Nghiên cứu, thiết kế hệ thống Điều khiển thiết bị Điện dùng bluetooth

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống Điều khiển thiết bị Điện dùng bluetooth, IOT Nghiên cứu, thiết kế hệ thống Điều khiển thiết bị Điện dùng bluetooth

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập tại trường em luôn được sự quan tâm, hướngdẫn tận tình từ các thầy, cô giáo trong Khoa Điện tử Viễn thông và các bạn sinhviên trong khoa.

Lời đầu tiên, em xin gửi lòng biết ơn sâu sắc tới nhà trường, Khoa Điện tửViễn thông và các bạn sinh viên cùng khoá đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiệncho em hoàn thành đề tài nghiên cứu một cách tốt nhất.

Đặc biệt, em sẽ không thể hoàn thành tốt công việc của mình nếu khôngcó sự quan tâm tận tình của thầy Phùng Văn Quyền Em xin gửi lời cảm ơn chânthành nhất tới thầy.

Trong quá trình thực hiện đề tài, em đã cố gắng nỗ lực, tuy nhiên cũngkhông thể tránh khỏi những sai sót Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp từthầy, cô giáo và các bạn sinh viên để kiến thức của em trong đề tài này đượchoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

1.1.4 IOT trong tương lai 5

1.1.5 Thách thức trong việc triển khai hệ thống IOT 5

1.2 Một số chuẩn giao tiếp không dây trong IOT 6

1.3 Một số chuẩn giao tiếp có dây trong IOT 12

1.3.1 Chuẩn giao tiếp I2C 12

1.3.2 Chuẩn giao tiếp SPI 13

1.3.3 Chuẩn giao tiếp Ethernet 15

1.3.4 Chuẩn giao tiếp USB 16

1.3.5 Chuẩn giao tiếp UART 17

1.4 Tìm hiểu chi tiết về công nghệ Bluetooth BLE 18

1.4.1 Công nghệ Bluetooth BLE là gì? 18

1.4.2 Vai trò của BLE trong thiết bị 19

1.4.3 Giao tiếp BLE hoạt động như thế nào? 19

1.4.4 Sự khác biệt giữa Bluetooth Classic và Bluetooth Low Energy 20

1.4.5 Ứng dụng của BLE 21

1.4.6 Ưu và nhược điểm của BLE 22

CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 24

2.1.6 Máy bơm chìm mini 5V 35

2.1.7 Máy phun sương 12V 36

2.1.8 Module Relay 4 kênh 5 VDC 36

3.2.1 Lưu đồ thuật toán 46

3.2.2 Code trên Arduino IDE 47

3.2.3 Giao diện phần mềm MIT APP Inventor trên Android 53

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

- LAN: viết tắt của Local Area Network tạm dịch là mạng máy tính nộibộ, giao tiếp này cho phép các máy tính kết nối với nhau để cùng làm việc vàchia sẻ dữ liệu.

- WAN: viết tắt của Wide Area Network, hay còn gọi là mạng diện rộngđược kết hợp giữa các mạng đô thị bao gồm cả mạng MAN và mạng LAN thôngqua thiết bị vệ tinh, cáp quang, cáp dây điện Mạng diện rộng được tạo ra nhằmkết nối trên một diện tích lớn có quy mô trên quốc gia.

- USB: viết tắt của Universal Serial Bus, là cổng kết nối cáp tiêu chuẩncho máy tính cá nhân và những thiết bị điện tử tiêu dùng.

- UART: viết tắt của Universal Asynchronous Receiver Transmitter là bộtruyền nhận nối tiếp bất đồng bộ.

- PWM: viết tắt của Pulse-width modulation hay Điều chế độ rộng xung.

