Khóa luận Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh: Quan sát và điều khiển trên PPC
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Trần Duy Hưng
XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU
KHIỂN NHÀ THÔNG MINH:
QUAN SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRÊN PPC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ thông tin
HÀ NỘI - 2009
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Trần Duy Hưng
XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU
KHIỂN NHÀ THÔNG MINH:
QUAN SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRÊN PPC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ thông tin
Cán bộ hướng dẫn: ThS. Vũ Quang Dũng
Cán bộ đồng hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thị Nhật Thanh
HÀ NỘI - 2009
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể Trường đại học Công Nghệ - Đại học Quốc
Gia Hà Nội trong những năm học qua đã tạo điều kiện cho em xây dựng, tích lũy
những kiến thức và bài học để em có thể hoàn thành khóa học.
Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong bộ môn Công Nghệ Phần Mềm
- khoa Công Nghệ Thông Tin, đã tận tình dạy dỗ và truyền đạt những kiến thức quý
báu, đồng thời bộ môn cũng đã tạo mọi điều kiện cho em hoàn thành bài nghiên cứu
khóa luận này.
Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy Vũ Quang Dũng và cô Nguyễn Thị Nhật Thanh
đã hướng dẫn tận tình và cùng chúng em giải quyết những khó khăn trong bài khóa
luận. Em xin cám ơn thầy, cô đã từng ngày nhắc nhở chúng em chăm chỉ nghiên cứu
và học tập, giúp chúng em đi đúng hướng và không xao nhãng công việc nghiên cứu.
Em xin cám ơn thầy, cô đã tỉ mỉ giúp chúng em sửa từ những lỗi nhỏ nhất trong bài
khóa luận.
Tôi xin cám ơn các bạn trong phòng nghiên cứu Toshiba-Coltech đã ủng hộ cả về
tinh thần lẫn trí tuệ trong suốt quá trình tìm hiểu và xây dựng hệ thống. Đặc biệt là hai
bạn trong nhóm nghiên cứu hệ thống giám sát và điểu khiển nhà thông minh: Nguyễn
Văn Hiển và Nguyễn Đình Anh Cương đã giúp đỡ và cùng tôi hoàn thành bài khóa
luận, góp phần hoàn thành cho bài toán chung.
Em xin cám ơn gia đình, bạn bè đã bên cạnh, ủng hộ và động viên em trong suốt
thời gian làm khóa luận.
Hà Nội, ngày 20/05/2009
Trần Duy Hưng
i
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
TÓM TẮT
Năm 1991, Weiser đưa ra thuật ngữ “tính toán khắp nơi” để “tăng cường một
cách không thấy thế giới đã tồn tại”, với đích là làm ẩn dụ giao diện ra khỏi tầm nhìn
của người dùng theo cách như hệ thống máy tính không hiện đối với ứng dụng tại nhà.
Hệ tính toán khắp nơi định nghĩa ra cách thức tương tác giữa các đối tượng tồn
tại độc lập như một thực thể riêng biệt trong môi trường truyền dẫn và tính toán được
gọi là môi trường tính toán khắp nơi. Nơi đó, các đối tượng được tương tác thông qua
một thiết bị cuối là điện thoại di động.
Theo những định nghĩa đó, hệ tính toán khắp nơi cho phép một sự tương tác qua
lại giữa các đối tượng với người sử dụng thông qua thiết bị đầu cuối. Thiết bị đầu cuối
này không cần thiết phải có cơ chế để giao tiếp với các thiết bị khác, mà chỉ cần có
một cách thức giao tiếp cơ bản – đủ mạnh, tức là đảm bảo nhanh, an toàn, phổ biến và
linh động – để có thể giao tiếp với tối thiểu máy tính.
Người sử dụng tương tác với các đối tượng khác thông qua thiết bị di động, thiết
bị di động sẽ gửi các lệnh, các tính toán tới máy tính để bàn, từ đây máy tính sẽ thu
gom các dữ liệu từ các đối tượng liên quan tới phép tính người sử dụng yêu cầu và
thực hiện các thuật toán, các phép toán. Kết quả trả về sẽ được máy tính gửi lại cho
thiết bị di động. Nhiệm vụ còn lại của thiết bị di động là hiển thị kết quả cho người
dùng theo dõi và đưa ra những quyết định tiếp theo. Về mặt lý thuyết, hệ tính khắp nơi
cơ bản là một thế giới ảo, trong đó có những đối tượng là những thực thể được định
danh và phân biệt. Các thực thể này làm những nhiệm vụ khác nhau hoặc cùng một
nhiệm vụ nhưng tại những vị trí khác nhau. Điều đó làm đa dạng và phức tạp trong hệ
tính toán nhưng bù lại là những phép đo chính xác và đầy đủ.
Sự khác biệt giữa các đối tượng trong môi trường tính toán khắp nơi và thế giới
thực là sự giao tiếp hạn chế giữa các đối tượng với nhau. Các đối tượng muốn giao tiếp
với nhau cần thiết phải thông qua một máy tính đặc biệt, đóng vai trò là trung tâm của
hệ tính toán khắp nơi thay vì giao tiếp trực tiếp với nhau. Đây cũng là một hạn chế và
là vấn đề chính mà bài khóa luận muốn đề cập đến. Mỗi đối tượng là một thực thể
riêng biệt, do đó cần phải có những cơ chế để định vị và phân biệt các đối tượng này
trong hệ tính toán khắp nơi.
