Báo cáo MẠNG VÀ CÁC GIAO THỨC TRONG IOT Giảng Viên nguyễn quốc cường Thiết kế mô hình nhà thông minh Thiết kế trên cisco packet tracer. Có file project hoàn chỉnh khi mua tài liệu . TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Bộ môn Kỹ thuật Đo và Tin học Công nghiệp
TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH
Tổng quan về nhà thông minh
Bối cảnh và nhu cầu sử dụng nhà thông minh
Trong bối cảnh đời sống ngày càng nâng cao, nhu cầu về tiện nghi và hỗ trợ tốt nhất cho con người trở nên cấp thiết Sự phát triển mạnh mẽ của internet đã thúc đẩy việc giám sát và điều khiển hệ thống qua mạng trở thành một xu hướng tất yếu Từ đó, khái niệm ngôi nhà thông minh ra đời, nơi mọi hoạt động của con người được hỗ trợ linh hoạt, đồng thời ngôi nhà có khả năng tự động quản lý một cách thông minh Vậy, ngôi nhà thông minh thực sự là gì?
Sự thông minh của một ngôi nhà được thể hiện trên 4 phương diện như sau:
Nhà thông minh sở hữu khả năng tự động hóa vượt trội nhờ vào hệ thống cảm biến đa dạng như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khí gas, báo cháy, vật cản và ánh sáng Các cảm biến này hoạt động linh hoạt theo điều kiện môi trường, giúp người dùng giám sát và quản lý mức tiêu thụ điện nước hiệu quả hơn so với các hệ thống truyền thống.
Khả năng thỏa mãn nhu cầu của người sử dụng là một yếu tố quan trọng trong thiết kế ngôi nhà thông minh Chủ nhân có thể điều khiển các thiết bị theo ý muốn hoặc sử dụng các kịch bản đã được lập trình sẵn, mang lại sự tiện lợi và linh hoạt trong cuộc sống hàng ngày.
Hệ thống giám sát an ninh và bảo mật có khả năng tự động thông báo trạng thái của ngôi nhà qua internet, bao gồm các chức năng báo cháy và phát hiện rò rỉ khí gas.
Thứ tư, khả năng điều khiển và cảnh báo từ xa qua kết nối internet như wifi và 3G là một tính năng quan trọng Người dùng có thể dễ dàng quản lý các thiết bị như bóng đèn, điều hòa, ti vi và tủ lạnh từ xa, mang lại sự tiện lợi và an toàn cho cuộc sống hàng ngày.
Người dùng chỉ cần một thiết bị kết nối internet để theo dõi dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển thiết bị trong nhà theo ý muốn.
Hình 1.1 Mô hình tổng quát nhà thông minh
Nhà thông minh đang trở thành một thị trường tiềm năng với quy mô toàn cầu lên tới hàng tỷ đô la Đặc biệt, thị trường Bắc Mỹ cũng ghi nhận sự tăng trưởng mạnh mẽ trong lĩnh vực này.
Theo thống kê, Mỹ được coi là tương lai lý tưởng cho ngôi nhà mà chúng ta cần hướng tới.
Các mô hình nhà thông minh đang được áp dụng hiện nay
1.1.2.1 Các giải pháp nhà thông minh trên thế giới
Thị trường Smarthome lớn nhất thế giới hiện nay là Bắc Mỹ, nơi cung cấp nhiều tiện nghi cho ngôi nhà với 4 người Các thiết kế cơ bản bao gồm tính năng cảnh báo đột nhập, cảnh báo khí gas, hệ thống cửa tự động, camera an ninh và hệ thống giải trí, mang lại sự an toàn và tiện lợi cho người sử dụng.
