Tài liệu Hộp dự báo thời tiết kết nối wifi

Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan: Những nội dung trong đồ án này là do em thực hiện dưới sự hướng dẫn của cô Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh và nghiên cứu trên Internet, sách báo, các tài liệu trong và ngoài nước có liên quan, không sao chép hay sử dụng bài làm của bất kỳ ai khác. Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố. Em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan của mình trước các thầy cô và nhà trường. Tp.HCM, Tháng 12 Năm 2017 SINH VIÊN THỰC HIỆN Hồ Minh Nhật i Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáo trong trường Đại học Công nghệ TP.HCM và các thầy cô giáo trong Khoa Cơ Điện Điện Tử đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến cô Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh đã giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm báo cáo. Trong thời gian làm việc với thầy, cô, em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học và công tác sau này. Sau cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tâp, nghiên cứu và hoàn thành đồ án. Tp.HCM, Tháng 12 Năm 2017 SINH VIÊN THỰC HIỆN Hồ Minh Nhật ii Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................1 1. Giới thiệu đề tài .......................................................................................................1 2. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................2 3. Ý nghĩa khoa học của đề tài ....................................................................................2 4. Mục đích nghiên cứu ...............................................................................................3 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................3 6. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................4 7. Giới hạn của đề tài...................................................................................................4 8. Các kết quả của đề tài..............................................................................................4 9. Kết cấu của đồ án ....................................................................................................5 Chương 1: Tổng Quan Về Công Nghệ Internet of Thing................................................6 1.1 Mạng lưới vạn vật kết nối Internet ........................................................................6 1.1.1 Khái niệm .......................................................................................................6 1.1.2 Các mục tiêu của Internet Of Thing ...............................................................6 1.1.3 Tiềm năng công nghệ. ....................................................................................7 1.1.4 IoT là công nghệ tương lai ............................................................................8 1.1.5 Cách thức hoạt động của IOT ........................................................................8 1.1.6 IoT và quyền riêng tư & bảo mật ...................................................................9 1.2. Xu hướng và tính chất ..........................................................................................9 1.2.1 Thông minh ....................................................................................................9 1.2.2 Kiến trúc dựa trên sự kiện ............................................................................10 1.2.3 Là một hệ thống phức tạp ............................................................................10 1.2.4 Kích thước ....................................................................................................10 1.2.5 Vấn đề không gian, thời gian .......................................................................10 1.2.6 Ứng dụng .....................................................................................................10 1.3 Những thách thức ảnh hưởng đến sự phát triển của mô hình IoT......................12 1.3.1 Chưa có sự chuẩn hóa ..................................................................................12 1.3.2 Hàng rào subnetwork ...................................................................................12 1.3.3 Chi phí phát triển mạng................................................................................13 1.4 Kết Luận Chương : ..............................................................................................13 Chương 2: Cách Thức Hoạt Động Và Truyền Dữ Liệu Trong IoT ..............................14 iii Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh 2.1 Các công nghệ thành phần ..................................................................................14 2.1.1 Hệ thống nhúng (Embedded Systems).........................................................14 2.2 Các mô hình ứng dụng của IoT ..........................................................................15 2.2.1 Lưới điện thông minh ..................................................................................15 2.3 Công nghệ truyền thông trong IoT ......................................................................16 2.3.1 Wifi ..............................................................................................................16 2.3.2 Nguyên tắc hoạt động của Wifi ..................................................................16 2.3.3 Wifi hoạt động như thế nào ........................................................................17 2.3.4 Bảo mật trong WI-FI ....................................................................................18 2.4 Giao Thức TCP/IP:.............................................................................................19 