Ngoài ra yếu tố mạng cũng là yếu tố quan trọng để quyết định thời gian tính toán
và tương tác. Do đó bài khóa luận sẽ tập trung vào hai phần chủ yếu:
ii
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
1. Đưa ra tiêu chí cho mạng giao tiếp sử dụng trong hệ thống giám sát và điều
khiển nhà thông minh. Nghiên cứu và đánh giá các mạng phổ biến để chọn lọc.
2. Cách thức phân biệt các thực thể và phân quyền người dùng cho từng ứng
dụng.
Trong bài khóa luận cũng sẽ nêu ra cách áp dụng lý thuyết và tư tưởng của hệ
tính toán khắp nơi vào hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh.
iii
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
MỤC LỤC
TÓM TẮT..................................................................................................................ii
MỤC LỤC.................................................................................................................iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................vi
DANH MỤC HÌNH VẼ...........................................................................................vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU.....................................................................................viii
Chương 1 GIỚI THIỆU..........................................................................................1
1.1
Tổng quát nhà thông minh..............................................................................2
1.1.1 Phân loại theo hệ thống kỹ thuật...............................................................2
1.1.2 Phân loại theo cơ chế thông minh.............................................................3
1.2
Hướng tiếp cận...............................................................................................3
1.2.1 Phạm vi chung bài toán ............................................................................3
1.2.1.1 Module nhận diện điều khiển qua IP Camera........................................4
1.2.1.2 Quan sát và điều khiển trên PPC...........................................................4
1.2.1.3 Module mô phỏng 3D...........................................................................4
1.2.2 Phạm vi module quan sát và điều khiển trên PPC.....................................5
1.2.2.1 Hạ tầng mạng........................................................................................5
1.2.2.2 Quản lý người dùng ..............................................................................5
1.2.2.3 Quản lý đối tượng.................................................................................5
Chương 2 GIẢI PHÁP MẠNG...............................................................................6
2.1
2.2
2.3
Bluetooth ........................................................................................................6
2.1.1 Khái quát .................................................................................................6
2.1.2 Đặc điểm..................................................................................................6
2.1.3 Ưu điểm...................................................................................................7
2.1.4 Nhược điểm .............................................................................................8
Wireless..........................................................................................................9
2.2.1 Khái quát .................................................................................................9
2.2.2 Các mô hình WLAN: ...............................................................................9
2.2.3 Ưu điểm.................................................................................................11
2.2.4 Nhược điểm ...........................................................................................12
So sánh công nghệ Bluetooth và Wireless .....................................................12
iv
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
Chương 3 QUAN SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRÊN PPC .......................................16
3.1
Mô tả hệ thống..............................................................................................16
3.1.1 Connection Manager..............................................................................16
3.1.1.1 Yêu cầu và chức năng.........................................................................17
3.1.1.2 Thiết kế...............................................................................................17
3.1.1.3 Thành phần kết nối .............................................................................18
3.1.1.4 Thành phần quản lý kết nối.................................................................18
3.1.1.5 Hoạt động...........................................................................................18
3.1.2 Data Manager.........................................................................................19
3.1.2.1 Yêu cầu và chức năng.........................................................................19
3.1.2.2 Thiết kế...............................................................................................20
3.1.2.3 Hoạt động...........................................................................................21
3.1.3 Session & Application Manager.............................................................23
3.1.3.1 Yêu cầu và chức năng.........................................................................23
3.1.3.2 Thiết kế...............................................................................................24
3.1.3.3 Session ...............................................................................................24
3.1.3.4 Application.........................................................................................24
3.1.3.5 Hoạt động...........................................................................................25
3.2
Biểu đồ tuần tự .............................................................................................25
3.2.1 Quản lý kết nối.......................................................................................25
3.2.2 Gửi dữ liệu.............................................................................................26
3.2.3 Phân luồng ứng dụng .............................................................................27
3.2.4 Luồng dữ liệu hệ thống ..........................................................................28
Chương 4 THỰC NGHIỆM..................................................................................30
4.1
4.2
Ghép nối module...........................................................................................30
Thực nghiệm.................................................................................................30
4.2.1 Yêu cầu cấu hình....................................................................................30
4.2.1.1 PPC ....................................................................................................30
4.2.1.2 PC.......................................................................................................30
4.2.2 Số liệu thực nghiệm ...............................................................................31
4.2.2.1 Thực nghiệm truyền dữ liệu................................................................31
4.2.2.2 Số liệu thực nghiệm sau khi ghép với các module khác.......................31
Chương 5 KẾT LUẬN...........................................................................................33
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................34
v
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
1.
2.
