Tải bản đầy đủ

Đồ án hệ THỐNG NHÀ THÔNG MINH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 5 0

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
====O0O====

ĐỒ ÁN
TỐT
ĐẠI HỌC

NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH ỨNG DỤNG
CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 5.0

Hà Nội, 6-2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
====O0O====


ĐỒ ÁN
TỐT
ĐẠI HỌC

NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH ỨNG DỤNG
CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 5.0

Hà Nội, 6-2018
Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp
(Dùng cho giảng viên hướng dẫn)
Giảng viên đánh giá:......................................................
Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Công Chiến.

MSSV: 2013 0390

Tên đồ án: Hệ thống nhà thông minh ứng dụng công nghệ Bluetooth 5.0
…………………………………………………………………………………
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)


Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và
1 các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như 1 2 3 4 5
phạm vi ứng dụng của đồ án
2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5
3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề
4

1 2 3 4 5

Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả
1 2 3 4 5
đạt được
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)



Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp
5 thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ 1 2 3 4 5
thống
6

Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết
1 2 3 4 5
quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng.

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa
kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp
7
1 2 3 4 5
lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong
tương lai.
Kỹ năng viết (10)
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương
logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được
đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,
8
1 2 3 4 5
có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu
chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có
trích dẫn đúng quy định
9

Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa
1 2 3 4 5
học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)
Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải
SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa
10a
học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng
phát minh sáng chế

5

10b Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên

2


nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở
lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế
khác về chuyên ngành như TI contest.
10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học

0

Điểm tổng

/50

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3. Nhận xét thêm của Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và tinh thần
làm việc của sinh viên)
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................
Ngày:

/

/201

Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)


Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp
(Dùng cho cán bộ phản biện)
Giảng viên đánh giá:......................................................
Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Công Chiến.

MSSV: 2013 0390

Tên đồ án: Hệ thống nhà thông minh ứng dụng công nghệ Bluetooth 5.0
…………………………………………………………………………………..
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và
1 các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như 1 2 3 4 5
phạm vi ứng dụng của đồ án
2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5
3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề
4

1 2 3 4 5

Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả
1 2 3 4 5
đạt được
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp
5 thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ 1 2 3 4 5
thống
6

Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết
1 2 3 4 5
quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng.

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa
kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp
7
1 2 3 4 5
lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong
tương lai.
Kỹ năng viết (10)
8 Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương 1 2 3 4 5
logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được
đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,
có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu


chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có
trích dẫn đúng quy định
9

Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa
1 2 3 4 5
học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)
Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải
SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa
10a
học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng
phát minh sáng chế

5

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên
nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở
10b
lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế
khác về chuyên ngành như TI contest.

2

10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học

0

Điểm tổng

/50

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3. Nhận xét thêm của Thầy/Cô
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................
Ngày ……./……../2018
Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, ngôi nhà thông minh (SmartHome) đã xuất hiện và
được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống từ những khách sạn hay resort sang trọng cho
đến những ngôi nhà hiện đại đều được lắp đặt các hệ thống cảm biến và điều khiển thông
minh. Để thực hiện cho hệ thống đó, một công nghệ vốn tưởng chừng như đã bị bỏ quên,
đó là Bluetooth 5.0 hay còn gọi là Bluetooth Low Energy (BLE). Điểm mạnh lớn nhất của
BLE chính là công suất tiêu thụ cực thấp (khoảng vài chục uA khi hoạt động) cùng với
các board BLE có thể có kích thước rất nhỏ nên có thể gắn vào rất nhiều đồ vật lớn, bé
làm cho mọi thứ trở nên thông minh hơn. Hơn nữa, chúng ta chỉ cần ngồi một chỗ với một
cái smartphone trên tay, chúng ta có thể biết được các thông tin xung quanh nhờ các cảm
biến và điều khiển các thiết bị một cách dễ dàng. Theo xu hướng phát triển đó, em quyết
định lựa chọn thực hiện nghiên cứu đề tài: “Hệ thống nhà thông minh ứng dụng công
nghệ Bluetooth 5.0”.
Ngoài việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp với những công việc trên đây thì nó còn có
ý nghĩa sâu sắc đối với em. Một lần nữa, em được thực hành những kiến thức học được từ
ghế nhà trường sau gần 5 năm để vận dụng vào đề tài này. Tuy nhiên, do hạn chế về kinh
nghiệm thực tế và thời gian thực hiện nên việc giải quyết đề tài không thể không tránh
khỏi những sai sót. Do đó, em rất mong nhận được sự chỉ bảo thêm của quý thầy cô cũng
như đóng góp của các bạn sinh viên.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS và thầy ThS. đã nhiệt tình giúp đỡ,
chỉ bảo, động viên và tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình nghiên cứu và làm việc tại
phòng thí nghiệm. Nhờ những góp ý của thầy, em đã có thể hoàn thành được đề tài tốt
nghiệp của mình.
Em xin chân thành cảm ơn !

NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

1


TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Đồ án này trình bày tìm hiểu tổng quan về công nghệ Bluetooth Low Energy
(BLE) và mô hình nhà thông minh với ứng dụng thực tế là đọc các thông tin từ các cảm
biến, hiển thị trạng thái và điều khiển thiết bị như đèn, quạt và cửa thông minh. Hệ thống
có các thiết bị phần cứng: Smartphone, module BLE nrf52832, module Arduino Nano,
cảm biến nhiệt độ, đèn led, module thời gian thực và module RFID RC522. Phần mềm
của hệ thống là một application để thực hiện các chức năng ứng dụng trên.
Nội dung đồ án bao gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống nhà thông minh. Chương này trình bày tổng quan
về hệ thống nhà thông minh và các tiện nghi mà nó mang lại.
Chương 2: Công nghệ Bluetooth Low Energy. Chương này giới thiệu công nghệ
Bluetooth Low Energy (BLE), mô hình truyền thông cho BLE, nguyên lý hoạt động và
ứng dụng của BLE.
Chương 3: Phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển/giám sát nhà thông minh ứng
dụng công nghệ BLE. Chương này trình bày các sơ đồ khối, phân tích lựa chọn linh kiện
và ghép nối các module BLE với các cảm biến và thiết bị, giao tiếp với Arduino và xây
dựng app để thực hiện các chức năng mà phần cứng đáp ứng.
Chương 4: Thực thi hệ thống và kết quả thực nghiệm. Chương cuối cùng đưa ra các
kết quả thực nghiệm thực tế.

NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

2


ABSTRACT
This project will show you about the general application in reality of Bluetooth
Low Energy (BLE) technology and Smarthome model. Its functions are not only reading
information from sensors but also showing status and controling devices such as light
bulbs, fans and smart doors. The system includes hardware devices: Smartphone, BLE
nrf52832 module, Arduino Nano module, temperature sensor, LED, real time module and
RFID RC522 module. Its software is an app which performs these functions above.
The contents of this project includes:
Chapter 1: The general of smarthome system: This chapter shows an overview about
smarthome and its convenience.
Chapter 2: Bluetooth Low Energy technology: This chapter introduces Bluetooth Low
Energy (BLE) technology, BLE communicative model, operating principles and
application of BLE.
Chapter 3: Analyzing and designing the intelligent home control/monitoring
systems: This chapter shows block diagrams; analyzes the choice of components and
links BLE modules with sensors and device; communicates with Arduino and builds app
to perform functions of the hardware.
Chapter 4: System execution and experimental results: The final chapter brings out the
experimental results in reality.

NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

3


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................... 1
TÓM TẮT ĐỀ TÀI.............................................................................................................2
ABSTRACT.......................................................................................................................3
MỤC LỤC.......................................................................................................................... 4
DANH SÁCH HÌNH VẼ....................................................................................................7
DANH SÁCH BẢNG BIỂU...............................................................................................9
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................10
PHẦN MỞ ĐẦU..............................................................................................................11
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH.............................12
1.1 Giới thiệu.............................................................................................................12
1.2 Nguồn gốc nhà thông minh..................................................................................13
1.3

Ưu khuyết điểm của nhà thông minh...................................................................16

1.4

Nhà thông minh hoạt động như thế nào ?............................................................17

1.5

Các công nghệ hiện nay đang sử dụng trong nhà thông minh..............................19

1.6

Kết luận chương..................................................................................................21

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ BLUETOOTH LOW ENERGY (BLE)..............................22
2.1 Giới thiệu................................................................................................................22
2.1.1 Bluetooth Low Energy (BLE) là gì ?...............................................................22
2.1.2 Lịch sử phát triển công nghệ Bluetooth............................................................23
2.1.3 Ưu khuyết điểm của BLE.................................................................................23
2.2 Các khối chính của một thiết bị Bluetooth..............................................................25
NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