Dưới đây là ví dụ về một ngôi nhà thông minh của một số nhà sản xuất tại
Mỹ và châu Âu, với tiêu chuẩn từ cơ bản đến cao cấp dành cho một gia đình:
Hình 1.2 Mô hình Smart home của công ty Compro Technology
Hình 1.3 Mô hình Smart home của công ty IEI Intergration
Hình 1.4 Mô hình Smart home Eco-Future-World
1.1.2.2 Các giải pháp nhà thông minh ở Việt Nam
Tại Việt Nam, thị trường nhà thông minh đang phát triển mạnh mẽ với sự tham gia của nhiều nhà sản xuất, nổi bật là BKAV và Lumi Smarthome Những thương hiệu này không chỉ cung cấp đầy đủ chức năng tương tự như các nhà sản xuất nước ngoài mà còn được thiết kế phù hợp với nhu cầu của người tiêu dùng Việt Nam, tạo ra lợi thế cạnh tranh đáng kể.
Hình 1.5 Mô hình Smart home của BKAV
Hình 1.6 Mô hình Smart home của Lumi
Lựa chọn thiết kế
Nhà thông minh là một chủ đề phong phú với nhiều khía cạnh cần xem xét Việc thiết kế hệ thống nhà thông minh phụ thuộc vào mục đích sử dụng của chủ nhân, trong đó hệ thống điều khiển và giám sát đóng vai trò quan trọng.
Trước đây, khái niệm nhà thông minh chỉ tồn tại trong trí tưởng tượng và điện ảnh Tuy nhiên, nhờ sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ, các giải pháp cho nhà thông minh ngày càng trở nên đa dạng và tiện ích cho người dùng.
Nhà thông minh bắt đầu với các thiết bị điều khiển từ xa, phục vụ nhu cầu cơ bản của con người Sau đó, công nghệ đã phát triển với việc tự động hóa các thiết bị, cho phép chúng điều chỉnh theo môi trường và thói quen của người sử dụng.
Với sự phát triển mạnh mẽ của internet, việc kết nối và điều khiển các thiết bị trong nhà trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết Các giải pháp hiện đại cho phép chủ nhân quản lý thiết bị từ xa, không chỉ giới hạn trong không gian ngôi nhà Bên cạnh đó, các tiện ích như hệ thống an ninh và tính toán năng lượng tiêu thụ cũng được tích hợp, mang lại sự tiện lợi và an toàn cho người sử dụng.
Khả năng bảo mật an ninh là ưu tiên hàng đầu trong bối cảnh kết nối internet ngày càng phát triển, khi nguy cơ bị hack và chiếm quyền điều khiển hệ thống tăng cao Chủ nhà có thể bảo vệ ngôi nhà của mình bằng cách sử dụng mật khẩu riêng để đăng nhập, cùng với các phương thức bảo mật như Passcode, vân tay và mống mắt Hơn nữa, hệ thống còn cung cấp khả năng cảnh báo đột nhập, giúp gia chủ phát hiện sự cố từ bất kỳ đâu thông qua kết nối Wifi/GPRS.
Gần đây, việc tích hợp điều khiển thiết bị bằng giọng nói vào giải pháp xây dựng nhà thông minh đã trở thành một xu hướng nổi bật, mang lại sự thuận tiện và dễ dàng hơn cho người sử dụng.
Trong tương lai, nhờ vào sự phát triển của công nghệ và trí tuệ nhân tạo, ngôi nhà thông minh sẽ có khả năng nhận diện giọng nói của từng thành viên trong gia đình, đồng thời ghi nhớ thói quen và sở thích của mỗi người.
Hình 1.7 Xu hướng phát triển của Smart home
Hiện nay, giải pháp xây dựng nhà thông minh tại Việt Nam ngày càng phổ biến và phát triển nhờ vào hệ thống điều khiển và giám sát qua internet, phù hợp với khả năng công nghệ và điều kiện kinh tế hiện tại.
