các thiết bị đeo được

cài đặt cảm biến và các phần mềm thu thập dữ liệu, thông tin người dùng. Các thiết
bị này bao gồm các yêu cầu về thể chất, sức khỏe và có tính giải trí cao. Điều kiện
tiên quyết cho các thiết kế này là cơng suất cực thấp và kích thước nhỏ gọn, có tính
thẩm mỹ cao.

6


Hình 2.2:Thiết bị đeo thơng minh
Smart city: Thành phố thơng minh là một ứng dụng của IoT tạo được sự tị
mị của đơng đảo người dân. Giám sát thơng minh, vận chuyển tự động, hệ thống
quản lý năng lượng thông minh hơn, phân phối nước, an ninh đô thị và giám sát
mơi trường tất cả là ví dụ về internet của các ứng dụng cho thành phố thông minh.
IoT giúp giải quyết các vấn đề gặp phải tại các thành phố lớn đó là ơ nhiễm mơi
trường, tắc nghẽn giao thơng và thiếu năng lượng. Một ví dụ có thể kể đến của các
thiết bị được sử dụng truyền thông di động như: thùng rác thông minh, chúng sẽ
gửi cảnh báo đến bộ phận vệ sinh môi trường khi cần dọn sạch.
Bằng cách cài đặt ứng dụng và dùng các thiết bị thơng minh chúng ta hồn
tồn có thể dễ dàng tìm thấy các cây xăng, siêu thị, quán ăn hay thậm chí là những
bãi gửi xe miễn phí. Ngồi ra hệ thống điện cũng được bảo vệ bởi các cảm biến sẽ
giúp phát hiện nhanh chóng các vấn đề gây nhiễu, trục trặc, hay các vấn đề về lắp
đặt.

Hình 2.3: Smart City
7


IoT trong nông nghiệp Với sự gia tăng liên tục của dân số đồng nghĩa với việc
nhu cầu sử dụng lương thực tăng lên nhiều lần. Nơng dân có thể áp dụng các kỹ
thuật mới, công nghệ tiên tiến để tăng sản lượng sản xuất nông nghiệp. Nông

nghiệp thông minh có thể nói là lĩnh vực phát triển nhanh nhất với IoT.
Những thông tin người nông dân thu được giúp họ có những quyết định đầu
tư sáng suốt tránh tình trạng “được mùa mất giá, được giá mất mùa” như hiện nay.
Cảm biến độ ẩm, chất dinh dưỡng của đất, mức độ hấp thụ nước góp phần quan
trọng vào việc kiểm soát sự tăng trưởng của cây trồng giúp người gieo trồng có thể
xác định, tùy chỉnh lượng phân bón cần thiết.

Hình 2.4: IOT trong nơng nghiệp
Internet cơng nghiệp: Industrial Internet là tiếng vang mới trong ngành công
nghiệp, được gọi tắt là IIoT (Industrial Internet of Thing). IIoT hỗ trợ kĩ thuật công
nghiệp với các cảm biến, phần mềm lớn để tạo ra những cỗ máy vô cùng thông
minh. Máy móc sẽ có tính chính xác và nhất qn hơn con người trong giao tiếp
thông qua dữ liệu. Từ những dữ liệu thu thập được giúp các công ty, nhà quản lí
giải quyết các vấn đề sớm hơn, đạt hiệu quả cao hơn.
IoT có tiềm năng lớn về kiểm sốt chất lượng và tính bền vững. Những ứng
dụng trao đổi thông tin giữa nhà cung cấp, nhà phân phối và nhà bán lẻ về thơng
tin hàng hóa, hàng tồn kho sẽ làm tăng hiệu quả chuỗi cung ứng.
8