4


2.3 Các loại thiết bị BLE trong một ứng dụng..............................................................26
2.4 Các hoạt động cơ bản của thiết bị BLE...................................................................28
2.5 Đặc tính tần số và quá trình kết nối của thiết bị BLE..............................................29
2.5.1 Đặc tính tần số.................................................................................................29
2.5.2 Quá trình kết nối của các thiết bị BLE.............................................................30
2.6 The BLE protocol stack..........................................................................................32
2.7 Các ứng dụng phổ biến của công nghệ BLE trong cuộc sống.................................36
2.8 Kết luận chương......................................................................................................38
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN/GIÁM SÁT NHÀ
THÔNG MINH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 5.0....................................39
3.1 Phân tích hệ thống...................................................................................................39
3.1.1 Yêu cầu hệ thống..............................................................................................39
3.1.2 Cấu trúc của hệ thống.......................................................................................40
3.1.3 Sự hoạt động của hệ thống...............................................................................41
3.2 Mô phỏng phần cứng..............................................................................................41
3.2.1 Sơ đồ khối cho mạch........................................................................................41
3.2.2 Lựa chọn linh kiện cho các khối......................................................................42
3.2.3 Sơ đồ mạch nguyên lý và mạch in của hệ thống..............................................52
3.3 Lập trình phần mềm................................................................................................53
3.3.1 Sơ đồ thuật toán...............................................................................................53
3.3.2 Lập trình nhúng................................................................................................57
3.3.3 Lập trình app....................................................................................................63
CHƯƠNG 4: THỰC THI HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.......................64

NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

5


4.1 Khởi tạo kịch bản thực nghiệm...............................................................................64
4.2 Kết quả thực nghiệm...............................................................................................64
4.3 Đánh giá kết quả thực nghiệm.................................................................................71
KẾT LUẬN...................................................................................................................... 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................73

NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

6


DANH SÁCH HÌNH
Hình 1. 1 Nhà thông minh..............................................................................................12Y
Hình 2. 1 Bluetooth Low Energy (BLE) cho các ứng dụng thông minh............................22
Hình 2. 2 Các khối chính của một thiết bị Bluetooth........................................................25
Hình 2. 3 Hai chế độ hoạt động phổ biến của BLE..........................................................26
Hình 2. 4 Kênh truyền dữ liệu nhận dạng và kênh truyền dữ liệu ứng dụng.....................30
Hình 2. 5 Quá trình nhận dữ liệu nhận dạng (Scanning) của BLE Central và quá trình
phát dữ liệu nhận dạng (Advertising) của BLE................................................................31
Hình 2. 6 Quá trình kết nối của các thiết bị BLE..............................................................32
Hình 2. 7 Bộ giao thức BLE.............................................................................................33
Hình 2. 8 Vòng tay theo dõi sức khỏe...............................................................................36
Hình 2. 9 Tai nghe Bluetooth............................................................................................37
Hình 2. 10 Chìa khóa Bluetooth

3

Hình 3. 1 Cấu trúc hệ thống.............................................................................................41
Hình 3. 2 Sơ đồ khối của mạch........................................................................................41
Hình 3. 3 Cảm biến nhiệt độ DHT11................................................................................43
Hình 3. 4 Cảm biến khí gas MQ2.....................................................................................44
Hình 3. 5 Module RFID RC522........................................................................................45
Hình 3. 6 Module thời gian thực RTC Ds1307.................................................................46
Hình 3. 7 Led và motor DC..............................................................................................47
Hình 3. 8 Ứng dụng trên smartphone...............................................................................48
Hình 3. 9 Module nRF52832............................................................................................49
Hình 3. 10 Arduino Nano..................................................................................................50
Hình 3. 11 Sơ đồ mạch nguyên lý.....................................................................................52
Hình 3. 12 Sơ đồ mạch in 3D...........................................................................................53
Hình 3. 13 Sơ đồ khối cho sự kiện quẹt thẻ.......................................................................54

NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

7


Hình 3. 14 Sơ đồ khối của App.........................................................................................55
Hình 3. 15 Sơ đồ khối cho cảnh báo hệ thống..................................................................56
Hình 3. 16 Hàm main.c.....................................................................................................58
Hình 3. 17 Sự kiện ngắt UART.........................................................................................60
Hình 3. 18 Sự kiện ngắt Timer..........................................................................................61
Hình 3. 19 Ngắt trên BLE 6
Hình 4. 1 Chỉ số RSSI theo khoảng cách..........................................................................65
Hình 4. 2 Tùy chọn chức năng..........................................................................................66
Hình 4. 3 Hiển thị các dữ liệu cảm biến ở nhiệt độ môi trường........................................67
Hình 4. 4 Hiển thị trạng thái và điều khiển thiết bị..........................................................68
Hình 4. 5 Hiển thị lịch sử thẻ RFID..................................................................................69
Hình 4. 6 Kết nối phần cứng.............................................................................................70

NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

8


DANH SÁCH BẢNG BI
Bảng 2. 1 Lịch sử phát triển công nghệ Bluetooth............................................................23
Bảng 2. 2 So sánh BLE với các chuẩn giao tiếp Wireless.................................................25
Bảng 2. 3 So sánh sự khác nhau giữa BLE Peripheral và BLE Central..........................27
Bảng 2. 4 Bảng tổng hợp chức năng các lớp trong stack...............................................35Y
Bảng 3. 1 Thông số kỹ thuật của Arduino Nano 5
Bảng 4. 1 Chỉ số RSSI theo khoảng cách..........................................................................65
Bảng 4. 2 Kết quả thực nghiệm đo cảm biến....................................................................67

NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

9


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
BLE

Bluetooth Low Energy

UPB

Universal Powerline Bus

AES

Advanced Encryption Standard

SSID

Service Set Identifier

WEP

Wired Equivalent Privacy

SIG

Special Interest Group

RFID

Radio Frequency Identification

UART

Universal Asynchronous Receiver – Transmitter

RSSI

Received Signal Strength Indicator

NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

10


PHẦN MỞ ĐẦU
Khi cuộc sống con người được nâng cao, những nhu cầu cuộc sống hằng ngày càng
cao đòi hỏi phải được hỗ trợ tốt hơn. Và từ những nhu cầu thực tế đó, ý tưởng ngôi nhà
thông minh hình thành. Một ngôi nhà mà mọi hoạt động của con người đều được hỗ trợ,
giúp đỡ một cách linh hoạt và quản lý một cách thông minh. Với sự phát triển một cách
nhanh chóng của ngành điện tử thì ý tưởng này không còn vướng bởi rào cản công nghệ.
Việc điều khiển nhà thông minh qua Smartphone tạo nên bước ngoặt lớn trong việc điều
khiển tự động không dây một cách linh hoạt. Để kết nối các thiết bị với smartphone thì
một chuẩn giao tiếp khá mạnh mẽ đáp ứng được tốc độ kết nối cũng như an ninh, đó là
công nghệ Bluetooth 5.0. Nó sẽ giúp smartphone đọc các dữ liệu từ cảm biến, hiển thị
trạng thái của thiết bị, điều khiển thiết bị và quản lý an ninh cửa. Với một app có giao
diện thiết kế rõ ràng và gần gũi với người dùng thì việc quản lý các tiện ích trên một cách
khá dễ dàng.
Hiện nay, có nhiều phương pháp thiết kế hệ thống nhà thông minh khác nhau, trên
nhiều nền khác nhau như vi xử lý, vi điều khiển, smartphone hay máy tính, … điều khiển
kết nối hữu tuyến hay vô tuyến. Cụ thể hơn, ở đề tài này hệ thống sử dụng module BLE
nrf52832, module Arduino Nano R3, module RFID RC522, các cảm biến và các thiết bị
được điều khiển như đèn, quạt. Với đề tài này, phạm vi nghiên cứu là mô hình nhà thông
minh ở Việt Nam.

NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH
Dường như mọi thứ xung quanh chúng ta đều trở nên thông minh: Từ điện thoại
thông minh cho đến máy giặt thông minh, tủ lạnh thông minh, máy hút bụi thông minh…
và ở đề tài này, chúng ta sẽ quen thêm với “nhà thông minh”. Vậy nhà thông minh là gì ?
1.1 Giới thiệu
Nhà thông minh (tiếng Anh là “Smart Home”) hoặc hệ thống nhà thông minh là
một ngôi nhà/ căn hộ được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được điều khiển hoặc tự
động hóa hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác
quản lý, điều khiển.

Hình 1. 1 Nhà thông minh
(Ảnh: http://www.sntek.vn/giai-phap-nha-thong-minh/)
Nhà thông minh sử dụng các thiết bị kết nối Internet, Zigbee, Bluetooth, … để có
thể quản lý và giám sát các thiết bị và hệ thống từ xa như ánh sáng, nhiệt độ. Công nghệ
NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

12


nhà thông minh Smart Home, còn được biết đến như Home Automation (tự động hóa ngôi
nhà), cung cấp cho chủ nhà sự an toàn, thoải mái, tiện lợi và tiết kiệm năng lượng bằng
cách cho phép họ kiểm soát các thiết bị thông minh bởi một ứng dụng smart home trên
điện thoại smartphone hoặc các thiết bị kết nối mạng khác. Một phần của mạng lưới vạn
vật kết nối (Internet of Things - IoT), các hệ thống và thiết bị nhà thông minh thường hoạt
động cùng nhau, chia sẻ dữ liệu người dùng và tự động hóa các hành động dựa trên quyền
ưu tiên của chủ nhà.
Các chức năng chính của nhà thông minh là gì ?