Hình 1.9: Các thế hệ của công nghệ truyền thông di động 12

Hình 1.10: Giao tiếp I2C 13

Hình 1.11: Giao tiếp SPI 14

Hình 1.12: Giao tiếp Ethernet 15

Hình 1.13: Giao tiếp USB 16

Hình 1.14: Giao tiếp UART 17

Hình 1.15: Bluetooth BLE 18

Hình 1.16: So sánh Classic Bluetooth và Bluetooth BLE 20

Hình 2.1: Arduino UNO R3 pinouts 24

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc Arduino UNO R3 25

Hình 2.3: Sơ đồ chân của ATmega328P 26

Hình 2.10: Máy bơm chìm mini 5V 35

Hình 2.11: Máy phun sương 12V 36

Hình 2.12: Module relay 4 kênh 36

Hình 2.13: Module relay mức thấp và cao 37

Hình 2.14: Arduino IDE 39

Hình 2.15: MIT APP INVENTOR 40

Hình 2.16: Giao diện quản lý project 41

Hình 2.17: Giao diện thiết kế (Design) 41

Hình 2.18: Giao diện lập trình (Blocks) 42

Hình 2.19: Fritzing 43

Hình 3.1: Sơ đồ khối 44

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý 45

Hình 3.3: Mạch thực tế 45

Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán 46

Hình 3.5: Giao diện Arduino IDE 47

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay trên thế giới với sự bùng nổ của các ngành công nghệ thông tin,điện tử đã làm cho đời sống của con người ngày càng hoàn thiện Các thiết bịthông minh đã ngày càng được ứng dụng vào cuộc sống sinh hoạt hằng ngày củamỗi con người Đặc biệt, smartphone đã trở thành một phần quen thuộc trongcuộc sống thường nhật của mỗi cá nhân và nhu cầu ứng dụng các ứng dụng củasmartphone vào đời sống ngày càng thiết thực Đặc biệt trong những năm gầnđây công nghệ truyền nhận dữ liệu không dây đang có những bước phát triểnmạnh mẽ Trong số đó, Bluetooth là một trong những công nghệ lâu đời vàkhông ngừng được nâng cấp từng ngày Đặc biệt là công nghệ Bluetooth LowEnergy (BLE) có công suất tiêu thụ cực thấp (chỉ khoảng vài chục µA khi hoạtđộng), các bo mạch hỗ trợ BLE có thể có kích thước rất nhỏ nên có thể sử dụngcho các thiết bị nhỏ gọn như vòng đeo tay thông minh.

Chính vì vậy, với nhu cầu thông minh hóa các thiết bị điện tử trong đờisống hằng ngày, em xin được trình bày một ứng dụng IoT trong thực tế điềukhiển thiết bị điện và truyền nhận dữ liệu sử dụng điện thoại Android qua sóngBluetooth BLE để nâng cao chất lượng cuộc sống con người và đáp ứng các nhucầu ngày càng mạnh mẽ trong thời đại công nghệ số.

ĐỒ ÁNChương 1: Tổng quan

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Khái niệm về hệ thống IOT

1.1.1 IOT là gì?

IoT là viết tắt của “Internet of Things”, đề cập đến hàng tỷ thiết bị vật lý

trên khắp thế giới hiện được kết nối với internet, tất cả đều thu thập và chia sẻdữ liệu Các thiết bị vật lý này được thêm các cảm biến, được lập trình hoặc sửdụng bất kỳ một công nghệ nào đó, cho phép chúng giao tiếp dữ liệu thời gianthực mà không cần đến con người Nhờ sự xuất hiện của chip máy tính siêu rẻvà sự phổ biến của mạng không dây, có thể biến mọi thứ, từ nhỏ như viên thuốcđến lớn như máy bay, thành một phần của IoT.

1.1.2.Cấu trúc của hệ thống IOT

IoT có kiến trúc không được thống nhất trên toàn cầu Thế nhưng địnhdạng cơ bản và phổ biến rộng rãi nhất là cấu trúc IoT ba lớp Mô hình được giớithiệu lần đầu tiên ở các nghiên cứu sớm nhất về Internet of Things gồm ba tầng:Perception, Network, và Application.

Application: lớp ứng dụng chịu trách nhiệm cung cấp các dịch vụ, ứng

dụng cụ thể cho người dùng tương tác Ví dụ khi triển khai nhà thông minh,trong đó người dùng nhấn vào một nút trong ứng dụng để bật máy pha cà phê.

Network: dữ liệu được thu thập cần được truyền và xử lý Lớp mạng kết

nối các thiết bị ở trên với các đối tượng thông minh, máy chủ và thiết bị mạngkhác.

Perception: chính là lớp vật lý của kiến trúc, nơi tồn tại các cảm biến và

các thiết bị được kết nối thu thập nhiều lượng dữ liệu khác nhau theo nhu cầucủa dự án Tầng này bao gồm các thiết bị biên (edge), cảm biến và thiết bịtruyền động tương tác với môi trường.

Hình 1.1: Mô hình IoT

1.1.3 Cách thức IOT vận hành

Một hệ sinh thái IoT bao gồm các thiết bị web-enabled (web kích hoạt)thông minh được nhúng vào trong hệ thống, chẳng hạn như bộ xử lý, cảm biếnvà phần cứng truyền thông, để thu thập, gửi và thực hiện hành động trên dữ liệumà chúng thu thập được Dữ liệu thu thập có thể đơn giản là nhiệt độ, độ ẩm hoặc phức tạp hơn là video, hình ảnh…

Các thiết bị IoT chia sẻ dữ liệu cảm biến mà chúng thu thập được bằngcách kết nối với cổng IoT hoặc thiết bị cảm biến khác, nơi dữ liệu được gửi lêncloud (đám mây) để phân tích hoặc phân tích cục bộ Đôi khi, các thiết bị nàygiao tiếp với các thiết bị liên quan khác và hoạt động dựa trên thông tin chúngnhận được từ nhau Các thiết bị thực hiện hầu hết công việc mà không có sự canthiệp của con người, mặc dù mọi người có thể tương tác với các thiết bị.

Các giao thức kết nối, mạng và cách thức giao tiếp được sử dụng với cácthiết bị web-enabled này phần lớn phụ thuộc vào các ứng dụng IoT cụ thể đượctriển khai.