Hình 2.5:IOT trong cơng nghiệp
Bán lẻ thơng minh: IoT tạo nên một sự kết nối mật thiết giữa nhà bán lẻ với
khách hàng giúp nâng cao trải nghiệm của khách hàng khi đến với cửa hàng. Tiềm
năng phát triển IoT trong lĩnh vực bán lẻ là vô cùng lớn.
Smart phone là thiết bị phổ biến nhất được sử dụng để các nhà bán lẻ duy trì
kết nối với khách hàng của mình khi khách hàng đến với cửa hàng hay thậm chí
ngay cả khi họ ra khỏi cửa hàng. Tương tác qua điện thoại và việc sử dụng các
công nghệ giúp cho các nhà bán lẻ phục vụ khách hàng tốt hơn, thay đổi cách bài
trí cửa hàng cho phù hợp với nhu cầu tiêu dùng.


Hình 2.6: IOT trong mua sắm
9


Năng lượng: Mạng lưới điện trong vài năm tới sẽ trở nên thông minh và đáng
tin cậy hơn. Khái niệm lưới điện thông minh đang trở nên phổ biến trên toàn thế
giới.
Dữ liệu được thu thập một cách tự động để phân tích hành vi tiêu dùng điện
của người dùng và nhà cung cấp để góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng điện. Lưới
điện thông minh giúp phát hiện nguồn ngắt điện thông minh ở cấp độ các hộ gia
đình.

Hình 2.7 IOT trong năng lượng
Sức khỏe: Đây có thể nói là một lĩnh vực chưa được khai phá hết của Internet
of Things bởi những ứng dụng không ngờ mà nó mang lại. Một hệ thống chăm sóc
sức khỏe được kết nối cùng các thiết bị y tế thông minh mang lại tiềm năng to lớn
cho các công ty đầu tư sản xuất. IoT trong chăm sóc sức khỏe giúp mọi người có
cuộc sống khỏe mạnh hơn bằng việc đeo các thiết bị kết nối. Các dữ liệu thu thập
được giúp phân tích sức khỏe của người dùng thiết bị kết nối và nhà cung cấp, sản
xuất sẽ có được những thiết kế để chống lại bệnh tật.

10


Hình 2.8: IOT trong chăm sóc sức khỏe
IoT và chăn ni gia cầm, sản xuất nơng trại.: Kiểm sốt các khâu trong
quy trình chăn ni giúp tiết kiệm thời gian và chi phí. Sử dụng các cơng cụ IoT
để thu thập dữ liệu về sức khỏe của gia súc, các chủ trang trại có thể biết sớm về
bệnh tật của động vật giúp ngăn ngừa số lượng lớn các gia súc bị bệnh bởi virus
lây lan. Với những dữ liệu thu thập được cũng giúp chủ trang trại tăng nhanh được

sản lượng gia súc, gia cầm.
Trong tương lai những gì IoT mang lại sẽ vượt xa những ứng dụng kể trên.
IoT sẽ mang lại sự thay đổi tầm vĩ mô trong cách con người sống và làm việc.

Hình 2.9:IOT trong chăn nuôi

11


Rõ ràng, Internet of Things có thể thay đổi hồn toàn cách sống của con người
trong tương lai. Khi mọi thứ đã được “Internet hóa”, người dùng hồn tồn có thể
điều khiển chúng từ bất cứ đâu, chỉ cần một chiếc điện thoại có kết nối Internet.
Sở hữu những thành tựu trong lĩnh vực này nghĩa là bạn đang nắm giữ trong tay
chìa khóa thành cơng của mọi thời đại. Internet of Things chính là xu hướng của
tương lai. Nhìn thấy sự phát triển của IoT và nhằm giải quyết nhu cầu về sự tiện
lợi hóa trong thời buổi cơng nghệ 4.0 hiện nay nên người thực hiện đã chọn đề tài
“ Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển các thiết bị điện trong nhà”.
2.2 KHÁI NIỆM VỀ MẠNG WIFI
Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng khơng
dây sử dụng sóng vơ tuyến, giống như điện thoại di động, truyền hình và radio. Hệ
thống này đã hoạt động ở một số sân bay, quán café, thư viện hoặc khách sạn. Hệ
thống cho phép truy cập Internet tại những khu vực có sóng của hệ thống này, hồn
tồn khơng cần đến cáp nối. Ngồi các điểm kết nối cơng cộng (hotspots), WiFi
có thể được thiết lập ngay tại nhà riêng.