Điều khiển chiếu sáng (on/off, dimmer, scence, timer, logic, …)
Điều khiển mành, rèm, cửa cổng
Hệ thống an ninh, báo động, báo cháy
Điều khiển điều hòa, máy lạnh
Hệ thống âm thanh đa vùng
Camera, chuông hình
Hệ thống bảo vệ nguồn điện
Các tiện ích và ứng dụng khác

1.2 Nguồn gốc nhà thông minh
Với việc phát hành X10 năm 1975, một giao thức truyền thông cho Home
Automation, nhà thông minh, khi đó chỉ là một giấc mơ viển vông trong serie phim hoạt
hình “Gia đình nhà Jetsons” (The Jetsons) đã xuất hiện trong cuộc sống thực. X10 gửi tín
hiệu 120 kHz (radio frequency - RF) của thông tin số lên hệ thống dây điện hiện tại trong
nhà đến các đầu ra hoặc công tắc có thể lập trình được. Các tín hiệu này truyền tải lệnh
đến các thiết bị tương ứng, kiểm soát cách thức và thời gian hoạt động của thiết bị. Ví dụ:
một máy phát có thể gửi tín hiệu dọc theo dây điện trong nhà, yêu cầu bật thiết bị vào một
thời gian cụ thể.
Tuy nhiên, vì dây điện không được thiết kế đặc biệt chống nhiễu sóng radio nên X10
không phải lúc nào cũng đáng tin cậy. Các tín hiệu sẽ bị mất và trong một số trường hợp,
các tín hiệu không vượt qua các mạch nối với các cực khác nhau, được tạo ra khi dịch vụ
220 volt tách ra thành một cặp nguồn cấp dữ liệu 100 volt, phổ biến ở Hoa Kỳ. X10 ban
NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

13


đầu là công nghệ một chiều, do đó các thiết bị thông minh có thể thực hiện lệnh nhưng
không thể gửi dữ liệu trở lại mạng trung tâm. Sau đó, các thiết bị X10 hai chiều được sản
xuất với chi phí cao hơn.
Khi công ty tự động hóa nhà Insteon xuất hiện vào năm 2005, công ty đã giới thiệu
công nghệ kết nối dây điện với tín hiệu không dây. Các giao thức khác, bao gồm
cả Zigbee và Z-Wave, được đưa ra để chống lại các vấn đề có thể xảy ra với X10, mặc dù
X10 vẫn là một giao thức truyền thông được cài đặt rộng rãi cho đến hiện nay.
Nest Labs được thành lập năm 2010 và phát hành sản phẩm thông minh đầu tiên Nest

Learning Thermostat vào năm 2011. Công ty cũng tạo ra máy dò khói/cacbon monoxide
thông minh và camera an ninh. Sau khi Google mua lại vào năm 2015, Nest Labs đã trở
thành công ty con của Alphabet Inc. trong năm đó.
Vào năm 2012, SmartThings Inc. đã phát động chiến dịch Kickstarter, huy động ngân
sách 1,2 triệu đô-la để hỗ trợ hệ thống nhà thông minh. Sau khi bổ sung ngân sách, công
ty đã ra mắt thị trường vào tháng 8 năm 2013 và được Samsung mua lại vào năm 2014.
Gần đây, các công ty bao gồm Amazon, Apple và Google đã đưa ra các sản phẩm
Smart Home và nền tảng Smart Home của họ, bao gồm Amazon Echo, Apple HomeKit và
Google Home.
Các ví dụ về công nghệ smart home
Công nghệ dường như đã đặt chân đến mọi khía cạnh của cuộc sống, bao gồm cả
không gian nội thất nhà ở (bóng đèn, máy rửa bát và…). Sự ra đời của nhà thông minh
như một giải pháp thay thế hiện đại:
 Smart TV - TV thông minh kết nối Internet, truy cập nội dung thông qua các ứng
dụng, chẳng hạn như video và âm nhạc theo yêu cầu. Một số TV thông minh bao
gồm nhận diện giọng nói hoặc cử chỉ.
 Ngoài khả năng điều khiển từ xa và tùy biến, các hệ thống chiếu sáng thông
minh như Hue từ Philips Lighting Holding B.V., có thể phát hiện khi nào có người

NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

14


ở trong phòng và điều chỉnh ánh sáng nếu cần. Bóng đèn thông minh cũng có thể
tự điều chỉnh dựa trên ánh sáng ban ngày.
 Các bộ điều chỉnh nhiệt thông minh (Smart thermostats) chẳng hạn như Nest của
Nest Labs Inc., được tích hợp Wi-Fi, cho phép người dùng lên lịch, theo dõi và
điều khiển nhiệt độ trong nhà từ xa. Các thiết bị này cũng học hành vi của chủ nhà
và tự động sửa đổi thiết lập nhằm cung cấp cho người dùng sự thoải mái và hiệu
quả tối đa. Bộ điều chỉnh nhiệt thông minh cũng có thể báo cáo việc sử dụng năng
lượng và nhắc nhở người dùng thay đổi bộ lọc.
 Sử dụng khóa thông minh và dụng cụ mở cửa nhà để xe, người dùng có thể cho
phép hoặc từ chối mở cửa cho khách vào nhà. Hơn nữa, khóa thông minh cũng có
thể phát hiện khi chủ nhà đang ở gần và mở khóa cho họ.
 Với camera quan sát thông minh, người dùng có thể theo dõi nhà của mình khi
di chuyển hoặc đi nghỉ mát. Các cảm biến chuyển động thông minh cũng có thể
xác định sự khác biệt giữa chủ nhà, khách, thú cưng và kẻ trộm để thông báo cho
chính quyền nếu phát hiện hành vi đáng ngờ.
 Có thể tự động chăm sóc vật nuôi với hệ thống cho ăn đã được kết nối sẵn. Cây
trồng trong nhà và cỏ cũng được tưới nước bằng bộ đếm thời gian đã được kết nối.
 Các thiết bị nhà bếp đều có sẵn, bao gồm máy pha cà phê thông minh có thể pha
một tách cà phê thơm ngon ngay khi chuông báo thức của bạn reo lên; tủ lạnh
thông minh theo dõi ngày hết hạn, lên danh sách mua sắm hoặc thậm chí tạo ra các
công thức nấu ăn dựa trên các thành phần sẵn có; nồi nấu và lò nướng bánh mỳ;
trong phòng giặt có máy giặt và máy sấy.
 Các màn hình hệ thống hộ gia đình có thể cảm nhận được điện áp tăng vọt và tắt
thiết bị; nhận thấy đường ống nước bị hỏng hoặc ngắt các đường ống và tắt nước
để không bị tràn ra sàn.
1.3 Ưu khuyết điểm của nhà thông minh
Một trong những lợi ích nổi bật nhất của tự động hóa ngôi nhà là cung cấp sự an
tâm cho chủ nhà, cho phép họ quan sát nhà từ xa, chống lại những nguy hiểm như máy
NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

15


pha cà phê bị bỏ quên hoặc cửa phía trước quên chưa khóa. Nhà thông minh còn có lợi
cho người cao tuổi, cung cấp sự giám sát giúp người cao tuổi được ở nhà thoải mái và an
toàn hơn là chuyển đến nhà dưỡng lão hoặc yêu cầu chăm sóc tại nhà 24/7. Không có gì
đáng ngạc nhiên khi nhà thông minh có thể thích ứng với sở thích của người dùng. Ví dụ,
ngay khi bạn về đến nhà, cửa nhà để xe sẽ mở, đèn sẽ sáng, lò sưởi sẽ bật và các giai điệu
yêu thích của chúng ta sẽ bắt đầu phát trên loa.
Smart home giúp người dùng nâng cao hiệu quả. Thay vì để máy điều hoà không
khí chạy liên tục vào ban ngày, hệ thống nhà thông minh có thể học các hành vi của chúng
ta và đảm bảo ngôi nhà sẽ được làm mát khi chúng ta trở về nhà. Tương tự với các thiết bị
gia dụng: Hệ thống tưới nước thông minh, bãi cỏ sẽ được tưới nước khi cần thiết với một
lượng nước vừa đủ. Đối với smart home, năng lượng, nước và các nguồn lực khác được
sử dụng hiệu quả hơn, giúp tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và tiền bạc cho người dùng.
Hệ thống nhà thông minh nỗ lực trở thành xu thế chủ đạo, một phần là do tính chất
kỹ thuật của chúng. Một hạn chế của nhà thông minh là sự phức tạp trong cảm nhận, một số
người gặp khó khăn khi sử dụng công nghệ hoặc sẽ từ chối sử dụng vì cảm thấy khó chịu
ngay lần đầu. Các nhà sản xuất nhà thông minh và đối tác của họ đang cố gắng để giảm
tính phức tạp và cải thiện trải nghiệm người dùng, làm cho nó trở nên thú vị cũng như có
lợi cho người sử dụng ở mọi độ tuổi và trình độ. Đối với các hệ thống nhà thông minh
thực sự có hiệu quả, các thiết bị phải tương tác với nhau bất kể nhà sản xuất của chúng là
ai, sử dụng cùng một giao thức hoặc ít nhất, bổ sung thêm một giao thức khác. Vì là một
thị trường mới nên chưa có tiêu chuẩn vàng nào dành cho nhà thông minh. Tuy nhiên, các
liên minh tiêu chuẩn đang hợp tác với các nhà sản xuất và các giao thức để đảm bảo khả
năng tương tác và trải nghiệm người dùng không bị gián đoạn.
Một vấn đề chính khác là an ninh nhà thông minh. Báo cáo năm 2016 của NTT Data
Corp. cho thấy rằng 80% người dùng Mỹ quan tâm đến tính bảo mật dữ liệu smart home
của họ. Nếu tin tặc có thể xâm nhập vào một thiết bị thông minh, họ có thể tắt đèn, tắt báo
thức và mở khóa cửa ra vào để đột nhập. Hơn nữa, tin tặc có thể truy cập vào mạng của
chủ nhà, dẫn đến các cuộc tấn công tồi tệ hơn hoặc rò rỉ dữ liệu (Data Exfiltration). Vào
NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