IoT cũng có thể tận dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và máy học để giúp cho quá trình thu thập dữ liệu trở nên dễ dàng và chủ động hơn.

Hình 1.2: Cách thức vận hành hệ thống IOT

 Thiết bị đeo thông minh (Wearable) Ô tô

 Công nghiệp Nông nghiệp Smart City

 Tiết kiệm năng lượng Chăm sóc sức khỏe Khách sạn, du lịch Quản lý thiên tai

 Phân tích dữ liệu lớn (Big Data Analytics) Máy đọc mã vạch thông minh

Tác động của IOT rất đa dạng, trên các lĩnh vực: quản lý hạ tầng, y tế, xâydựng và tự động hóa, giao thông Nhà thông minh là một ví dụ điển hình vềIoT Trong ngôi nhà thông minh các thiết bị điện tử dân dụng như đèn, quạt,máy lạnh có thể được kết nối với nhau thông qua mạng internet Sự kết nối

này cho phép người dùng vận hành các thiết bị này từ xa Một ngôi nhà thôngminh có khả năng điều khiển ánh sáng, quản lý năng lượng, mở rộng và truy cậptừ xa.

1.1.4 IOT trong tương lai

Internet của những thứ thiết bị như máy móc và cảm biến dự kiến sẽ tạora 79,4 Zettabyte dữ liệu vào năm 2025, được dự đoán bởi IDC (InternationalData Corporation) Ngoài ra, IOT sẽ tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng képhàng năm là 28,7% so với năm 2020 đến năm 2025.

Theo dự báo của Phòng nghiên cứu statista, 75,44 tỷ thiết bị sẽ được kếtnối với IOT trên toàn thế giới vào năm 2025 Công nghệ internet IOT là bướcquan trọng tiếp theo trong việc biến thế giới thành một nơi kết nối.

Vì thế, Internet of Thing đang là chìa khóa của thành công trong tương lai.

1.1.5 Thách thức trong việc triển khai hệ thống IOT

Các lỗ hổng bảo mật (quyền riêng tư, phá hoại, từ chối dịch vụ): Việc cáchacker tấn công vào các mục tiêu quan trọng sẽ khiến mối nguy hiểm này rấtlớn Rõ ràng, hậu quả của việc phá hoại và từ chối dịch vụ có thể nghiêm trọnghơn nhiều so với xâm nhập quyền riêng tư cá nhân Nếu có sự thay đổi tỷ lệ phatrộn chất khử trùng tại nhà máy xử lý nước hoặc dừng hệ thống làm mát tại nhàmáy điện hạt nhân có khả năng khiến cả thành phố gặp nguy hiểm ngay lập tức.

Tính quyết định của mạng: Điều này rất quan trọng đối với hầu hết cáclĩnh vực có thể sử dụng IoT, như trong các ứng dụng điều khiển, bảo mật, sảnxuất, vận chuyển, cơ sở hạ tầng nói chung và các thiết bị y tế Việc sử dụng đámmây hiện tại có độ trễ khoảng 200 mili giây trở lên Điều này phù hợp cho hầuhết các ứng dụng, nhưng không phải cho bảo mật hoặc các ứng dụng khác yêucầu phản hồi nhanh chóng, cần lập tức Ví dụ như một kích hoạt từ hệ thốnggiám sát an ninh nhận được sau năm giây có thể là quá muộn.

Thiếu một kiến trúc và tiêu chuẩn hóa chung: Sự phân mảnh liên tục trongquá trình triển khai IoT sẽ làm giảm giá trị và tăng chi phí cho người dùng cuối.Hầu hết các sản phẩm đều nhắm mục tiêu các lĩnh vực rất cụ thể Một số nguyên

nhân của sự phân mảnh này là do lo ngại về bảo mật và quyền riêng tư, cố gắngchiếm lĩnh thị trường, cố gắng tránh các vấn đề với tài sản trí tuệ của đối thủcạnh tranh và hiện tại thiếu sự lãnh đạo rõ ràng trong lĩnh vực này.

Khả năng mở rộng: Điều này hiện không phải là vấn đề lớn, nhưng nóchắc chắn sẽ trở thành một vấn đề chủ yếu liên quan đến đám mây khi số lượngthiết bị hoạt động tăng lên Điều này sẽ tăng băng thông dữ liệu cần thiết và thờigian cần thiết để xác minh giao dịch.

Hạn chế của các cảm biến hiện tại: Các loại cảm biến cơ bản, chẳng hạnnhư nhiệt độ, ánh sáng, chuyển động, âm thanh, màu sắc, radar, máy quét laser,siêu âm và tia X, đã khá hiệu quả Hơn nữa, những tiến bộ gần đây trong vi điệntử, cùng với những tiến bộ trong cảm biến trạng thái rắn, sẽ làm cho các cảmbiến trần ít trở thành vấn đề trong tương lai Thách thức sẽ là làm sao cho cảmbiến có thể hoạt động tốt trong môi trường đông đúc, ồn ào và phức tạp hơn.Việc áp dụng các thuật toán tương tự như logic mờ hứa hẹn sẽ làm giảm vấn đềnày trong tương lai.