THIẾT KẾ QUẢN LÝ NHÀ TỪ XA
Mục tiêu thiết kế
❖ Có 3 router đặt tại các châu lục khác nhau:
❖ IoT_Serer được đặt tại Bắc Mỹ
❖ Thiết kế 3 ngôi nhà, trong đó:
• Nhà số 1 và số 2 cùng một mạng Lan: là 2 căn hộ trong cùng 1 tòa nhà
• Nhà số 3: đặt tại Rio de Janerio (Brazill)
Hình 2.1 Vị trí router, server, nhà
❖ Trong nhà sử dụng các thiết bị iot được kết nối không dây với home gateway
❖ Quản lý các thiết bị iot thông qua server đặt từ xa
❖ Điều khiển, giám sát bằng smartphone được kết nối với home gateway hoặc smarphone tại bất cứ nơi đâu mà bắt được mạng 3G/4G
Thiết kế trên cisco packet tracer
Hình 2.2 Logical 2.2.1.1 Kết nối các router
Hình 2.3 Đặt địa chỉ cho các cổng của router
Cài đặt tại Router → config → routing → static
Hình 2.4 Kết nối các router
Hình 2.5 Đặt static router
Network 192.70.4.0/24 là địa chỉ mạng đích, next hop là địa chỉ cổng router kế tiếp trên đường đi bản tin
Network Address là kết quả sau khi add thành công
Tương tự cài đặt với các router khác để các router có thể kết nối với nhau, bản tin có thể được truyền qua các router khác nhau
❖ Home Gate kết nối mạng thông qua → switch → cable modem → cloud → router
Hình 2.6 Đặt địa chỉ internet home gateway
Với default gateway là địa chỉ cổng router
❖ Đặt địa chỉ LAN kết nối với các thiết bị iot
Hình 2.7 Địa chỉ LAN home gateway 2.2.1.3 Cài đặt các thiết bị iot
Hình 2.8 Cài đặt thiết bị iot
Với SSID là tên home gateway cần kết nối, default gateway là địa chỉ LAN của home getway
Hình 2.9 Sử dụng iot server
Với server address là địa chỉ của IoT_server, use name và password dung để đăng nhập
On registration server và đặt use name password
Utilizing a Central Office Server and Cell Tower to deploy 3G/4G networks enables smartphones to connect and remotely monitor IoT devices.
Physical Đặt vị trí router, IoT_server, các thành phố như Hình 2.1
Hình 2.11 Tại Hà Nội
❖ Wiring Closet 1 đặt cloud và cable modem, để kết nối mạng thành phố với thế giới
The Central Office Server and Cell Tower facilitate 3G/4G network coverage, enabling users to control and monitor IoT devices remotely using smartphones from any location with 3G/4G connectivity.
❖ Wiring Closet 2 đặt switch sử dụng cho 1 tòa nhà
❖ Bên trong tòa nhà thì có 2 ngôi nhà số 1 và số 2
Hình 2.12 Bên trong tòa nhà
• Mỗi ngôi nhà thì có 1 tủ điện để đặt home gateway
• Các thiết bị iot được kết nối với home gateway
❖ Tương tự với nhà số 3 đặt tại Rio de Janerio (Brazill)
Vào smarphone_benngoai hoặc smartphone_nha2 để đăng nhập
Hình 2.13 Đăng nhập từ smartphone
Hình 2.14 Điều khiển giám sat qua smartphone
Thông qua smartphone kết nối 3G/4G, người dùng có thể dễ dàng điều khiển và giám sát các thiết bị IoT tại nhiều ngôi nhà ở các địa điểm khác nhau, thực hiện mục tiêu đã đề ra.
THIẾT KẾ TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH
Sơ đồ kết cấu ngôi nhà và chức năng
Từ một ngôi nhà thông thường, chúng em lựa chọn thiết kế ra một mô hình cơ bản dành cho 1 gia đình với 4 người ở, với thiết kế gồm:
Với tiêu chí xây dựng ngôi nhà thông minh tại Việt Nam, chúng tôi đã lựa chọn các chức năng thiết yếu để tạo ra một không gian sống tiện nghi, bao gồm nhiều tiện ích hiện đại.