16


tháng 10 năm 2016, Mirai IoT botnet (botnet Mirai IoT) đã làm sập một phần của Internet
bằng một loạt cuộc tấn công từ chối dịch vụ phân tán (tấn công DDoS - Distributed
Denial of Service) sử dụng camera an ninh và bộ định tuyến.
Ngoài việc bảo mật, nhiều người không thích nhà thông minh vì lo lắng về dữ liệu
riêng tư. Báo cáo NTT Data cho thấy 73% người dùng quan tâm đến dữ liệu riêng tư được
chia sẻ bởi các thiết bị smart home. Mặc dù các nhà sản xuất thiết bị smart home và nhà
sản xuất nền tảng có thể thu thập dữ liệu người dùng để điều chỉnh sản phẩm của họ tốt
hơn, hoặc cung cấp các dịch vụ mới cải tiến cho khách hàng, nhưng sự tin tưởng và minh
bạch là điều quan trọng để các nhà sản xuất xây dựng lòng tin với người sử dụng các sản
phẩm thông minh của họ.
1.4 Nhà thông minh hoạt động như thế nào ?
Công nghệ nhà thông minh là hiện thực và nó ngày càng trở nên tinh vi. Các tín
hiệu được mã hóa được gửi đi qua hệ thống dây dẫn, mạng không dây đến các bộ chuyển
mạch, ổ điện được lập trình sẵn để vận hành các đồ gia dụng và thiết bị điện tử ở trong
ngôi nhà. Sự tự động hóa của ngôi nhà đặc biệt có ích cho người lớn tuổi và người tàn tật,
những người muốn sống tự lập. Việc lắp đặt các sản phẩm thông minh đem lại cho ngôi
nhà và chủ nhân của nó rất nhiều lợi ích – tương tự như những lợi ích mà công nghệ và
máy tính cá nhân đã đem lại cho chúng ta 30 năm qua - bao gồm: sự tiện nghi, tiết kiệm
thời gian, tiền bạc và năng lượng.
Các thành phần của hệ thống nhà thông minh bao gồm các cảm biến (như cảm biến
nhiệt độ, cảm biến ánh sáng hoặc do cử chỉ), các bộ điều khiển hoặc máy chủ và các thiết
bị chấp hành khác. Nhờ hệ thống cảm biến, các bộ điều khiển và máy chủ có thể theo dõi
các trạng thái bên trong ngồi nhà để đưa ra các quyết định điều khiển các thiết bị chấp
hành một cách phù hợp nhằm đảm bảo môi trường sống tốt nhất cho con người. Nhà
thông minh không phải là các thiết bị và ứng dụng riêng biệt, chúng làm việc cùng nhau
để tạo ra một mạng lưới có thể điều khiển từ xa. Chủ nhà điều khiển tất cả các thiết bị
được kiểm soát bởi một bộ điều khiển tự động, được gọi là smart home hub. Smart home
NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

17


hub là một thiết bị phần cứng hoạt động như điểm trung tâm của hệ thống smart home có
thể cảm nhận, xử lý dữ liệu và truyền thông không dây. Nó kết hợp tất cả các ứng dụng
riêng lẻ vào một ứng dụng smart home duy nhất có thể được kiểm soát từ xa bởi chủ nhà.
Ví dụ các smart home hub bao gồm Amazon Echo, Google Home, Insteon Hub Pro,
Samsung SmartThings và Wink Hub.
Một số hệ thống smart home được tạo ra từ đầu, ví dụ như sử dụng Raspberry
Pi hoặc bảng mạch mẫu thử nghiệm. Những sản phẩm khác có thể được mua như một bộ
smart home kit - còn được gọi là nền tảng smart home - có chứa các phần cần thiết để bắt
đầu dự án tự động hóa nhà ở.
Trong các mô hình smart home đơn giản, các sự kiện có thể được tính giờ hoặc
kích hoạt. Sự kiện tính giờ dựa theo đồng hồ, ví dụ như hạ thấp rèm vào lúc 6 giờ chiều,
sự kiện được kích hoạt dựa trên hành động trong hệ thống tự động; như khi điện thoại
thông minh của chủ nhà đến gần cửa, khóa thông minh sẽ mở ra và đèn thông minh sẽ
sáng lên.
Machine learning và trí tuệ nhân tạo (AI) ngày càng trở nên phổ biến trong các hệ thống

