TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG KHOA CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HĨA  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GATEWAY BLUETOOTH-ZIGBEE ỨNG DỤNG TRONG NHÀ THÔNG MINH Sinh viên thực hiện: Lê Văn Thanh Lớp: CN KTĐ-ĐT K12A Giáo viên hướng dẫn: ThS Đào Quang Bình THÁI NGUYÊN 5/2018 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông nói chung thầy Khoa cơng nghệ tự động hóa nói riêng tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt thời gian qua Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo Th.s Đào Quang Bình tạo điều kiện cho em thực đề tài Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu đề tài em đến hoàn thành Có thành đó, ngồi cố gắng nỗ lực em phải kể đến giúp đỡ từ thầy giáo Th.s Đào Quang Bình người hướng dẫn, bảo tận tình cung cấp tài liệu, kiến thức kinh nghiệm quý báu cho em suốt thời gian làm đề tài Qua em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc , kính chúc thầy ln mạnh khoẻ cơng tác tốt LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan nội dung đồ án tốt nghiệp với tên đề tài: “ Thiết kế hệ thống Gateway Bluetooth-Zigbee ứng dụng nhà thông minh ” không chép nội dung từ đồ án khác Mọi giúp đỡ cho việc thực đồ án cảm ơn thơng tin trích dẫn đồ án rõ nguồn gốc rõ ràng phép cơng bố Nếu sai em xin chịu hình thức kỉ luật trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Thái Nguyên Thái Nguyên, ngày tháng năm 2018 Sinh viên thực Lê Văn Thanh MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT IEEE MAC PHY RF WLAN WPAN WSN ZDO APS API UART Institute of Electrical and Electronics Engineers Media Access Control layer Physical layer Radio frequency Wireless Local Area Network Wireless Personal Area Network Wireless Sensor Network ZigBee Device Object Application Support Sublayer Application Programming Interface Universal Asynchronous Receiver/Transmitter MỞ ĐẦU 1.Lý chọn đề tài Ngày nay, xã hội phát triển mạnh mẽ, kỹ thuật ngày đại nên nhu cầu trao đổi thơng tin giải trí, nhu cầu điều khiển thiết bị từ xa,…ngày cao Và hệ thống dây cáp phức tạp lại đáp ứng nhu cầu này, khu vực chật hẹp, nơi xa xôi, phương tiện vận chuyển,… Vì cơng nghệ khơng dây đời phát triển mạnh mẽ, tạo nhiều thuận lợi cho người đời sống ngày Trong năm gần công nghệ truyền nhận liệu khơng dây có bước phát triển mạnh mẽ, góp cơng lớn việc phát triển hệ thống điều khiển, giám sát từ xa, đặc biệt hệ thống thơng minh Hiện nay, có nhiều cơng nghệ không truyền nhận liệu không dây Wifi, Bluetooth, NFC,Zigbee…Trong đó, Bluetooth-Zigbee cơng nghệ phát triển từ lâu cải tiến để nâng cao tốc độ cũ Trên thị trường Việt Nam chưa có nhiều sản phẩm điều khiển thiết bị không dây, đa số sản phẩm có nhập từ nước ngồi với giá thành cao Việc nghiên cứu thiết kế sản phẩm điều khiển thiết bị khơng dây có ý nghĩa lớn, giúp tăng thêm lựa chọn cho người sử dụng, sản phẩm sản xuất nước nên giá thành rẻ góp phần phát triển hệ thống điều khiển thơng minh Do đó, em định thực đề tài: “Thiết kế hệ thống Gateway Bluetooth-Zigbee ứng dụng nhà thông minh” Đề tài ứng dụng công nghệ Bluetooth phổ biến nhiều thiết bị, đặc biệt điểm đề tài so với sản phẩm có điều khiển thơng qua hệ điều hành Android kết hợp công nghệ Bluetooth-Zigbee giúp tận dụng thiết bị sử dụng hệ điều hành Android có sẵn người dùng giúp giảm giá thành sản phẩm 2.Mục đích đề tài Xây dựng hệ thống điều khiển bật tắt thiết bị điện thoại khoảng cách xa Kết hệ thống hồn thiện gồm phần mềm phần cứng sử dụng hộ gia