- Hệ thống điều khiển nhiệt độ
- Hệ thống điều khiển độ ẩm
- Hệ thống chữa cháy tự động
- Hệ thống bật, tắt đèn trong nhà vệ sinh
- Hệ thống webcam phát hiện người lạ
- Hệ thống đèn led sử dụng pin mặt trời
- Hệ thống phát hiện nồng độ CO2
- Hệ thống bổ sung nước tự động trong hồ cá cảnh
Hình 3.1 Các thiết bị trong nhà thông minh
Các modul thiết bị được sử dụng trong mô hình chức năng
➢ Hệ thống điều khiển nhiệt độ: a Thiết bị:
- Màn hình hiển thị trạng thái
- Màn hình giám sát nhiệt độ
- Thiết bị làm ấm không khí (tăng nhiệt độ)
- Thiết bị làm mát không khí (giảm nhiệt độ) b Chức năng:
Giám sát nhiệt độ trong phòng là cần thiết để so sánh với mức nhiệt độ chuẩn cho phép Khi nhiệt độ vượt quá mức cho phép, thiết bị làm mát sẽ tự động hoạt động để giảm nhiệt độ xuống mức an toàn.
Hình 3.2 Hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng khách
16 thấp hơn nhiệt độ cho phép thì thiết bị làm ấm sẽ hoạt động để tăng nhiệt độ căn phòng
➢ Hệ thống báo cháy: a Thiết bị
- Cảm biến phát hiện khói
- Còi báo động có cháy
- Vòi phun nước chữa cháy b Chức năng
Hệ thống báo động sẽ kích hoạt khi nồng độ khói vượt quá mức cho phép, khiến còi báo động kêu và vòi phun nước chữa cháy tự động phun nước để dập tắt đám cháy Khi nồng độ khói giảm về mức an toàn, vòi phun nước sẽ tự ngắt và còi báo động sẽ ngừng hoạt động.
➢ Hệ thống phát hiện nồng độ CO2
Hình 3.4 Hệ thống mở cửa khi CO2 vượt mức cho phép
Hình 3.3 Hệ thống chữa cháy tự động
- Cảm biến phát hiện nồng độ CO2
- Còi báo động CO2 quá mức cho phép
- Cửa sổ, cửa gara ô tô b Chức năng
Khi nồng độ CO2 vượt quá mức cho phép, hệ thống báo động sẽ kêu, đồng thời tất cả cửa sổ và cửa gara ô tô sẽ tự động mở để thoát khí độc ra ngoài Khi nồng độ CO2 giảm xuống mức an toàn, các cửa sẽ tự động đóng lại và còi báo động sẽ tắt.
➢ Đèn sáng tự động khi có người ra vào: a Thiết bị
- Đèn nhà tắm b Chức năng
Hệ thống tự động tắt bật đèn khi có người sử dụng nhà vệ sinh giúp giải quyết vấn đề khó tìm công tắc đèn vào ban đêm Bằng cách sử dụng cảm biến chuyển động, đèn sẽ tự động sáng khi phát hiện có người vào, mang lại sự tiện lợi và an toàn cho người dùng Đèn sẽ duy trì ánh sáng trong một khoảng thời gian nhất định, giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao trải nghiệm sử dụng.
1 phút để người dùng có thể tìm công tắc điện chính để mở lên
➢ Hệ thống tự động cân bằng độ ẩm trong phòng: a Thiết bị
- Thiết bị giám sát độ ẩm trong phòng
- Máy cân bằng độ ẩm b Chức năng
Hình 3.5 Hệ thống đèn sáng tự động
Giám sát độ ẩm trong phòng và so sánh với nhiệt độ chuẩn cho phép là rất quan trọng Khi độ ẩm trong phòng thấp hơn mức cho phép, máy phun sương sẽ tự động hoạt động để tăng cường độ ẩm, giúp cân bằng không khí trong phòng ngủ.