smart home, cho phép các ứng dụng home automation thích ứng với môi trường của họ.
Các hệ thống kích hoạt bằng giọng nói, chẳng hạn Amazon Echo hoặc Google Home, có
các trợ lý ảo trợ giúp tìm hiểu và cá nhân hóa smart home với sở thích và hành vi của
người dùng.
1.5 Các công nghệ hiện nay đang sử dụng trong nhà thông minh
Cũng giống như các hệ thống điện tử khác, các thiết bị thông minh hoạt động dựa
trên nhiều giao thức khác nhau, mỗi giao thức quy định những nguyên tắc và tiêu chuẩn
riêng cho các thiết bị giao tiếp nhau. Nếu tưởng tượng mỗi giao thức là một ngôn ngữ, thì
thiết bị sử dụng công nghệ ZigBee giao tiếp bằng ngôn ngữ ZigBee, thiết bị sử dụng công
nghệ Z-wave giao tiếp bằng ngôn ngữ Z-wave, hai thiết bị sử dụng ngôn ngữ khác nhau
thì không hiểu nhau được. Thực tế cũng có một số thiết bị hỗ trợ cả hai loại giao thức,
nhưng không nhiều, mỗi nhà sản xuất thường có những thiết bị thế mạnh riêng, và chúng
NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

18


ta cũng không muốn phải chọn tất cả thiết bị của một nhà sản xuất. Dưới đây là những tìm
hiểu về ưu và nhược điểm của các loại giao thức để có thể rõ hơn.
 X10 (Tham khảo: https://www.x10.com/ )
Là giao thức đầu tiên áp dụng cho thiết bị tự động ra đời từ giữa những năm 1970,
sử dụng đường dây, hiện không phổ biến. Các sản phẩm X10 có thể được sử dụng để điều
khiển đèn và thiết bị, thay thế công tắc trên tường và thậm chí được sử dụng để giám sát
cửa ra vào, cửa sổ và chuyển động.
 UPB (Tham khảo: http://buildyoursmarthome.co )
Là một giao thức truyền thông giữa các thiết bị được sử dụng cho tự động hóa tại
nhà. Nó sử dụng dây điện đường dây để báo hiệu và điều khiển. UPB được phát triển bởi
Powerline Control Systems (PCS) của Northridge, California và phát hành vào năm 1999.
Dựa trên khái niệm về tiêu chuẩn X10 phổ biến, UPB có tốc độ truyền được cải thiện và
độ tin cậy cao hơn. Hệ thống này cần đi dây, tín hiệu mạnh hơn X10 nhưng chi phí tốn
kém và khó lắp đặt.
 INSTEON (Nguồn tham khảo: https://www.insteon.com/ )
Là giao thức cho phép kết nối giao tiếp có dây và giao tiếp không dây thành một hệ
thống duy nhất mang đến sự tin cậy ổn định và linh hoạt. Dây dẫn điện được sử dụng một
cách đặc trưng để thay thế cho tần số RF được sử dụng trong hệ thống. Điều này cho phép
các lệnh được gửi tới địa chỉ chính xác với ít sự can thiệp. Insteon hỗ trợ 65,000 lệnh
khách nhau và là một trong những hệ thống tốt nhất để nâng cấp những chiếc công tắc
điện trong nhà. Insteon cũng tương thích một phần với X10, dĩ nhiên là chỉ với một số
loại thiết bị nhất định, có thể đổi mới hệ thống X10 cũ kỹ bằng công nghệ Insteon hoặc
nếu đang muốn tìm kiếm một giao tiếp không dây cho X10.
 Z-Wave (Nguồn tham khảo: www.z-wave.com/ )
Z-Wave là giao thức không dây hoạt động ở dải tần số 908.42MHz. Đây là công
nghệ khá mới phát triển khá mạnh những năm gần đây. Liên minh Z-Wave đã cho ra đời
hơn 1000 loại thiết bị khác nhau có thể giao tiếp với nhau cho phép người dùng có nhiều
NGUYỄN CÔNG CHIẾN - 20130390

19


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×