2.4.1 Khái niệm giao thức là gì : ...........................................................................19 2.4.2 Khái Niệm Về Giao Thức TCP/IP: ..............................................................19 2.4.3 Kiến trúc TCP/IP ..............................................................................................20 Chương 3: GIỚI THIỆU LINH KIỆN VÀ KIẾN THỨC CƠ BẢN .............................30 3.1. Module Wi-fi Esp8266 .......................................................................................30 3.2 Module Buetooth HC-05 .....................................................................................36 3.2.1 Các chế độ hoạt động ...................................................................................37 3.3 IC thời gian thực DS1307 ...................................................................................40 3.3.1 Lấy thông tin về thời gian và lịch ................................................................41 3.3.2 Chi tiết các thanh ghi ...................................................................................42 3.4 Lcd 16x2 ..............................................................................................................43 3.5 Peltier (sò nóng lạnh): .........................................................................................46 3.6 Vi điều khiển PIC 18f46k80 ...............................................................................51 3.6.1 Sơ đồ chân vi điều khiển ..................................................................................52 3.6.2 Chức năng chân của vi điều khiển PIC18f46k80 ........................................53 3.7 Hệ điều hành android phần mềm và ngôn ngữ lập trình ....................................54 3.7.1 Giới thiệu về android: ..................................................................................54 3.7.2 Môi Trường lập trình Android Studio IDE ..................................................56 3.8 Lấy chuỗi json từ trang open weather map .........................................................65 Chương 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ............................................................................72 4.1 Mục Tiêu Đề Tài .................................................................................................72 4.2 Sơ đồ khối ...........................................................................................................72 4.3 Nguyên lý hoạt động và tính toán của từng khối ................................................74 iv Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh 4.3.1 Khối nguồn...................................................................................................74 4.3.2 Khối thời gian thực ......................................................................................76 4.3.3 Bộ xử lý trung tâm .......................................................................................79 4.3.4 Module Wi-fi ESP8266................................................................................80 4.3.5 Bluetooth HC-05 ..........................................................................................82 4.3.6 Khối hiển thị LCD .......................................................................................83 4.3.7 Khối công suất mô phỏng thời tiết ...............................................................84 4.4 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch .................................................................................90 4.4.1 Nguyên lý hoạt động : ..................................................................................92 4.4.2 Lưu đồ giải thuật chương trình cho vi điều khiển .......................................93 4.5 Mô Phỏng ............................................................................................................98 4.6 Thiết kế phần mềm và giao diện điều khiển .....................................................101 4.6.2 Lưu đồ thuật toán: ......................................................................................101 4.6.2 Bố cục giao diện: .......................................................................................105 Chương 5 Thi Công Phần Cứng Và Hoàn Thiện Sản Phẩm .......................................108 5.1 Thiết kế trên phần mềm máy tính .....................................................................108 5.1.1 Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in trên phần mềm Altium Designer 18: .............................................................................................................................108 5.1.2 Khiết kế khung hộp trên phần mềm autocad: ............................................109 .................................................................................................................................109 5.2 Thi công hoàn thiện sản phẩm thực tế ..............................................................110 Kết Luận ......................................................................................................................117 Hướng phát triển đề tài ............................................................................................117 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................119 Websites: .....................................................................................................................119 PHỤ LỤC PHẦN MỀM ..............................................................................................121 v Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh DANH MỤC BẢNG Bảng 3. 