Hình 2.10:Wifi
Tên gọi 802.11 bắt nguồn từ viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics
Engineers). Viện này tạo ra nhiều chuẩn cho nhiều giao thức kỹ thuật khác nhau,
và nó sử dụng một hệ thống số nhằm phân loại chúng; 6 chuẩn thông dụng của
WiFi hiện nay là 802.11a/b/g/n/ac/ad. 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. Nó có thể chuyển và nhận sóng vơ tuyến, chuyển đổi các mã nhị
phân 1 và 0 sang sóng vơ tuyến và ngược lại.

12


Hình 2.11:Các thiết bị kết nối Wifi
Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vơ tuyến khác ở
chỗ:
- Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, 5 GHz hoặc 60Ghz. 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.
- Wifi dùng chuẩn 802.11:
 Chuẩn 802.11b là phiên bản đầu tiên trên thị trường. Đây là chuẩn chậm
nhất và rẻ tiền nhất, và nó trở nên ít phổ biến hơn so với các chuẩn khác 802.11b
phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, nó có thể xử lý đến 11 megabit/giây, và nó sử dụng
mã CCK (complimentary code keying).
 Chuẩn 802.11g cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so với
chuẩn 802.11b, tốc độ xử lý đạt 54 megabit/giây. Chuẩn 802.11g nhanh hơn vì nó
sử dụng mã OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing), một cơng nghệ
mã hóa hiệu quả hơn.
 Chuẩn 802.11a phát ở tần số 5 GHz và có thể đạt đến 54 megabit/ giây.
Nó cũng sử dụng mã OFDM. Những chuẩn mới hơn sau này như 802.11n còn
nhanh hơn chuẩn 802.11a, nhưng 802.11n vẫn chưa phải là chuẩn cuối cùng.
 Chuẩn 802.11n cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so với
chuẩn 802.11a, tốc độ xử lý đạt 300 megabit/giây.
 Chuẩn 802.11ac phát ở tần số 5 GHz.
 Chuẩn 802.11ad phát ở tần số 60 GHz.


13


- Wifi có thể hoạt động trên cả ba tần số và có thể nhảy qua lại giữa các tần số
khác nhau một cách nhanh chóng. Việc nhảy qua lại giữa các tần số giúp giảm
thiểu sự nhiễu sóng và cho phép nhiều thiết bị kết nối không dây cùng một lúc.
Thiết bị kết nối vào mạng WIFI được gọi là station (trạm). Việc kết nối vào
mạng Wifi được hỗ trợ bởi một access point (AP), một AP có chức năng như một
hub nhưng dùng cho nhiều station. Một access point thông thường được kết nối
vào một mạng dây để phát WIFI (tức là chuyển từ mạng dây sang WIFI). Do đó
access point ln được tích hợp vào router. Mỗi access point được nhận biết bằng
một SSID (Service Set IDentifier), SSID cũng là tên của mạng hiển thị khi ta kết
nối vào WIFI.
Một hotspot là một nơi mà các thiết bị có thể kết nối Internet, và thường là
bằng Wifi, thông qua mạng WLAN (wireless local area network: mạng nội bộ
khơng dây) nối với router.
Các máy tính nằm trong vùng phủ sóng WiFi cần có các bộ thu khơng dây,
adapter, để có thể kết nối vào mạng. Các bộ này có thể được tích hợp vào các máy
tính xách tay hay để bàn hiện đại. Hoặc được thiết kế ở dạng để cắm vào khe PC
card hoặc cổng USB, hay khe PCI. Khi đã được cài đặt adapter không dây và phần
mềm điều khiển (driver), máy tính có thể tự động nhận diện và hiển thị các mạng
không dây đang tồn tại trong khu vực.
Các chuẩn bảo mật Wifi:
- WEP (Wired Equivalent Privacy) là một giải thuật bảo mật cho mạng không
dây chuẩn IEEE 802.11. Ban đầu, các nhà sản xuất chỉ sản xuất các thiết bị Wifi
với chuẩn bảo mật 64 bit. Sau này có các cải tiến hơn với các chuẩn bảo mật 128
bit và 256 bit. Bảo mật WEP sau đó xuất hiện nhiều lổ hổng. Các khóa WEP ngày
nay có thể bị crack trong một vài phút các bằng phần mềm hồn tồn miễn phí trên
mạng. Vào năm 2004, với sự phát triển của các chuẩn bảo mật mới như WPA,
WPÀ2, IEEE tuyên bố các chuẩn WEP trong bảo mật Wifi sẽ khơng cịn được hỗ