PPC: Pocket personal computer
PC: Personal computer
vi
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Mô hình hệ thống nhà thông minh................................................................4
Hình 2-1: Giao thức Obex............................................................................................7
Hình 2-2: Ứng dụng Bluetooth.....................................................................................8
Hình 2-3: mô hình mạng Ad-hoc ...............................................................................10
Hình 2-4: Mô hình mạng cơ sở ..................................................................................10
Hình 2-5: Mô hình mạng mở rộng .............................................................................11
Hình 3-1: Mô hình module quan sát và điều khiển trên PPC......................................16
Hình 3-2: Mô hình tầng quản lý kết nối .....................................................................17
Hình 3-3: Data Manager ............................................................................................19
Hình 3-4: Dữ liệu đối tượng.......................................................................................22
Hình 3-5: Vùng đối tượng đã được nhận diện ............................................................22
Hình 3-6: Mô hình quản lý Session và Aplication......................................................23
Hình 3-7: Context Analyzer.......................................................................................25
Hình 3-8: Quản lý kết nối ..........................................................................................26
Hình 3-9: Gửi dữ liệu.................................................................................................27
Hình 3-10: Phân luồng ứng dụng ...............................................................................28
Hình 3-11: Luồng dữ liệu hệ thống ............................................................................29
vii
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1: Bảng so sánh Bluetooth và wireless...........................................................12
Bảng 2-2: Thực nghiệm wireless và bluetooth ...........................................................14
Bảng 4-1: Thực nghiệm truyền dữ liệu.......................................................................31
Bảng 4-2: Dữ liệu tương tác.......................................................................................32
viii
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
Chương 1
GIỚI THIỆU
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ web, hạ tầng mạng và các ứng
dụng cho thiết bị nhúng, các thiết bị cầm tay thông minh càng chứng tỏ vị trí quan
trọng của mình trong cuộc các mạng chung của công nghệ và đóng vai trò không thể
thiếu trong đời sống con người đang dần trở nên bận rộn và có xu hướng di chuyển
nhiều.
Với những thiết bị cầm tay thông minh, con người mới chỉ dừng lại ở mức ứng
dụng nhỏ hoặc không phổ biến, trong khi thực tế những thiết bị cầm tay có thể giải
quyết được nhiều công việc hơn so với những tiềm năng vốn có.
Về hạn chế, các thiết bị nhúng dù phát triển nhưng vẫn luôn hạn chế cả về tốc độ tính
toán lẫn lưu trữ dữ liệu so với máy tính để bàn. Điều này dẫn đến xu hướng tính toán
tập trung và tải những phép tính phức tạp, đòi hỏi thời gian tính toán lớn lên máy tính,
thiết bị nhúng chỉ mang tính chất hiển thị kết quả. Nền tảng của lý thuyết hệ tính toán
khắp nơi (ubiquitous computing) là đẩy toàn bộ dữ liệu để xử lý tập trung, sau đó dữ
liệu tập trung này sẽ được gửi tới những thiết bị khác.
Một trong những ứng dụng của hệ thống tính toán khắp nơi là nhà thông minh
(smart house). Nhà thông minh (tiếng Anh: smart-home hoặc intelli-home) là kiểu nhà
được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hoá hoàn toàn hoặc bán tự
động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều
khiển…
Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet
đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối với internet và điện thoại di động, cho
phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động
theo lịch. Thêm vào đó, các đồ gia dụng có thể hiểu được ngôn ngữ của nhau và có
khả năng tương tác với nhau… (Theo từ điển Wikipedia).
Trong cuộc sống hiện đại, nhà thông minh dần trở thành một khái niệm quen
thuộc với mọi người và là một xu hướng tất yếu.
Nhà thông minh là sự kết hợp của nền tảng lý thuyết hệ tính toán khắp nơi, tương
tác người máy, nhận diện ảnh và kiến trúc tổng thể kỹ thuật.
1
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
1.1 Tổng quát nhà thông minh
Nhà thông minh cơ chế cơ bản là sự kết hợp giữa các thiết bị đo để đưa ra một
kết quả tổng quan nhất cho người dùng thông qua một thiết bị giao tiếp đặc biệt gọi là
bộ điều khiển. Giới hạn trong bài nghiên cứu này, bộ điều khiển là các thiết bị cầm tay
thông minh (smart phone, PPC…).
Nhà thông minh được phân loại dựa vào những tiêu chí đánh giá khác nhau. Cơ
bản nhà thông minh được phân làm hai loại: dựa vào hệ thống kỹ thuật và dựa vào cơ
chế thông minh.
1.1.1 Phân loại theo hệ thống kỹ thuật
Hệ thống điều khiển thông minh đi kèm với các thiết bị được lập trình sẵn, giao
tiếp với người sử dụng linh hoạt không phụ thuộc vào khoảng cách, vị trí và thường có
những hệ thống sau:
- Hệ thống an ninh: bao gồm các hệ thống cửa tự động, camera quan sát, đầu ghi
hình, bộ nhớ lưu trữ, bộ điều khiển trung tâm cho phép người sử dụng có thể nắm
được trực tiếp hay xem lại toàn bộ mọi hoạt động diễn ra ở các khu vực có thiết bị
kiểm soát. Hệ thống an ninh còn có thể báo động bằng còi, chiếu sáng, gọi đến các số
điện thoại cần thiết và có khả năng phong toả khu vực bị đột nhập.
- Hệ thống báo cháy và chữa cháy: hệ thống báo cháy cảm ứng khi có hiện tượng
cháy (nồng độ khói, nhiệt độ), và thông báo bằng âm thanh (loa, còi), đèn chiếu sáng.
Hệ thống chữa cháy tự động phun nước tại các nơi cần chữa cháy. Ở mức độ cao hơn,
hệ thống báo cháy, chữa cháy cho phép khoanh vùng và hướng dẫn phân luồng thoát
hiểm.
- Hệ thống thiết bị nhiệt: điều hoà nhiệt độ, lò sưởi, bình nước nóng...