➢ Hệ thống tự động bổ sung nước a Thiết bị
- Vòi phun nước tự động
- Thiết bị giám sát mức nước trong hồ b Chức năng
Giám sát mức nước trong hồ là rất quan trọng, cần so sánh mức nước hiện tại với mức chuẩn cho phép Khi mức nước trong hồ thấp hơn mức cho phép, hệ thống vòi phun nước sẽ tự động hoạt động để tăng cường mức nước, đảm bảo sự cân bằng cho hồ.
➢ Hệ thống đèn led sử dụng điện mặt trời a Thiết bị
- Máy đo công suất sạc
- Ắc quy nạp điện từ pin mặt trời
Hình 3.6 Mô hình bổ sung nước cho hồ cá
- Đèn led sử dụng điện mặt trời b Chức năng
Hệ thống đèn LED hoạt động nhờ năng lượng mặt trời, với tấm pin mặt trời tạo ra điện để sạc ắc quy Công suất sạc được theo dõi bằng máy đo công suất, và kết quả sẽ được hiển thị trên điện thoại của chủ nhà Sau khi sạc, điện từ pin sẽ được sử dụng để chiếu sáng các đèn LED thông qua một bộ điều khiển MCU Hệ thống bao gồm ba đèn LED, trong đó một đèn được lắp đặt trước cửa nhà.
+ Cái thứ hai được lắp trong phòng khách
+ Cái thứ ba được lắp ngoài hiên nhà
➢ Hệ thống camera giám sát khi có người ra vào nhà
Hình 3.7 Hệ thống đèn led sử dụng năng lượng mặt trời
Hình 3.8 Hệ thống camera phát hiện chuyển động
- Camera giám sát b Chức năng
Hệ thống camera giám sát tự động kích hoạt khi có người ra vào cửa chính Cảm biến chuyển động sẽ phát hiện sự di chuyển và ngay lập tức camera sẽ bật lên để theo dõi Khi không còn người ra vào, cảm biến sẽ tắt và camera cũng sẽ ngừng hoạt động.
MÔ PHỎNG BẢN TIN ĐI QUA CÁC THIẾT BỊ TRONG MẠNG THAY ĐỔI Ở CÁC TẦNG
Demo bản tin trong hệ thống 3 mạng LAN
Hình 4.1 Mô hình 3 mạng LAN
Quá trình Simulation Laptop0 truy cập web trên Server1
Các bản tin khi đi qua các thiết bị trong hệ thống :
Hình 4.2 Bản tin của Laptop0
Do laptop0 truy cập web nên Layer7 sử dụng giao thức HTTP
Layer 4 chứa Src Port, Dst Port
Layer 3 chứa IP nguồn và đích
Layer 2 chứa các địa chỉ MAC
Layer 1 là các đường truyền vật lí
Hình 4.3 Bản tin của Router2
Hình 4.4 Bản tin của Router0
Hình 4.5 Bản tin của Switch0
Hình 4.6 Bản tin của Server1
Hình 4.7 Bản tin của Switch0
Hình 4.8 Bản tin của Router0
Hình 4.9 Bản tin của Router 2
Hình 4.10 Bản tin của Switch2
Hình 4.11 Bản tin của Laptop0
Demo bản tin trong đi qua các thiết bị trong mạng
Quá trình Simulation khi ping từ PC0 lên Server0
Hình 4.12 Bản tin của PC0
Layer 3 chứa IP nguồn và đích
Layer 2 chứa các địa chỉ MAC
Layer 1 là các đường truyền vật lí
Hình 4.13 Bản tin của Home Gateway1
Hình 4.14 Bản tin của Switch1
Hình 4.15 Bản tin của Switch0
Hình 4.16 Bản tin của Servo0
Hình 4.17 Bản tin của Switch0
Hình 4.18 Bản tin của Home Gateway1
Hình 4.19 Bản tin của PC0
MÔ PHỎNG KỊCH BẢN GỬI EMAIL KHI GẶP HOẢ HOẠN
Hình 5.4 Thêm tài khoản email trên server
Hình 5.5 Cài đặt tài khoản meail trên máy PC0
Hình 5.6 Khi gặp hoả hoạn sẽ tự động gửi mail đến PC0