đình, phòng nghiên cứu, nhà thơng minh, từ cải tiến xây dựng hệ thống điều khiển phức tạp cách thức khác Giúp em vận dụng kiến thức học vào toán thực tế, làm quen với lĩnh vục điều khiển thiết bị từ xa qua Bluetooth-Zigbee, đồng thời góp thành nghiên cứu đề tài để tạo tảng cho phát triển sâu Ngồi đề tài hội giúp chúng em tích lũy nâng cao trình độ chun mơn cho thân, giúp chúng em có hội tiếp cận với khoa học đại 3.Yêu cầu hệ thống  Hệ thống hoạt động ổn định xác  Hệ thống dễ vận hành sử dụng  Giá thành chi phí thiết kế hệ thống thấp 4.Phương pháp nghiên cứu  Nghiên cứu lý luận: Tổng hợp tài liệu kỹ thuật, cơng nghệ, phân tích đánh giá nội dung liên quan đến đề tài  Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, phân tích, thiết kế đánh giá nội dung nghiên cứu trình chế tạo nút cảm biến không dây sử dụng công nghệ ZigBee Từ đưa phương án chế tạo nút cảm biến không dây cho phù hợp CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Tổng quan mạng cảm biến không dây 1.1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (WSN) hiểu đơn giản mạng liên kết node với kết nối sóng vơ tuyến (RF connection) node mạng thường thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp… có số lượng lớn, phân bố cách khơng có hệ thống (non-topology) diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguôn lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài( vài tháng đến vài năm) hoạt động môi trường khắc nhiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ…) Hình 1.1 Mơ hình mạng cảm biến khơng dây 1.1.2 Cấu trúc nút cảm biến Mạng cảm biến khơng dây hình thành từ số lượng lớn nút cảm biến riêng lẻ phân bố bao phủ vùng địa lý Trên nút vi xử lý nhỏ, nhớ giới hạn, phận cảm biến, thu phát không dây, nguồn ni Các nút có khả liên lạc vơ tuyến với nút lân cận để truyền liệu trung tâm Mỗi nút cảm biến cấu thành thành phần (hình 1.1): • Đơn vị cảm biến (sensing unit) • Đơn vị xử lý (processing unit) • Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit) • Bộ nguồn (power unit) Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến chuyển đổi tương tựsố Dựa tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo nút cảm biến chuyển sang tín hiệu số ADC, sau đưa vào xử lý Hình 1.2 Cấu trúc nút cảm biến Đơn vị xử lý thường kết hợp với lưu trữ nhỏ (storage units), định thủ tục làm cho nút kết hợp với để thực nhiệm vụ định sẵn Phần thu phát vô tuyến kết nối nút vào mạng Một phần quan trọng nút mạng cảm biến nguồn Bộ nguồn số loại pin Để nút có thời gian sống lâu nguồn quan trọng, phải có khả nạp điện từ mơi trường lượng mặt trời Ngồi có thành phần phụ khác phụ thuộc vào ứng dụng Hầu hết kỹ thuật định tuyến nhiệm vụ cảm biến mạng u cầu có độ xác cao vị trí Các phận di động đơi lúc cần phải dịch chuyển nút cảm biến cần thiết để thực nhiệm vụ ấn định Tất thành phần cần phải phù hợp với kích cỡ module Ngồi kích cỡ, nút cảm biến số ràng buộc nghiêm ngặt khác, phải tiêu thụ lượng, hoạt động mật độ cao, có giá thành thấp, tự hoạt động, thích nghi với biến đổi môi trường 1.1.3 Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến Đặc điểm mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn nút cảm biến, nút cảm biến có giới hạn ràng buộc tài nguyên đặc biệt lượng khắt khe Do đó, cấu trúc mạng có đặc điểm khác với mạng truyền thống Khả chịu lỗi (fault tolerance): Một số nút cảm biến không hoạt động thiếu lượng, hư hỏng vật lý ảnh hưởng môi trường Khả chịu lỗi thể việc mạng hoạt động bình thường, trì chức số nút mạng không hoạt động