- Hệ thống giải trí: truyền hình, đầu DVD, máy nghe nhạc…
- Hệ thống cấp nước: phòng vệ sinh, tưới vườn...
Tất cả các hệ thống thông minh trên có thể hoạt động theo lập trình hoặc cho
phép người sử dụng điều khiển từ xa, hoặc kiểm tra trạng thái thiết bị thông qua bộ
điều khiển từ xa (remote control), điện thoại di động hay internet.
2
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
1.1.2 Phân loại theo cơ chế thông minh
Có thể phân chia làm ba loại cơ chế hoạt động như sau:
- Cơ chế nhận diện: cơ chế nhận diện cho phép ghi nhớ những đặc điểm được cài
đặt sẵn trong bộ nhớ; trong trường hợp việc nhận diện xảy ra không trùng khớp, hệ
thống sẽ từ chối phục vụ hoặc báo động. Ví dụ như cổng, cửa gara chỉ mở với những
xe có biển số đã đăng ký với hệ thống, cửa tự động nhận diện vân tay chỉ mở đúng
người; trong khoảng thời gian đêm, nếu có người lạ mặt trong phòng khách hệ thống
sẽ báo động…
- Cơ chế lập trình sẵn: một số hệ thống thiết bị được thiết kế hoạt động theo lịch
trình nhất định. Ví dụ như bắt đầu từ 7 giờ tối đèn vườn, đèn bảo vệ tự động bật sáng
và tắt vào thời điểm 5 giờ sáng, 7 giờ sáng ti vi tại khu vực bếp tự động bật đúng
chương trình cài đặt để người ăn sáng có thể xem, 8 giờ sáng vòi nước tưới vườn hoạt
động trong 15 phút; 10 giờ đêm các hệ thống cửa tự động an toàn sẽ đóng lại…
- Cơ chế cảm ứng: cơ chế cảm ứng là một cơ chế linh hoạt, hoạt động trên sự
biến đổi trạng thái mà hệ thống cảm ứng ghi nhận để tự điều khiển phù hợp. Ví dụ: tại
cầu thang, vệ sinh, đèn sẽ tự động bật khi có người và tự động tắt sau một thời gian
nhất định khi không có người; hệ thống báo động sẽ thông báo khi cửa có những chấn
động cơ học hơn mức bình thường (do phá hoại, đột nhập), mái kính sẽ tự động đóng
lại khi có mưa, mành – rèm tự hoạt động ở trạng thái thích hợp nhất khi cảm ứng với
ánh nắng mặt trời, đèn tự động bật khi chiếu sáng tự nhiên không đủ…
1.2 Hướng tiếp cận
1.2.1 Phạm vi chung bài toán
Do hạn chế về mặt thời gian, nhân lực và vật lực, toàn bộ công trình nghiên cứu
khóa luận của chúng tôi sẽ triển khai xây dựng nhà thông minh theo cơ chế thông minh
như đã trình bày ở trên.
Hệ thống gồm 3 module: Module tương tác người máy, Module mô phỏng nhà
thông minh, Module nhận diện điều khiển trạng thái vật thể qua IP Camera. Mỗi
module quan hệ với nhau bởi một lớp giao diện - lớp dữ liệu.
3
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
Hình 1-1: Mô hình hệ thống nhà thông minh.
1.2.1.1 Module nhận diện điều khiển qua IP Camera
Nhận diện và khoanh vùng đối tượng theo từng miền xác định.
Output của Camera giám sát là hình ảnh chụp được từ nhà thông minh và khoanh vùng
đối tượng theo định dạng bao gồm: tọa độ góc dưới trái và góc trên phải của vật.
1.2.1.2 Quan sát và điều khiển trên PPC
- Quản lý người dùng, dữ liệu người dùng và các đối tượng trong nhà thông
minh.
- Quản lý các tương tác người dùng đối với nhà thông minh.
- Quản lý, phân bổ hạ tầng mạng và các kết nối.
1.2.1.3 Module mô phỏng 3D
- Mô phỏng nhà 3D và nhận các tương tác người dùng.
- Chuyển những tương tác người dùng thành các sự kiện trong nhà thông minh.
4
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
1.2.2 Phạm vi module quan sát và điều khiển trên PPC
Giới hạn phạm vi module quan sát và điều khiển trên PPC được xác định thông
qua các yêu cầu:
1.2.2.1 Hạ tầng mạng
- Đảm bảo dữ liệu thông suốt.
- Thời gian chuyển và xử lý lệnh đạt trung bình từ 300 - 400 ms trong điều kiện
tốt và từ 2000 - 3000 ms trong điều kiện mạng kém.
- Mạng truyền dữ liệu không dây nhưng vẫn đảm bảo tốc độ truyền tốt và số
lượng lớn người truy cập.
- Tính bảo mật cao. Có thể dễ dàng triển khai ngăn chặn các cuộc tấn công qua
sóng và môi trường truyền dẫn thông qua hoặc thiết bị bảo mặt, hoặc bởi thuật toán mã
hóa dữ liệu, bất chấp sự phình ra một cách tương đối của dữ liệu.
1.2.2.2 Quản lý người dùng
- Ngăn ngừa sự truy cập trái phép từ bên ngoài lên các đối tượng.
- Phân quyền đối tượng đối với từng người dùng và nhóm người dùng.
1.2.2.3 Quản lý đối tượng
- Dễ dàng truy cập tới các thông tin đối tượng và trạng thái đối tượng khi các
tầng khác yêu cầu.