Nguồn điện nằm ngoài mạng lưới: Mặc dù Ethernet, WIFI, 3G và Bluetoothđã có thể giải quyết hầu hết các vấn đề kết nối bằng cách cung cấp cho các thiếtbị khác nhau các hình thức khác nhau, tuy nhiên hạn chế về thời lượng pin vẫncòn Hầu hết các điện thoại thông minh vẫn cần phải được sạc mỗi ngày và hầuhết các cảm biến vẫn cần thay pin thường xuyên hoặc kết nối với lưới điện Sẽcó một sự khác biệt nếu năng lượng có thể được phát không dây đến các thiết bịnhư vậy từ xa hoặc nếu nguồn năng lượng có thể tồn tại ít nhất một năm có thểđược tích hợp vào các cảm biến.

1.2 Một số chuẩn giao tiếp không dây trong IOT

1.2.1 Bluetooth

Một công nghệ giao tiếp truyền thông trong khoảng cách ngắn vô cùngquan trọng, đó là Bluetooth Hiện nay, bluetooth xuất hiện hầu hết ở các thiết bịnhư máy tính, điện thoại/smartphone,…và nó được dự kiến là chìa khóa cho các

sản phẩm IoT đặc biệt, cho phép giao tiếp thiết bị với các smartphone – một “thếlực hùng hậu” hiện nay.

Hiện nay, BLE – Bluetooth Low Energy – hoặc Bluetooth Smart là mộtgiao thức được sử dụng đáng kể cho các ứng dụng IoT Quan trọng hơn, cùngvới một khoảng cách truyền tương tự như Bluetooth, BLE được thiết kế để tiêuthụ công suất ít hơn rất nhiều.

Hình 1.3: Bluetooth

Tuy nhiên, BLE không thực sự được thiết kế cho các ứng dụng dùng đểtruyền file và sẽ phù hợp hơn cho khối dữ liệu nhỏ Nó có một lợi thế vô cùnglớn trong bối cảnh hiện nay, smartphone đang là thiết bị không thể thiếu đượccủa mỗi người Theo Bluetooth SIG, hiện có hơn 90% điện thoại smartphoneđược nhúng Bluetooth, bao gồm các hệ điều hành IOS, Android và Window.Tần số: 2.4GHz (ISM)

Phạm vi: 50-150m (Thông minh / BLE)Tốc độ dữ liệu: 1Mbps (Smart / BLE)

1.2.2 Wifi

Hình 1.4: WiFi

Wifi (là viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11) là hệ thống mạngkhông dây sử dụng sóng vô tuyến, cũng giống như điện thoại di động, truyềnhình và radio Kết nôi Wifi thường là sự lựa chọn hàng đầu của rất nhiều kỹ sưgiải pháp bởi tính thông dụng và kinh tế của hệ thống wifi và mạng LAN với môhình kết nối trong một phạm vi địa lý có giới hạn.

Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sửdụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác Nó có thểchuyển và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vôtuyến và ngược lại Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóngvô tuyến khác ở chỗ: Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc5 GHz Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, cácthiết bị cầm tay và truyền hình Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theonhiều dữ liệu hơn.

Tần số: băng tần 2.4GHz và 5GHzPhạm vi: Khoảng 50m

Tốc độ dữ liệu: tối đa 600 Mbps, nhưng 150-200 Mbps là điển hình hơn,tùy thuộc vào tần số kênh được sử dụng và số lượng ăng-ten (chuẩn 802.11-ac mới nhất cung cấp 500 Mbps đến 1Gbps).

1.2.3 Zigbee

Hình 1.5: Zigbee

Zigbee, giống như Bluetooth, là một loại truyền thông trong khoảng cáchngắn, hiện được sử dụng với số lượng lớn và thường được sử dụng trong côngnghiệp Điển hình, Zigbee Pro và Zigbee remote control (RF4CE) được thiết kếtrên nền tảng giao thức IEEE802.15.4 – là một chuẩn giao thức truyền thông vậtlý trong công nghiệp hoạt động ở 2.4Ghz thường được sử dụng trong các ứngdụng khoảng cách ngắn và dữ liệu truyền tin ít nhưng thường xuyên, được đánhgiá phù hợp với các ứng dụng trong smarthome hoặc trong một khu vực đôthị/khu chung cư.

Zigbee / RF4CE có một lợi thế đáng kể trong các hệ thống phức tạp cầncác điều kiện: tiêu thụ công suất thấp, tính bảo mật cao, khả năng mở rộng sốlượng các node cao…ví dụ như yêu cầu của các ứng dụng M2M và IoT là điểnhình Phiên bản mới nhất của Zigbee là 3.0, trong đó điểm nổi bật là sự hợp nhấtcủa các tiêu chuẩn Zigbee khác nhau thành một tiêu chuẩn duy nhất Ví dụ, sảnphẩm và kit phát triển của Zigbee của TI là CC2538SF53RTQT Zigbee System-On-Chip T và CC2538 Zigbee Development Kit.