1 các lệnh AT chung ........................................................................................34 Bảng 3. 2 các lệnh AT cấu hình Wifi ............................................................................34 Bảng 3. 3 lệnh AT đối với cấu hình là Access Point .....................................................35 Bảng 3. 4 lệnh AT đối với cấu hình là Station / client ..................................................35 Bảng 3. 5 Thanh ghi RTC ..............................................................................................41 Bảng 3. 6 Chi tiết các thanh ghi ....................................................................................42 Bảng 3. 7 Thanh ghi control ..........................................................................................42 Bảng 3. 8 Lựa chọn tốc độ sóng vuông DS1307 ...........................................................43 Bảng 3. 9 Tương quan năng lượng của peltier ..............................................................49 Bảng 3. 10 Công suất của peltier ...................................................................................49 Bảng 3. 11 Icon list ........................................................................................................70 Bảng 4. 1 Các thanh ghi DS1307 ..................................................................................77 DANH MỤC HÌNH ẢNH MINH HỌA Hình 1. 1 Mô hình IoT .....................................................................................................7 Hình 2. 1 Mô hình các công nghệ thành phần của IoT .................................................14 Hình 2. 2 Mô hình hệ thống nhúng giám sát điều khiển từ xa ......................................14 Hình 2. 3 Mô hình thu phát sóng Wifi...........................................................................17 Hình 2. 4 Vai Trò Của Giao Thức Mạng.......................................................................19 Hình 2. 5 Các tầng của TCP/IP .....................................................................................21 Hình 2. 6 Tầng Network Access ....................................................................................21 Hình 2. 7 Tầng Internet..................................................................................................22 Hình 2. 8 Tầng Vận Chuyển ..........................................................................................22 Hình 2. 9 Tầng Ứng Dụng .............................................................................................23 Hình 2. 10 Mô hình OSI ................................................................................................23 Hình 2. 11 So Sánh Hai Mô Hình ..................................................................................25 Hình 2. 12 Các giai đoạn phát triến của chuẩn Wifi .....................................................28 Hình 2. 13 Băng thông của các chuẩn Wifi ...................................................................29 Hình 3. 1 Sơ đồ chân của module Esp 8266 ..................................................................32 Hình 3. 2 Module Bluetooth Hc-05 ...............................................................................36 Hình 3. 3 Sơ đồ chân Hc-05 ..........................................................................................36 Hình 3. 4 Sơ đồ kết nối chân HC-05với vi điều khiển Pic ............................................37 Hình 3. 5 Sơ đồ chân DS1307 .......................................................................................40 Hình 3. 6 Mạch ứng dụng đơn giản của DS1307 ..........................................................41 Hình 3. 7 Sơ đồ chân LCD 16x2 ...................................................................................44 Hình 3. 8 Sơ đồ đấu nối chân LCD 16x2 với vi điều khiển ..........................................45 vi Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh Hình 3. 9 Cấu tạo peltier(sò nóng lạnh) ........................................................................47 Hình 3. 10 Thực tế khi hoạt động của peltier ................................................................48 Hình 3. 11 Bên trong peltier ..........................................................................................48 Hình 3. 12 Vi điều khiển PIC 18f46k80 .......................................................................51 Hình 3. 13 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC 18f46k80 ......................................................52 Hình 3. 14 Phân bổ thị phần các phiển bản android ......................................................55 Hình 3. 15 Trang web tải Android Studio IDE .............................................................56 Hình 3. 16 Chọn phiên bản thấp nhất được hỗ trợ ........................................................57 Hình 3. 17 Chỉ định thư mục chứa project ....................................................................57 Hình 3. 18 Chọn để thêm một trang giao diện mới .......................................................58 Hình 3. 19 Đặt tên cho trang giao vừa chọn ..................................................................58 Hình 3. 20 Cấu trúc của một Project .............................................................................58 Hình 3. 21 Ý Nghĩa các khu vực ...................................................................................60 Hình 3. 22 Tạo thiết bị ảo ..............................................................................................63 Hình 3. 23 Các dòng máy dùng để mô phỏng ...............................................................63 Hình 3. 24 Các phiên bản của máy ảo vừa chọn ...........................................................64 Hình 3. 