- Dễ dàng ánh xạ giữa dữ liệu người dùng và dữ liệu đối tượng để nhận biết tính
phân quyền của người dùng trên một đối tượng cụ thể.
5
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
Chương 2
GIẢI PHÁP MẠNG
Công nghệ mạng không dây có thể sử dụng trong truyền dữ liệu, đáp ứng được
các tiêu chí cơ bản đề ra là Bluetooth, hồng ngoại và Wireless. Về cơ bản, Bluetooth là
sự cải thiện và phát triển từ hồng ngoại (IrDA), vì thế nên trong bài khóa luận, chúng
tôi chỉ đánh giá và so sánh hai mô hình mạng cơ bản là: Bluetooth và Wireless.
2.1 Bluetooth
2.1.1 Khái quát
Bluetooth là một đặc tả công nghiệp cho truyền thông không dây tầm gần giữa
các thiết bị điện tử. Công nghệ này hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua các khoảng cách
ngắn giữa các thiết bị di động và cố định, tạo nên các mạng cá nhân không dây
(Wireless Personal Area Network-PANs).
Bluetooth có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu 1Mb/s. Bluetooth hỗ trợ tốc độ
truyền tải dữ liệu lên tới 720 Kbps trong phạm vi 10 m–100 m. Khác với kết nối hồng
ngoại (IrDA), kết nối Bluetooth là vô hướng và sử dụng giải tần 2,4 GHz.
2.1.2 Đặc điểm
- OBEX (OBject EXchange) là giao thức trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị dùng
cổng hồng ngoại được hiệp hội IrDA (Infrared Data Association) đưa ra lần đầu tiên
năm 1997.
- Ban đầu, giao thức này chỉ giới hạn cho các thiết bị sử dụng môi trường ánh
sáng hồng ngoại, nhưng rất nhanh sau đó nó được tổ chức Bluetooth SIG (Bluetooth
Special Interest Group) đưa vào hầu hết các thiết bị Bluetooth của mình.
- Cũng giống như các giao thức khác, giao thức OBEX được xây dựng trên nền
mô hình OSI (Open Systems Interconnection) bao gồm hai thành phần chính:
OBEX session protocol (giao thức phiên OBEX): mô tả cấu trúc gói tin
trong phiên làm việc giữa hai thiết bị.
OBEX application framework: tập các dịch vụ OBEX cung cấp cho các ứng
dụng đầu cuối như truyền file, in ảnh...
6
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
Hình 2-1: Giao thức Obex
2.1.3 Ưu điểm
- Truyền dữ liệu giữa các thiết bị không cần cáp trong khoảng cách
trung bình (10m, có thể xa hơn với thiết bị đặc biệt).
- Sử dụng sóng radio ở băng tần không cần đăng ký 2.4GHz ISM
(Industrial, Scientific, Medical).
- Có khả năng xuyên qua vật thể rắn và phi kim, không cần phải truyền thẳng .
- Khả năng kết nối point-point, point-multipoint.
- Bluetooth sử dụng cùng một chuẩn giao thức nên mọi thiết bị
- Bluetooth đều có thể làm việc với nhau.
- Sử dụng ít năng lượng, thích hợp với các thiết bị di động có nguồn
năng lượng hạn chế.
- Có khả năng hỗ trợ 3 kênh thoại và 1 kênh dữ liệu.
7
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
- Có khả năng bảo mật từ 8Æ128bit.
- Thiết bị nhỏ gọn, số lượng thiết bị hỗ trợ Bluetooth ngày càng nhiều
và đa dạng.
- Giá thành thiết bị rẻ, truyền dữ liệu miễn phí.
- Thiết lập kết nối dễ dàng và nhanh chóng, không cần access point.
- Sử dụng được ở bất cứ nơi nào.
- Được đỡ đầu bởi 9 tập đoàn khổng lồ, và ngày càng có nhiều tổ chức
tham gia vào vì thế Bluetooth ngày càng được phát triển hoàn thiện và
mạnh mẽ hơn.
2.1.4 Nhược điểm
- Do sử dụng mô hình adhoc nên không thể thiết lập các ứng dụng thời gian
thực.
- Khoảng cách kết nối còn ngắn so với các công nghệ mạng không dây khác.
- Số thiết bị active, pack cùng lúc trong một piconect còn hạn chế.
- Tốc độ truyền của Bluetooth không cao.
- Bị nhiễu bởi một số thiết bị sử dụng sóng radio khác, các trang thiết bị khác.
- Bảo mật còn thấp.
Hình 2-2: Ứng dụng Bluetooth
8
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
2.2 Wireless
2.2.1 Khái quát
WLAN là một loại mạng máy tính nhưng việc kết nối giữa các thành phần trong
mạng không sử dụng các loại cáp như một mạng thông thường, môi trường truyền
thông của các thành phần trong mạng là không khí. Các thành phần trong mạng sử
dụng sóng điện từ để truyền thông với nhau.
2.2.2 Các mô hình WLAN:
Gồm 3 mô hình mạng sau:
- Mô hình mạng độc lập (IBSSs) hay còn gọi là mạng Ad hoc : Bao gồm các
điểm truy nhập AP (Access Point) gắn với mạng đường trục hữu tuyến và giao tiếp với
các thiết bị di động trong vùng phủ sóng của một cell. AP đóng vai trò điều khiển cell
và điều khiển lưu lượng tới mạng. Các thiết bị di động không giao tiếp trực tiếp với
nhau mà giao tiếp với các AP.