Tần số: 2,4 GHz Phạm vi: 10-100mTốc độ dữ liệu: 250kbps

1.2.4 Z-Wave

Hình 1.6: Z-Wave

Z-Wave là công nghệ truyền thông RF công suất thấp chủ yếu được thiếtkế để tự động hóa gia đình cho các sản phẩm như bộ điều khiển đèn và cảm biếntrong số nhiều sản phẩm khác Được tối ưu hóa để giao tiếp đáng tin cậy và cóđộ trễ thấp đối với các gói dữ liệu nhỏ với tốc độ dữ liệu lên đến 100kbit / s, nóhoạt động ở băng tần dưới 1GHz và không bị nhiễu từ WiFi và các công nghệkhông dây khác trong phạm vi 2,4 GHz như Bluetooth hoặc ZigBee Nó hỗ trợmạng lưới đầy đủ mà không cần nút điều phối và có khả năng mở rộng rất cao,cho phép kiểm soát lên đến 232 thiết bị Z-Wave sử dụng một giao thức đơngiản hơn một số giao thức khác, có thể cho phép phát triển nhanh hơn và đơngiản hơn, nhưng chỉ có nhà sản xuất chip duy nhất là Sigma Designs so vớinhiều nguồn cho các công nghệ không dây như ZigBee và những công nghệkhác.

Tần số: 900MHz (ISM)Phạm vi: 30m

Tốc độ dữ liệu: 9,6 / 40 / 100kbit / s

1.2.5 NFC

Hình 1.7: NFC

NFC (Giao tiếp trường gần) là công nghệ cho phép tương tác hai chiềuđơn giản và an toàn giữa các thiết bị điện tử và đặc biệt có thể áp dụng cho điệnthoại thông minh, cho phép người tiêu dùng thực hiện các giao dịch thanh toánkhông tiếp xúc, truy cập nội dung kỹ thuật số và kết nối các thiết bị điện tử Vềcơ bản, nó mở rộng khả năng của công nghệ thẻ không tiếp xúc và cho phép cácthiết bị chia sẻ thông tin ở khoảng cách nhỏ hơn 4cm.

Tần số: 13,56MHz (ISM)Phạm vi: 10cm

Tốc độ dữ liệu: 100–420kbps

1.2.6 LoRaWAN

LoRaWAN nhắm mục tiêu vào các ứng dụng mạng diện rộng (WAN) vàđược thiết kế để cung cấp mạng WAN công suất thấp với các tính năng đặc biệtcần thiết để hỗ trợ giao tiếp hai chiều an toàn di động chi phí thấp trong IoT,M2M và thành phố thông minh và các ứng dụng công nghiệp Được tối ưu hóađể tiêu thụ điện năng thấp và hỗ trợ các mạng lớn với hàng triệu triệu thiết bị,tốc độ dữ liệu nằm trong khoảng từ 0,3 kbps đến 50 kbps.

Hình 1.8: LoRaWAN

Tần số: Nhiều

Phạm vi: 2-5km (môi trường nội thành), 15km (môi trường ngoại thành)Tốc độ dữ liệu: 0,3-50 kbps

1.2.7 Sóng di động

Bất kỳ ứng dụng IoT nào yêu cầu hoạt động trên khoảng cách xa hơn đềucó thể tận dụng khả năng giao tiếp di động GSM / 3G / 4G Mặc dù mạng diđộng rõ ràng có khả năng gửi số lượng lớn dữ liệu, đặc biệt là đối với 4G, chiphí và mức tiêu thụ điện năng cũng sẽ quá cao đối với nhiều ứng dụng, nhưngnó có thể lý tưởng cho các dự án dữ liệu băng thông thấp dựa trên cảm biến sẽgửi rất thấp lượng dữ liệu qua Internet.

Hình 1.9: Các thế hệ của công nghệ truyền thông di động

Tần số: 900/1800/1900/2100MHz

Phạm vi: tối đa 35km cho GSM; Tối đa 200km đối với HSPA

Tốc độ dữ liệu (tải xuống thông thường): 35-170kps (GPRS), 120-384kbps(EDGE), 384Kbps-2Mbps (UMTS), 600kbps-10Mbps (HSPA), 3-10Mbps(LTE)

1.3 Một số chuẩn giao tiếp có dây trong IOT

1.3.1 Chuẩn giao tiếp I2C

I2C là viết tắt của bus “Mạch tích hợp liên kết – Inter-integrated circuit”.Nó được phát triển cho tivi bởi Philips Semiconductor, 1980.

Trong các thiết bị I2C, bộ xử lý, EEPROM, cảm biến, đồng hồ thời gianthực được sử dụng làm giao diện điều khiển và thiết bị I2C cũng có thể có dữliệu riêng biệt Giao diện (bộ chỉnh TV kỹ thuật số, bộ giải mã video, bộ xử lýâm thanh…) Có 3 loại I2C dựa trên tốc độ: Chậm (dưới 100 Kbps), Nhanh (400Kbps), Tốc độ cao (3,4 Mbps).