25 Thiết bị ảo đã được cài đặt ..........................................................................64 Hình 3. 26 Màn hình đăng nhập tài khoản ....................................................................65 Hình 3. 27 Màn hình sau khi đăng nhập ........................................................................66 Hình 3. 28 ......................................................................................................................66 Hình 3. 29 API key được tạo .........................................................................................66 Hình 3. 30 Hướng dẫn các kiểu get dữ liệu ...................................................................67 Hình 3. 31 Ví dụ hướng dẫn get chuỗi bằng ID thành phố ..........................................67 Hình 3. 32 Trang web dùng để định dạng lại chuỗi json vừa nhận ...............................68 Hình 3. 33 Chuỗi Json sau khi được định dạng lại ........................................................69 Hình 4. 1 Sơ đồ khối tổng quát ......................................................................................72 Hình 4. 2 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ..........................................................................74 Hình 4. 3 Sơ đồ nguyên lý khối thời gian......................................................................76 Hình 4. 4 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển ...............................................................79 Hình 4. 5 Sơ đồ nguyên lý khối Wi-fi ESP8266 ...........................................................80 Hình 4. 6 Cầu phân áp cho chân ra TX của vi điều khiển .............................................80 Hình 4. 7 Sơ đồ nguyên lý khối Bluetooth HC-05 ........................................................82 Hình 4. 8 sơ đồ nguyên lý khối LCD ............................................................................83 Hình 4. 9 sơ đồ nguyên lý khối điều khiển LED ...........................................................84 Hình 4. 10 sơ đồ nguyên lý khối động cơ máy bơm .....................................................86 Hình 4. 11 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển quạt thổi ..................................................87 Hình 4. 12 sơ đồ nguyên lý khối điều khiển Peltier tạo tuyết .......................................89 Hình 4. 13 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển tạo mây ...................................................89 Hình 4. 14 Lưu đồ giải thuật tổng quát .........................................................................93 Hình 4. 15 Lưu đồ giải thuật điều khiển thời tiết tùy chọn .........................................94 Hình 4. 16 Lưu đồ giải thuật tự động chọn tốc độ truyền .............................................95 Hình 4. 17 Lưu đồ giải thuật cho Ds1307 .....................................................................97 vii Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh Hình 4. 18 Mô phỏng hiển thị LCD ..............................................................................98 Hình 4. 19 Mô phỏng điều khiển các động cơ Led .......................................................99 Hình 4. 20 Mô phỏng ...................................................................................................100 Hình 4. 21 Lưu đồ cho app Android ............................................................................101 Hình 4. 22 Bố cục các layout màn hình 1....................................................................105 Hình 4. 23 Bố cục các layout màn hình 2....................................................................106 Hình 4. 24 Màn hình nhập liệu bằng giọng nói ...........................................................107 Hình 4. 25 Màn hình khi mở ứng dụng .......................................................................107 Hình 5. 1 Thiết kế Schemantic trên Altium Designer 18 ............................................108 Hình 5. 2 Thiết kế Layout PCB trên Altium Designer 18 ...........................................108 Hình 5. 3 xem trước PCB 3D ......................................................................................108 Hình 5. 4 Bản vẽ hộp ...................................................................................................109 Hình 5. 5 Layout mạch in Top.....................................................................................110 Hình 5. 6 Layout mạch in Bottom ...............................................................................110 Hình 5. 7 Ăn mòn ........................................................................................................110 Hình 5. 8 khoan lỗ .......................................................................................................110 Hình 5. 9 Phủ xanh UV layout Bottom .......................................................................111 Hình 5. 10 Phủ xanh UV layout Top ...........................................................................111 Hình 5. 11 Sau khi Phủ xanh UV layout Bottom ........................................................111 Hình 5. 12 Sau khi Phủ xanh UV layout Top ..............................................................111 Hình 5. 13 Hàn linh liện lên board mạch.....................................................................112 Hình 5. 14 Lắp ráp bộ phận tản nhiệt nước .................................................................112 Hình 5. 15 Bản vẽ cad 2d cho sản phẩm .....................................................................113 Hình 5. 