trợ.
- WPA (Wi-Fi Protected Access) là giao thức và chuẩn bảo mật WiFi phát
triển bởi Liên hiệp Wifi (Wifi Alliance). WPA được phát triển để thay thế cho
14


chuẩn WEP trước đó có nhiều lỗ hổng bảo mật. Phiên bản phổ biến nhất của WPAPSK (Pre-Shared Key). Các kí tự được sử dụng bởi WPA là loại 256 bit, nên tính
bảo mật sẽ cao hơn rất nhiều so với mã hóa 64 bit và 128 bit có trong hệ thống
WEP. Trong WPA có hỗ trợ TKIP (Temporal Key Integrity Protocol). TKIP sử
dụng các gỉai thuật để đảm bảo an tồn cho các gói tin truyền trong WIFI để tránh
bị đánh cắp. Tuy nhiên TKIP sau này cũng bộc lộ một số lổ hổng bảo mật và bị
thay thế bởi AES (Advanced Encryption Standard). Giao thức AES được dùng
trong cả WPA và WPA 2.
- WPA 2 ( WiFi Protected Access II ) là giao thức và chuẩn bảo mật thay thế
cho WPA từ năm 2006 và được xem là chuẩn bảo mật an toàn nhất đến thời điểm
này. Ngoài việc sử dụng giao thức AES,thì WPA 2 cịn sử dụng thêm giao thức mã
hóa CCMP (CTR mode with CBC-MAC Protocol). Giao thức CCMP là một giao
thức truyền dữ liệu và kiểm sốt tính truyền dữ liệu thống nhất để bảo đảm cả tính
bảo mật và nguyên vẹn của dữ liệu được truyền đi. Cho đến nay thì giao thức bảo
mật WPA2 dùng AES là giao thức bảo mật Wifi tốt nhất.
Nguồn phát sóng WiFi là máy tính với:
- Một cổng để nối cáp hoặc modem ADSL.
- Một router (bộ định tuyến).
- Một hub Ethernet.
- Một firewall.
- Một access point khơng dây.
Hầu hết các router có độ phủ sóng trong khoảng bán kính 30,5 m về mọi hướng.
2.3 CƠNG NGHỆ RFID VÀ ỨN DỤNG TRONG ĐỜI SỐNG
a.Công nghệ RFID và q trình phát triển



Giới thiệu về cơng nghệ RFID

Cơng nghệ RFID (Radio Frequency Identification) cho phép một thiết bị
đọc thông tin chứa trong chip không cần tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa, không
thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào hoặc giữa hai vật khơng nhìn thấy. Công nghệ
này cho ta phương pháp truyền, nhận dữ liệu từ một điểm đến một điểm khác.