Hình 1.10: Giao tiếp I2C

Như bạn có thể thấy trong hình trên, có hai đường dây tức là Dữ liệu nốitiếp (SDA) và Đồng hồ nối tiếp (SCL) Một số thiết bị phụ có thể được kết nốivới thiết bị chính bằng I2C.

Ưu điểm và nhược điểm của I2CƯu điểm:

Hữu ích cho các thiết bị thỉnh thoảng giao tiếp.Lược đồ địa chỉ cho phép nhiều thiết bị.

Kết nối với nhau mà không cần thêm dây.

Nhược điểm:

Việc triển khai phần cứng và đặc biệt là phần mềm phức tạp hơn SPIHalf-duplex.

Không thể mở rộng cho số lượng lớn thiết bị.

1.3.2 Chuẩn giao tiếp SPI

Các Serial Peripheral Interface bus (SPI) là một đồng bộ giao tiếp nối

tiếp giao diện đặc điểm kỹ thuật được sử dụng để giao tiếp khoảng cách ngắn,chủ yếu trong các hệ thống nhúng Giao diện được phát triển bởi Motorola vàocuối những năm 1980 Các ứng dụng điển hình bao gồm thẻ Kỹ thuật số an toànvà màn hình tinh thể lỏng.

Hình 1.11: Giao tiếp SPI

Như bạn có thể thấy trong hình trên rằng các thiết bị phụ có 4 kết nối tứclà SCLK (Đồng hồ nối tiếp), MOSI (Đầu vào slave đầu ra chính), MISO (Đầuvào master đầu ra slave), SS (Chọn slave) 3 chân đầu tiên chia sẻ cùng mộtđường từ bộ điều khiển nhưng chân SS điều khiển thiết bị phụ nào đang hoạtđộng.

Ưu điểm và nhược điểm của SPI:Ưu điểm:

 Nhanh hơn nối tiếp không đồng bộ.

 Phần cứng nhận có thể là một thanh ghi dịch chuyển đơn giản. Hỗ trợ nhiều slave.

Nhược điểm:

 Yêu cầu nhiều đường tín hiệu (dây) hơn các phương thức truyền thôngkhác.

 Thông tin liên lạc phải được xác định trước.

 Chủ nhân phải kiểm soát tất cả các giao tiếp (các slave không thể nóichuyện trực tiếp với nhau).

 Nó thường yêu cầu các đường SS riêng biệt cho mỗi slave, điều này cóthể gây ra vấn đề nếu cần nhiều slave.

1.3.3 Chuẩn giao tiếp Ethernet

Một hệ thống kết nối một số hệ thống máy tính để tạo thành một mạngcục bộ, với các giao thức để kiểm soát việc truyền thông tin và tránh truyềnđồng thời bởi hai hoặc nhiều hệ thống Công nghệ mạng LAN được sử dụngrộng rãi đầu tiên được phát triển vào giữa những năm 1970 bởi các nhà nghiêncứu tại Trung tâm Nghiên cứu Xerox Palo Alto (PARC).

Mỗi card giao diện mạng Ethernet (NIC) được cấp một mã định danh duynhất gọi là địa chỉ MAC Địa chỉ MAC bao gồm một số 48 bit Trong số 24 bitđầu tiên xác định nhà sản xuất và nó được gọi là ID nhà sản xuất hoặc Mã địnhdanh duy nhất của tổ chức (OUI) và điều này được chỉ định bởi cơ quan đăngký.

Hình 1.12: Giao tiếp Ethernet

Ưu điểm và nhược điểm của EthernetƯu điểm:

Mạng lưới bắt đầu với nó và kết thúc với nó.

 Đáng tin cậy và có thể được sử dụng trong một tòa nhà, không quan trọng bao nhiêu tầng.

Sẽ cần thiết chuyển đổi để giữ mạng.

Về cơ bản nó được sử dụng để tạo ra mạng LAN.

Nhược điểm:

Không thể sử dụng cho mạng đường dài.

 Trong một mạng tòa nhà, bạn phải kết nối Ethernet để chuyển đổi vàsau đó lại dùng Ethernet để tạo nên mạng như vậy, với sự hiện diện của rấtnhiều dây cáp rất khó chịu và khó quản lý.

1.3.4 Chuẩn giao tiếp USB

USB là viết tắt của Universal Serial Bus, nó cung cấp một tiêu chuẩn bus

nối tiếp để kết nối các thiết bị, thường là với máy tính, nhưng nó cũng được sửdụng trên các thiết bị khác như hộp giải mã tín hiệu, bảng điều khiển trò chơi vàPDA.

Hình 1.13: Giao tiếp USB

Ưu điểm và nhược điểm của USBƯu điểm:

Ổ đĩa flash sử dụng ít năng lượng, không có bộ phận chuyển động dễ vỡvà đối với hầu hết các ổ đĩa đều có dung lượng nhỏ và nhẹ.