Khả mở rộng (scale ability): Khi nghiên cứu tượng, số lượng nút cảm biến triển khai đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào ứng dụng Do cấu trúc mạng phải có khả mở rộng để làm việc với số lượng lớn nút Chi phí sản xuất (production costs): Vì mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn nút cảm biến phí nút quan trọng việc điều chỉnh chi phí tồn mạng Nếu chi phí tồn mạng đắt chi phí triển khai nút cảm biến theo kiểu truyền thống, mạng khơng có giá thành hợp lý Do vậy, chi phí nút cảm biến phải giữ mức thấp Những ràng buộc phần cứng (hardware constraints): Vì mạng có số lượng lớn nút cảm biến nên chúng phải có ràng buộc với phần cứng: kích thước phải nhỏ, tiêu thụ lượng, có khả hoạt động nơi có mật độ cao, hoạt động khơng cần có người kiểm sốt, thích nghi với mơi trường… Dễ triển khai (Deployment): Là ưu điểm quan trọng mạng cảm biến không dây Người sử dụng không cần phải hiểu mạng chế truyền thông làm việc với WSN.Bởi để triển khai hệ thống thành cơng, WSN cần phải tự cấu hình Thêm vào đó, truyền thơng hai nút bị ảnh hưởng suốt thời gian sống thay đổi vị trí hay đối tượng lớn Lúc này, mạng cần có khả tự cấu hình lại để khắc phục điều Môi trường hoạt động (Environment): Các nút cảm biến thiết lập dày đặc, 2.3.2.2 Lưu đồ thuật tốn nút chủ Hình 2.16 Lưu đồ thuật toán nút chủ 2.3.2.3 Lưu đồ thuật tốn nút 1(Nút Slave1) Hình 2.17.Lưu đồ thuật toán nút 1(Nút Slave1) 2.3.2.4 Lưu đồ thuật tốn nút 2(Nút Slave2) Hình 2.18.Lưu đồ thuật toán nút 2(Nút Slave2) 2.3.2.5 Thiết kế giao diện điện thoại Hình 2.19.Giao diện phần mềm App Inventer + Cột thứ đối tượng mà bạn chọn để đưa vào ứng dụng bạn Nhiệm vụ bạn lựa chọn đối tượng phù hợp kéo sang vùng số + Cột thứ cột hiển thị trực quan, nơi tiếp nhận đối tượng từ mục + Cột thứ chứa danh sách đối tượng mà bạn dùng + Cột thứ mục thuộc tính đối tượng Hình 2.20.Giao diện phần mềm App Inventer Hình 2.21.Khối lệnh thơng báo chưa kết nối ngắt kết nối Hình 2.22.Khối lệnh trước sau chọn thiết bị kết nối Hình 2.23.Khối lệnh ấn để bật tắt đèn Hình 2.24.Khối lệnh điều khiển độ sáng bóng đèn ứng dụng 2.3.3 Ngun lí hoạt động hệ thống Bật Bluetooth, mở giao diện phần mềm điều khiển thiết bị điện thoại Android sau thực kết nối với Adruino thơng qua modul bluetooth HC06 (nhập mật HC06:1234) Thực nhấn phím bật tắt kéo slider giao diện để thực gửi liệu xuống mạch điều khiển, mạch điều khiển nhận liệu từ điện thoại gửi xuống thực tách liệu, kiểm tra liệu liệu thực gửi liệu điều khiển bật tắt đèn sang nút Slave thay đổi độ sáng tối bóng đèn Slave CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1 Kết thu Trong trình thực đề tài em thu kết sau đây: + Mạch cứng gồm nút mạng + Chương trình cho mạch điều khiển + Phần mềm điều khiển điện thoại Hình 3.1 Nút chủ Hình 3.2 Nút Slave Hình 3.3 Nút Slave Hình 3.4 Giao diện phần mềm điều khiển điện thoại 3.2 Thử nghiệm kiểm tra khoảng cách nút mạng 3.2.1 Khoảng cách giao tiếp điện thoại nút chủ Bảng 3.1:Khoảng cách khơng có vật cản Số lần đo Khoảng cách (m) 27,6 27,2 26,9 27 27,5 26,7 26,8 Khoảng cách truyền 26,97 m,ổn định khoảng 10-20 m Bảng 3.2: Khoảng cách có vật cản Số lần đo Khoảng cách(m) 4,7 4,8 5,3 5,2 4,9 Khoảng cách truyền 4,98 m,ổn định khoảng 1-3 m 3.2.2 Khoảng cách giao tiếp nút chủ Slave Khoảng cách khơng có vật cản 530m Khoảng cách có vật cản 200m 3.3 Kiểm nghiệm đánh giá hệ thống 3.3.1 Mạch điều khiển - Ưu điểm: • Kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ • Ngõ để kết nối với thiết bị, an tồn cho người sử dụng • Sau