15


Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thông không dây trong dải tần sóng vơ tuyến
để truyền dữ liệu từ các tag (thẻ) đến các reader (bộ đọc). Tag có thể được đính
kèm hoặc gắn vào đối tượng được nhận dạng chẳng hạn sản phẩm, hộp hoặc giá
kê (pallet). Reader scan dữ liệu của tag và gửi thông tin đến cơ sở dữ liệu có lưu
trữ dữ liệu của tag. Ví dụ: các tag có thể được đặt trên kính chắn gió xe hơi để hệ
thống thu phí đường có thể nhanh chóng nhận dạng và thu tiền trên các tuyến
đường.
Dạng đơn giản nhất được sử dụng hiện nay là hệ thống RFID bị động làm
việc như sau: reader truyền một tín hiệu tần số vơ tuyến điện từ qua anten của nó
đến một con chip. Reader nhận thơng tin trở lại từ chip và gửi nó đến máy tính
điều khiển đầu đọc và xử lý thông tin lấy được từ chip. Các chip khơng tiếp xúc
khơng tích điện, chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng nhận từ tín hiệu
được gửi bởi reader.


Lịch sử và quá trình phát triển

Năm 1897: Guglielmo Marconi phát hiện ra sóng radio, tạo nền tảng để phát
triển RFID.

Năm 1937: phòng thử nghiệm nghiên cứu Naval U.S phát triển hệ thống
xác định Friend – or – Foe (IFF) cho phép những đối tượng thuộc về quân ta với
quân địch.

Hình 2.12: Thiết bị IFF và thiết bị RFID ngày nay
Cuối thập kỉ 60 đầu thập kỉ 70: nhiều công ty như Sensormatic and Checkpoint
Systems giới thiệu những sản phẩm mới ít phức tạp hơn và ứng dụng rộng rãi hơn
do cơng nghệ được tích hợp trong IC, chip nhớ lập trình được. Các cơng ty bắt đầu
16


phát triển thiết bị giám sát điện tử để bảo vệ và kiểm kê sản phẩm như quần áo
trong cửa hàng, sách trong thư viện. Hệ thống RFID thương mại ban đầu này chỉ
là hệ thống Tag 1 bit giá rẻ để xây dựng, thực hiện và bảo hành. Tag khơng địi hỏi
nguồn pin (thụ động) dễ dàng đặt vào sản phẩm và thiết kể để cảnh báo khi tag đến
gần bộ đọc, thường đặt tại lối ra vào để phát hiện sự có mặt của tag.
Suốt thập kỉ 70: nghiên cứu và phát triển những dự án để tìm cách dùng IC
dựa trên hệ thống RFID. Có nhiều ứng dụng trong công nghiệp tự động, xác định
thú vật, theo dõi lưu thơng. Tag có đặc điểm: bộ nhớ ghi được, tốc độ đọc nhanh
hơn và khoảng cách đọc xa hơn.
Đầu thập niên 80: được áp dụng trong nhiều ứng dụng: đặt tại đường ray ở
Mỹ, đánh dấu thú vật trên nơng trại ở châu Âu. Hệ thống RFID cịn dùng trong
nghiên cứu động vật hoang dã đánh dấu các loài thú quý và nguy hiểm.
Đầu năm 1990: xuất hiện nhiều hệ thống thu phí điện tử, tiêu chuẩn hóa các
đặc tính kĩ thuật như tần số hoạt động và giao thức giao tiếp phần cứng.
Cuối thế kỉ 20: phát triển nhanh trên phạm vi toàn cầu.
- Mỹ: tạo ra hệ thống xác nhận và đăng kí Texas instrument (TIRIS)
- Châu Âu: phát minh công nghệ liên quan đến việc xác định thẻ thông minh
Cuối những năm 90 đầu năm 2000: EPCglobal được thành lập và hỗ trợ hệ thống
mã sản phẩm điện tử (Electronic Product Code Network EPC) và hệ thống này đã

trở thành tiêu chuẩn cho xác nhận sản phẩm tự động.
b.Thành phần của một hệ thống RFID

Hình 2.13: Sơ đồ khối hệ thống RFID
Một hệ thống RFID là một tập hợp các thành phần mà nó thực thi giải pháp
RFID.
Một hệ thống RFID bao gồm các thành phần sau:
17


×