Dữ liệu được lưu trữ trên ổ đĩa flash không bị va đập cơ học, từ trường,trầy xước và bụi.

1.3.5 Chuẩn giao tiếp UART

UART là tên của phần cứng được sử dụng cho Giao diện nối tiếp RS-232.

UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver Transmitter Các

máy tính PC trước đây có chip UART, những chức năng này hiện được tìm thấybên trong một chip lớn hơn cũng chứa các tính năng I / O khác Một UART cóthể được sử dụng khi không yêu cầu tốc độ cao hoặc cần một liên kết giao tiếprẻ tiền giữa hai thiết bị Giao tiếp UART rất rẻ, không đồng bộ vì không có tínhiệu đồng hồ nào được truyền đi.

Hình 1.14: Giao tiếp UART

UART thêm bit bắt đầu và bit dừng vào gói dữ liệu đang đượcchuyển Các bit này xác định đầu và cuối của gói dữ liệu để UART nhận biết khinào bắt đầu đọc các bit Khi UART nhận phát hiện một bit bắt đầu, nó bắt đầu

đọc các bit đến ở một tần số cụ thể được gọi là tốc độ truyền Tốc độ truyền là

thước đo tốc độ truyền dữ liệu, được biểu thị bằng bit trên giây (bps).

Ưu điểm và nhược điểm của UARTƯu điểm:

 Dây đơn.

 Giao diện dễ dàng với PC.

 Phạm vi giao diện vật lý tiêu chuẩn (TTL, RS232, RS422, RS485).

Nhược điểm:

 Cần độ chính xác đồng hồ hợp lý cả hai đầu.

 Tốc độ dữ liệu tối đa trong thực tế khoảng 1mbit / giây (thường bị giớihạn bởi khả năng của UART).

1.4 Tìm hiểu chi tiết về công nghệ Bluetooth BLE

1.4.1 Công nghệ Bluetooth BLE là gì?

Bluetooth Low Energy (BLE) là công nghệ giao tiếp không dây công suấtthấp có thể được sử dụng trong một khoảng cách ngắn để cho phép các thiết bịthông minh giao tiếp với nhau Một số thiết bị bạn tương tác hàng ngày như điệnthoại thông minh, đồng hồ thông minh, thiết bị theo dõi thể dục, tai nghe khôngdây và máy tính đang sử dụng BLE để tạo ra trải nghiệm liền mạch.

Hình 1.15: Bluetooth BLE

Ban đầu công nghệ này được phát minh bởi Nokia vào năm 2006 với tên

gọi Wibree, trước khi được Bluetooth Special Interest Group (BluetoothSIG) tích hợp vào Bluetooth 4.0 có tên BLE vào năm 2010 Mục tiêu chính của

việc tích hợp là tối ưu hóa mức năng lượng tiêu thụ.

BLE là một tiêu chuẩn Bluetooth tương đối mới được "định danh" bởiSIG (Bluetooth Special Interest Group) với trọng tâm cải thiện hiệu quả sử dụngnăng lượng khi truyền dữ liệu BLE có nhiều khả năng và được triển khai trongmột loạt các lĩnh vực như sức khỏe, thể dục, bảo mật, tự động hóa gia đình, giảitrí gia đình, công nghiệp thông minh và IoT (Internet of Things) Nó cũng đượcứng dụng trên các thiết bị quen thuộc hàng ngày như điện thoại thông minhvà máy tính xách tay mà bạn đang sử dụng.

Apple đã sớm áp dụng BLE trên điện thoại thông minh thông qua việcphát hành iPhone 4s vào năm 2011 Ngày nay, phần lớn các thiết bị Android vàiOS trên thị trường đều sử dụng BLE để giao tiếp và tương tác với các thiết bịkhác Sự phổ biến của điện thoại thông minh đã cho phép công nghệ Bluetoothnày xuất hiện trên toàn thế giới.

1.4.2 Vai trò của BLE trong thiết bị

Thiết bị BLE hoạt động ở vai trò trung tâm hoặc ngoại vi và đôi khi còn đượcgọi là client hoặc máy server.

 Trung tâm (client):

Thiết bị khởi tạo các lệnh và yêu cầu cũng như chấp nhận các phản hồi.Ví dụ: máy tính, điện thoại thông minh.

Thay vào đó nếu thiết bị phát hiện, kết nối và tương tác với các thiết bịngoại vi thì nó chính là thiết bị trung tâm Chẳng hạn như máy tính hoặc điệnthoại thông minh Trung tâm thường quét các thiết bị ngoại vi gần đó và hiển thịdanh sách các thiết bị được tìm thấy Nếu thiết bị ngoại vi có thể kết nối, trungtâm có thể kết nối với thiết bị ngoại vi được chỉ định và bắt đầu trao đổi thông tin.