- Mô hình mạng cơ sở (BSSs) : Bao gồm các điểm truy nhập AP (Access Point)
gắn với mạng đường trục hữu tuyến và giao tiếp với các thiết bị di động trong vùng
phủ sóng của một cell. AP đóng vai trò điều khiển cell và điều khiển lưu lượng tới
mạng. Các thiết bị di động không giao tiếp trực tiếp với nhau mà giao tiếp với các AP.
- Mô hình mạng mở rộng(ESSs) : Mạng 802.11 mở rộng phạm vi di động tới
một phạm vi bất kì thông qua ESS. Một ESSs là một tập hợp các BSSs nơi mà các
Access Point giao tiếp với nhau để chuyển lưu lượng từ một BSS này đến một BSS
khác để làm cho việc di chuyển dễ dàng của các trạm giữa các BSS, Access Point thực
hiện việc giao tiếp thông qua hệ thống phân phối.
9
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
Hình 2-3: mô hình mạng Ad-hoc
Hình 2-4: Mô hình mạng cơ sở
10
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
Hình 2-5: Mô hình mạng mở rộng
2.2.3 Ưu điểm
Sự tiện lợi: Mạng không dây cũng như hệ thống mạng thông thường. Nó cho
phép người dùng truy xuất tài nguyên mạng ở bất kỳ nơi đâu trong khu vực được triển
khai(nhà hay văn phòng). Với sự gia tăng số người sử dụng máy tính xách tay(laptop),
đó là một điều rất thuận lợi.
Khả năng di động: Với sự phát triển của các mạng không dây công cộng, người
dùng có thể truy cập Internet ở bất cứ đâu. Chẳng hạn ở các quán Cafe, người dùng có
thể truy cập Internet không dây miễn phí.
Hiệu quả: Người dùng có thể duy trì kết nối mạng khi họ đi từ nơi này đến nơi
khác.
Triển khai: Việc thiết lập hệ thống mạng không dây ban đầu chỉ cần ít nhất 1 access
point. Với mạng dùng cáp, phải tốn thêm chi phí và có thể gặp khó khăn trong việc
triển khai hệ thống cáp ở nhiều nơi trong tòa nhà.
Khả năng mở rộng: Mạng không dây có thể đáp ứng tức thì khi gia tăng số
lượng người dùng. Với hệ thống mạng dùng cáp cần phải gắn thêm cáp
11
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
2.2.4 Nhược điểm
Bảo mật: Môi trường kết nối không dây là không khí nên khả năng bị tấn công
của người dùng là rất cao.
Phạm vi: Một mạng chuẩn 802.11g với các thiết bị chuẩn chỉ có thể hoạt động
tốt trong phạm vi vài chục mét. Nó phù hợp trong 1 căn nhà, nhưngvới một tòa nhà lớn
thì không đáp ứng được nhu cầu. Để đáp ứng cần phải mua thêm Repeater hay access
point, dẫn đến chi phí gia tăng.
Độ tin cậy: Vì sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông nên việc bị nhiễu, tín hiệu
bị giảm do tác động của các thiết bị khác(lò vi sóng,….) là không tránh khỏi. Làm
giảm đáng kể hiệu quả hoạt động của mạng.
Tốc độ: Tốc độ của mạng không dây (1- 125 Mbps) rất chậm so với mạng sử
dụng cáp(100Mbps đến hàng Gbps).
2.3 So sánh công nghệ Bluetooth và Wireless
Từ những nghiên cứu trên, ta có bảng so sánh lý thuyết:
Bảng 2-1: Bảng so sánh Bluetooth và wireless
STT
Tiêu chí
Wireless
Bluetooth
Phiên bản không dây của
chuẩn Ethernet
Thay thế cáp cá nhân
(wireless USB) cho nhiều
ứng dụng khác nhau.
Truy cập mạng không
dây với khoảng cách
trung bình.
Sử dụng điển
(wirelessEthernet), chỉ thay
thế cáp cho truy cập mạng
hình
1
(Typical usage)
LAN. Truy cập mạng không
dây với khoảng cách dài.
1 Mbps, chia sẻ.
Version 1.1 và 1.2 là
723.1 Kbps, version 2.0
là 2.1 Mbps, thấp hơn
khi bị nhiễu.
11 Mbps, chia sẻ.
2
3
Băng thông
2 đến 3 Mbps với WEP.
Nhiễu
Các thiết bị sử dụng sóng
Các thiết bị sử dụng sóng
12
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
radio khác, các vật liệu xây
dựng, trang thiết bị.
radio khác, các vật liệu
xây dựng, trang thiết bị.
Không an toàn nếu
không bảo vệ tốt. Cần giải
quyết những trục trặc của
mạng, truy cập bất hợp pháp,
hi-jacking,
Bảo mật thấp. Liên kết
được thiết lập ở mức độ
"Đánh hơi mạng" (hay còn gọi
là dò tìm lỗ hổng mạng thông
qua việc dò tuần tự các gói tin
sự thẩm định quyền
(authentication). Khó
khăn hơn cho traffic
sniffing. Vẫn còn phụ
thuộc vào sự thẩm định
quyền ở cấp độ ứng dụng
và sự mật hoá.