thời gian chạy thử, điều khiển hoạt động tốt - Khuyết điểm: • Do chất lượng linh kiện khơng đảm bảo thơng số Datasheet nên có số lỗi nhỏ thời gian chưa hoạt động xác • Sản phẩm chưa thử nghiệm với thời gian dài nhiều môi trường khác nên chưa đánh giá xác độ ổn định 3.3.2 Phần mềm giao diện điều khiển điện thoại Android - Ưu điểm: • Dung lượng nhỏ, dễ dàng cài đặt điện thồi chạy hệ điều hành Android • Giao diện thiết kế phẳng theo xu hướng đại - Khuyết điểm: • Ứng dụng đơi bị treo KẾT LUẬN Trong trình thực đề tài nhóm em thu kết sau: hiểu công nghệ mạng cảm biến không dây ,công nghệ Bluetooth công nghệ Zigbee Viết thành công ứng dụng điện thoại Android,xây dựng thành công hệ thống điều khiển thiết bị sử dụng điện thoại Android qua Bluetooth-Zigbee hoạt động hiệu Định hướng phát triển đề tài hạn chế thời gian thực nên đề tài thực đáp ứng phần nhỏ hệ thống để đề tài ứng dụng nhiều thực tế đề tài cần thêm yêu cầu sau: nút chủ Slave tích hợp nhiều thiết bị cảm biến nhiệt độ độ ẩm ,nồng độ oxy, cảm biến đo nồng độ PH, EC …, phản hồi cố thiết bị cầm tay Với xu hướng Internet of Things kết hợp với mạng cảm biến khơng dây để từ phát triển ứng dụng tảng web, windowphone, IOS để tương tác với người dùng smartphone máy tính có kết nối internet Hy vọng với hướng phát triển sớm ứng dụng TÀI LIỆU THAM KHẢO I TÀI LIỆU TRONG NƯỚC [1].HC-06: https://www.olimex.com/Products/Components/RF/BLUETOOTH-SERIALHC-06/resources/hc06.pdf [2].Arduino: https://www.arduino.cc/ [3].App inventor: http://ai2.appinventor.mit.edu/#6440170254237696 [4].Tìm hiểu Bluetooth: http://tientrieu.net/945-bluetooth [5].Android, http://developer.android.com [6].Dientuvietnam, http://dientuvietnam.ne [7].Trần Thế San, Cơ sở Nghiên Cứu &Sáng tạo robot, NXB Thống Kê,, 2005 [8] Nguyễn Văn Hiệp – Đinh Quang Hiệp, Lập trình Android bản, Đại Học SPKT HCM, 2014 [9].Nguyễn Đình Phú, Vi Xử Lý 1, Đại Học SPKT HCM, 2012 [10].Digi International (2008), “An Introduction to ZigBee”, Tham khảo link ftp://ftp1.digi.com/support/documentation/html/manuals/ZigBee/Introduction/cover.htm [11] Lê Minh Thuỳ (2008), “Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ truyền tin Bluetooth thiết kế mạng cảm biến không dây”, Luận văn (Thạc sỹ khoa học), Đại học Bách Khoa Hà Nội II TÀI LIỆU NƯỚC NGOÀI [1] Wei-Meng Lee, Begin Android Application Development, Wiley Publishing, 2014 [2].XBee ZB Module Based Wireless Sensor Networks”, International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 4, Issue 4, pp 1615-1621 [3].F Ding, G Song, K Yin, J Li, and A Song (2009), "A GPS-enabled wireless sensor network for monitoring radioactive materials," Sensors and Actuators A: Physical, vol 155, pp 210-215 [4].M Pawar, J Manore, and M Kuber (2011), "Life Time Prediction of Battery Operated Node for Energy Efficient WSN Applications," International Journal of Computer Science And Technology, vol 2, pp 491-495 ... tạo nút cảm biến khơng dây sử dụng cơng nghệ ZigBee Từ đưa phương án chế tạo nút cảm biến không dây cho phù hợp CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Tổng quan mạng cảm biến không dây... độc, nhiễm, nhiệt độ…) Hình 1.1 Mơ hình mạng cảm biến khơng dây 1.1.2 Cấu trúc nút cảm biến Mạng cảm biến không dây hình thành từ số lượng lớn nút cảm biến riêng lẻ phân bố bao phủ vùng địa lý... trọng 1.1.4 Các kiến trúc mạng mạng cảm biến không dây Mạnh cảm biến không dây bao gồm nút cảm biến, kết nối với sóng vơ tuyến Việc kết nối quản lý điều khiển theo kiến trúc mạng định Căn vào q trình