1.4.3 Giao tiếp BLE hoạt động như thế nào?

BLE sử dụng cấu trúc dữ liệu phân cấp để xác định cấu trúc trao đổi thôngtin Thiết bị BLE với vai trò là thiết bị ngoại vi sẽ báo các đặc điểm có thể đượcsử dụng để giao tiếp với thiết bị Các thuộc tính này được xác định bằng cách sửdụng cấu hình GATT (Thuộc tính chung) Các đặc điểm thể hiện các giá trị dướidạng các gói thông tin nhỏ có thể thay đổi theo thời gian.

Các đặc tính có thể được định nghĩa để chứa các giá trị kiểu đọc hoặc ghi.Các thiết bị ngoại vi cung cấp đặc điểm kiểu đọc nói chung là công bố thông tincho trung tâm tiêu thụ Các thiết bị ngoại vi cung cấp đặc điểm kiểu ghi thườngcung cấp giao diện để nhận dữ liệu từ trung tâm - ví dụ như giá trị cấu hình thayđổi một số thứ trên thiết bị ngoại vi.

Ví dụ, giả sử chúng ta có một thiết bị ngoại vi triển khai BLE để cung cấpgiá trị đọc nhiệt độ từ cảm biến Thiết bị ngoại vi này sẽ có đặc tính nhiệt độkiểu đọc với giá trị nhiệt độ hiện tại được đặt trên đặc tính Khi các kết quả đọcnhiệt độ thay đổi, thiết bị ngoại vi sẽ cập nhật giá trị đặc tính Sau đó, thiết bịtrung tâm được kết nối như máy tính hoặc điện thoại thông minh sẽ ghi nhận cácthay đổi trên đặc tính ngoại vi đó để cập nhật nhiệt độ theo thời gian thực quaBLE từ thiết bị ngoại vi.

1.4.4 Sự khác biệt giữa Bluetooth Classic và Bluetooth Low Energy

Hình 1.16: So sánh Classic Bluetooth và Bluetooth BLE

Bluetooth thông thường thích hợp để xử lý, truyền và trao đổi một lượnglớn dữ liệu (ví dụ như trong âm thanh, video) Tuy nhiên, nó sẽ tiêu tốn nhiềuđiện năng hơn và có giá thành đắt hơn.

Công nghệ BLE phù hợp với các ứng dụng không yêu cầu chuyển mộtlượng lớn dữ liệu, do đó có thể chỉ khôi phục một số ít thông tin dữ liệu Vàcũng nhờ thế mà thiết bị có thể chạy bằng năng lượng pin trong nhiều năm vớichi phí thấp hơn Bluetooth vì nó không yêu cầu kết nối liên tục.

1.4.5 Ứng dụng của BLE

Bluetooth Low Energy ra đời với hy vọng mang lại những hiệu quả tối ưucho người dùng qua các thiết bị IoT, chính vì điều đó nó đã được ứng dụng mộtcách rộng rãi trong các thiết bị công nghệ thông minh với đa dạng lĩnh vực.Chẳng hạn như:

Phụ kiện định vị theo dõi vị trí đồ vật với độ chính xác cao - SamsungSmartTag Đây là thiết bị được gắn vào các vật dụng khác nhau để chủ nhân cóthể dễ dàng tìm thấy khi cần.

Những thiết bị nhà thông minh được điều khiển bằng smartphone Chẳnghạn khóa vân tay Fhome sẽ biến chiếc điện thoại của người dùng thành mộtchiếc chìa khóa điện tử.

Vòng đeo tay thông minh MiBand hỗ trợ tính năng theo dõi và ghi nhậnthông tin về các chế độ luyện tập thể thao của người dùng và đồng bộ dữ liệucho smartphone.

1.4.6 Ưu và nhược điểm của BLE

Ưu điểm

 Khả năng tiêu thụ năng lượng đến mức tối thiểu Năng lượng được tốiưu hóa, chỉ bật khi dữ liệu đến/đi cho phép thiết bị hoạt động vài năm chỉ vớimột viên pin nhỏ.

 Chi phí giá thành thấp do công nghệ sản suất không quá phức tạp.

 BLE hoạt động ở tần số 2.4 Ghz ISM band tránh nhiễu sóng giữa cácthiết bị WiFi và Bluetooth.

 Tốc độ thiết lập kết nối rất nhanh (khoảng 3 ms).

 BLE được tích hợp trên hầu hết điện thoại thông minh hiện nay là mộtưu thế lớn.

2.1.1 Module Arduino UNO R3

Hình 2.1: Arduino UNO R3 pinouts

Arduino UNO R3 là kit Arduino UNO thế hệ thứ 3, với khả năng lập trìnhcho các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh với cácloại bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiềungõ có khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩngiao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C).

Cấu trúc của Arduino UNO R3 dựa trên chip Atmega328P Uno có 14chân I/O digital (trong đó có 6 chân xuất xung PWM), 6 chân Input analog, 1thạch anh 16MHz, 1 cổng USB, 1 jack nguồn DC, 1 nút reset.

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc Arduino UNO R3

Một vài thông số:

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DCĐiện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)