ở cổng mạng khác nhau), đánh
cắp phiên làm việc và truy cập
trái
4
Bảo mật
phép. Liên kết mức độ WEP
dễ bị bẻ gãy. Tin cậy
vào những truy cập ở
cấp độ ứng dụng và sự
mật hoá.
Khá cao.
Tiêu thụ năng
lượng
Thời gian sử dụng pin rất ngắn
do tiêu thụ nhiều năng lượng
và duy trì kết nối.
5
Thấp.
Khoảng cách
(ngoài trời)
200 m - 11 Mbps.
500 m - 1 Mbps.
6
7
8
30 m-100 m
10 m-30 m.
79
Khoảng cách
40 m - 11 Mbps.
100 m - 1 Mbps.
(trong nhà)
11 DSSS.
Số kênh
79—FHSS.
13
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
Năng lượng
20 dBm—FHSS.
truyền
9
20 dBm
30 dBm—DSSS.
tối đa
2.4GHz -b/g
5.8GHz – a
10
11
Tần số
2.4GHz
Giá thành
Cao
Thấp
Hỗ trợ trong một số
laptop hiện đại, PPC:
đòi external H/W card,
Notebook computer,
desktop computer,
server.
Hỗ trợ trong laptop hiện
đại, nhiều điện thoại di
động, PPC, thiết bị điện
tử, thiết bị tự động trong
công nghiệp và văn
phòng
12
Thiết bị hỗ trợ
Ở trong tầm hoạt động
của các thiết bị WLAN,
thường là trong các toà
nhà.
Bất cứ nơi nào có ít nhất
2 thiết bị Bluetooth.
13
14
Vị trí sử dụng
Số thiết bị có thể
truy cập đồng
thời
Nhiều, chia sẻ.
Tối đa 8, chia sẻ.
IP&P2P.
P2P.
Thực nghiệm đo đạc thông qua đồng bộ thời gian trên PC và PPC. Với thời gian
(ms) và dung lượng truyền (B và Kb) được tính trung bình trong điều kiện tải là 1 PPC
và 1 PC. Môi trường truyền dữ liệu trong nhà, khoảng cách với wireless là 30m và
Bluetooth là 10m.
Bảng 2-2: Thực nghiệm wireless và bluetooth
STT Loại dữ liệu Dung lượng
Thời gian truyền
Thời gian
14
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
đóng gói
Wireless
800 ms
Bluetooth
1200ms
1
2
DL đăng nhập
15K
1B
5ms
0ms
DL ping
server
20ms
30ms
300ms
50ms
40ms
50ms
700ms
90ms
DL chuyển
ứng dụng
3
4
5
1B
5K
1B
0ms
5ms
0ms
DL chuyển
đối tượng
DL chuyển
kết nối
DL chuyển
trạng thái đối
tượng
6
7
15K
10ms
50ms
1000ms
2000ms
1800ms
3500ms
DL đối tượng
300K
DL nhận diện
8
250K
50ms
1500ms
2700ms
(hình ảnh và
tọa độ)
Như vậy, với những yêu cầu hạ tầng mạng đặt ra cho ứng dụng thì công nghệ
Bluetooth không thể đáp ứng đầy đủ như wireless. Trong phạm vi nghiên cứu khóa
luận, việc chon ra kết nối tốt nhất để thực thi truyền dữ liệu là vô cùng quan trọng, vì
thế, chúng tôi quyết định chọn wireless trong bước đầu xây dựng ứng dụng của nhóm.
15
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
Chương 3
QUAN SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRÊN PPC
Module quan sát và điều khiển trên PPC quản lý các thông tin về người dùng, kết
nối, dữ liệu tương tác giữa PPC và PC.
Hình 3-1: Mô hình module quan sát và điều khiển trên PPC
3.1 Mô tả hệ thống
3.1.1 Connection Manager
Tầng quản lý kết nối làm nhiệm vụ cung cấp kết nối tin cậy và truyền dữ liệu với
thời gian phù hợp cho các ứng dụng nhà thông minh.
16
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
Hình 3-2: Mô hình tầng quản lý kết nối
3.1.1.1 Yêu cầu và chức năng
- Quản lý các kết nối, đảm bảo dữ liệu được truyền đi bảo mật và toàn vẹn.
- Tốc độ truyền dữ liệu được đảm bảo chạy ổn định và không bị nghẽn lệnh với
các ứng dụng trên PPC.
- Độc lập và ẩn với các tầng khác.
- Module mở giúp khả năng phát triển với các loại kết nối dữ liệu khác phù hợp
hơn và cho phép người dùng phát triển về sau.
3.1.1.2 Thiết kế
Tầng này bao gồm hai thành phần chính :
- Lõi các kết nối chương trình: bao gồm nhiều thành phần kết nối.
- Thành phần quản lý kết nối.
17
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
3.1.1.3 Thành phần kết nối
Là mức độ thấp nhất của tầng quản lý kết nối. Thành phần kết nối định nghĩa ra
loại kết nối và hình thức kết nối. Ví dụ: wireless, Bluetooth, hồng ngoại…Với những
khuôn khổ truyền dữ liệu, mỗi thành phần kết nối phải đảm bảo tối thiểu các chức
năng mà hệ thống yêu cầu. Ví dụ có thể gửi hình ảnh với một độ trễ cho phép.
Hiện tại trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu khóa luận và giới hạn về thời gian,
chương trình chỉ sử dụng kết nối wireless.
3.1.1.4 Thành phần quản lý kết nối
Thành phần quản lý định nghĩa ra cách dữ liệu trao đổi giữa hai hệ thống và độc
lập hoàn toàn với thành phần kết nối. Nghĩa là thành phần này chỉ yêu cầu thành phần
kết nối phải được cả hai thiết bị hỗ trợ và tốc độ truyền dữ liệu cũng như các tiêu chí
truyền dữ liệu khác phải được đảm bảo trên mức tối thiểu.
Tầng quản lý hỗ trợ người dùng tối đa trong việc cấu hình kết nối.
3.1.1.5 Hoạt động
Trên PPC
- Khi có yêu cầu gửi dữ liệu từ các tầng trên, tầng quản lý kết nối nhận biết kết
nối hiện thời đang sử dụng và gọi kết nối đó tùy thuộc mục đích sử dụng.
- Khi được tầng quản lý gọi, tầng kết nối phải cung cấp các dữ liệu cho việc mở
kết nối và gửi dữ liệu.
- Tầng quản lý sẽ hủy các loại kết nối không được sử dụng và chỉ giữ duy nhất
một loại kết nối mà người dùng đã chọn.
Trên PC
- Thành phần quản lý trên PC duy trì các thành phần kết nối hiện có. Các thành
phần kết nối này luôn trong tình trạng chờ dữ liệu từ PPC gửi sang. Với mô hình quản
lý đa người dùng, tại một thời gian cụ thể luôn tồn tại những thành phần kết nối khác
nhau. Các thành phần kết nối được sử dụng tùy vào vị trí và tính chất của người dùng.
Ví dụ: nếu người dùng đang trong phòng thì có thể không cần sử dụng các kết
nối tốc độ cao hơn như wireless… mà chỉ cần sử dụng Bluetooth để tiết kiệm nguồn
hơn.
18
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
Hình 3-3: Data Manager
3.1.2 Data Manager
3.1.2.1 Yêu cầu và chức năng
Trên PC
- Quản lý dữ liệu của tầng kết nối: trạng thái kết nối, loại kết nối, biến truy cập…
- Quản lý dữ liệu của người dùng: tài khoản sử dụng, phân cấp người dùng, csdl
về tài khoản sử dụng…
- Quản lý tài nguyên và trạng thái các ứng dụng của những người dùng đang truy
cập.
- Quản lý dữ liệu nhà thông minh và các đối tượng trong nhà thông minh.
- Quản lý dữ liệu hình ảnh trong nhà thông minh. Khi người dùng muốn xem các
đối tượng trong nhà thông minh để điều chỉnh, tầng ứng dụng sẽ lấy dữ liệu này để gửi
sang PPC.
Trên PPC
19
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
- Quản lý dữ liệu của tầng kết nối.
- Quản lý tài nguyên và trạng thái ứng dụng người dùng đang sử dụng.
- Quản lý dữ liệu nhà thông minh và các đối tượng trong nhà thông minh.
3.1.2.2 Thiết kế
Trên PC
Tồn tại hai CSDL: Người dùng và đối tượng.
- CSDL người dùng bao gồm: thông tin về tài khoản, phân cấp người dùng. Mật
khẩu của người dùng sẽ được mã hóa một chiều MD5. Sở hữu đối tượng với người
dùng - tức là sẽ có giới hạn một nhóm người dùng trong toàn bộ người dùng được
quyền điều khiển một đối tượng.
- CSDL đối tượng bao gồm: thông tin trạng thái, thuộc tính và các tính chất của
đối tượng.
- Người dùng cao nhất có quyền điều khiển các thông số về người dùng và đối
tượng bằng một công cụ hỗ trợ trên Server.
- Đối với người dùng, dữ liệu đồ vật là một cấu trúc bao gồm các thuộc tính, tính
chất, tên, nhóm người dùng quản lý…- mang tính chất quản lý về mặt số lượng và
không bao hàm nhiều đến các vấn đề kỹ thuật.
- Đối với chương trình, dữ liệu đối tượng cần được thể hiện trên PPC theo hình
ảnh và được nhận diện thông qua một hình chữ nhật, người dùng có thể sử dụng hình
chữ nhật này để điều khiển đối tượng, vì vậy dữ liệu đồ vật là một cấu trúc đơn giản
bao gồm 3 thành phần: ID của đối tượng, tọa độ góc dưới cùng bên trái và tọa độ góc
trên cùng bên phải của đồ vật.
- Vùng dữ liệu đồ vật - là dữ liệu quản lý trong một phạm vi cụ thể mà do người
dùng có yêu cầu và được camera giám sát khoanh vùng, được tầng quản lý dữ liệu lưu
trữ theo dữ liệu đối tượng.
- Các dữ liệu khác được lưu trữ khi chương trình gọi ứng dụng tương ứng.
Trên PPC
- Trên PPC tồn tại duy nhất một CSDL đối tượng.
- Các dữ liệu khác được lưu trữ khi chương trình gọi ứng dụng tương ứng.
20
Tải về để xem bản đầy đủ
44 trang
05/07/2025
70
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh: Quan sát và điều khiển trên PPC", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- khoa_luan_xay_dung_he_thong_giam_sat_va_dieu_khien_nha_thong.pdf