16 Bản vẽ cad 3D............................................................................................114 Hình 5. 17 Mô hình dựng 3D ......................................................................................115 Hình 5. 18 Lắp ráp .......................................................................................................115 Hình 5. 19 Chuẩn bị vật liệu ........................................................................................115 Hình 5. 20 kiểm tra chạy thử .......................................................................................116 Hình 5. 21 Điều khiển và sửa lỗi .................................................................................116 Hình 5. 22 Sản phẩm hoàn chỉnh.................................................................................116 viii Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh LỜI MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu đề tài Con người và các sinh vật sống luôn phải phụ thuộc vào thiên nhiên, thời thiết là một phần quan trọng và cốt lõi để hình thành nên thế giới như hiện nay. Từ xa xưa con người nhận đã biết được thời tiết theo mùa và đã nỗ lực dự báo thời tiết một cách không chính thức từ nhiều thiên niên kỳ trước. Các hiện tượng thời tiết như mưa, nắng, ẩm thấp, nóng, lạnh, bão và sấm chớp đều xảy ra một cách khó đoán và hầu như những người bình thường chúng ta thường hiểu biết khá ít về việc tự dự báo để biết trước để có những giải pháp kịp thời tốt hơn, giảm thiểu sự khó khăn khi đối mặt với sự thay đổi bất ngờ của thời tiết. Mơ ước có lẽ đã có từ xa xưa nhưng đến bây giờ vẫn còn đó là có một chiếc hộp có thể thu nhỏ thời tiết hiện tại và tương của cả thế giới xung quanh rộng lớn lại gần ngay trên chiếc bàn làm việc của mình. Để mỗi khi nhìn lên là ta đã có thông tin thời tiết của cả thế giới mà không cần phải mất quá nhiều công sức cho việc dự đoán thiếu chính xác. Là một sinh viên ngành điện tử luôn có mong muốn làm ra những sản phẩm mới lạ góp phần nhỏ vào sự phát triển ngày một nhanh của xã hội rộng lớn. Đề tài “Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wi-Fi” đã được ra đời với mong muốn phục vụ cho nhu cầu về thông tin thời tiết ngay trong ngôi nhà, phòng khách hay tại bàn làm việc một cách nhanh nhóng chính xác hơn và cũng góp phần vào thẩm mỹ của một ngôi nhà tiện nghi hiện đại. 1 Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh 2. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay nhờ những tiến bộ về khoa học, chúng đã có thể dự đoán khá chính xác các hiện tượng thời tiết diễn ra và được cập nhật hàng ngày trên các phương tiện truyền thông. Nhưng ít ai để ý tới những thông báo này vì đa phần mọi người đều rất bận rộn cho cuộc sống tất bật, không có thời gian kiểm tra và cập nhật thời tiết liên tục ngay cả khi thời đại điện thoại thông minh đang hiện hữu, có thể kiểm tra trên tay nhưng hầu hết mọi người rất ít sử dụng ứng dụng dự báo và không có thói quen này dẫn đến những bất lợi trong làm việc điển hình như là trong lĩnh vực sản suất nông nghiệp, bất lợi trong sinh hoạt như việc các chị nội trợ phải giặt giũ phơi quần áo cũng vẫn cần biết nắng mưa, trong vui chơi và cả bảo vệ an toàn cho sức khỏe. Chính vì vậy việc có trong tay một chiếc “Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối WiFi” là thật sự cần thiết cho những nhu cầu cao của xã hội hiện đại, ý nghĩa trong sản xuất của người nông dân vốn ít tiếp cận với công nghệ vẫn dễ dàng nắm bắt, cho những buổi tiệc, vui chơi thêm phần thú vị mà không vị ngắt quãng vì thời tiết thất thường, ví dụ điển hình là chính là Sài Gòn thân quen. Nó có ý nghĩa: - Giúp cho việc bảo vệ sức khỏe khi ra đường với những cơn mưa bất chợt. - Là quà tặng ý nghĩa cho những người mà chúng ta yêu thương dù cách xa hàng nghìn kilomet vẫn biết được tình hình thời tiết ở nơi mà người đó đang ở một cách chân thật nhất. - Có một thiết bị mới gia nhập vào trong trong hệ sinh thái đang phát triển rầm rộ hiện nay là Internet of Thing(IOT) hy vọng sẽ góp phần vào sự phát triển đa dạng của các hệ thống thông minh hiện đại. 3. Ý nghĩa khoa học của đề tài - Nghiên cứu triển khai ứng dụng của IoT và công nghệ điều khiển không dây vào công nghệ dự báo thời tiết. - Giúp mọi người có thể xem tin tức dự báo thời tiết một cách trực quan, sinh động. 2 Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh - Có thể giúp giáo viên giảng dạy về địa lý có mô hình giảng dạy. Giúp cho những bài hoc khô khan về vùng miền địa lý thêm phần sinh động, hỗ trợ tốt cho việc tiếp thu của học sinh. - Trong y tế giúp những bệnh nhân phải ở trong phòng bệnh có thể nhận biết khí hậu ở bên ngoài, nhằm giảm căng thẳng, nhàm chán, tâm lý tốt hơn. - Có thể đưa vào là một phần không thể thiếu trong thiết kế nội thất tương lai giúp cuộc sống tiện lợi hơn. 4. Mục đích nghiên cứu - Đồ án được nghiên cứu, mới mục đích tạo ra một thiết bị kết nối không dây hiển thị thời tiết một cách trực quan nhất là hiển thị vật lý những gì thời tiết ngoài trời đang có, giúp cho người dùng biết nhanh được ngoài trời đang như thế nào, mà không cần phải lại mở cửa sổ để kiểm tra. Hoặc những ai sống xa nhà, muốn biết tình hình thời tiết cụ thể ở quê hương của mình. - Điểm đặc biệt của hôp dự báo thời tiết đó là nó cho chúng ta thấy được một cách thực tế những gì mà ngoài trời đang diễn ra, từ mưa, mây cho đến sấm chớp. - Bên trong mỗi hộp sẽ bao gồm các bộ phận để hỗ trợ mô phỏng thời tiết như: bộ tạo và khuếch tán sương mù để diễn tả trời nhiều mây, máy phun và bơm nước nhỏ để tạo hiệu ứng mưa, và đèn LED nhiều màu nhấp nháy để cho biết trời có sấm sét, đóng tuyết từ sò nóng lạnh khi thể hiện mùa đông nơi đang có tuyết rơi, cùng những thông tin nhệt độ áp suất, độ ẩm hiển thị trên LCD thông qua kết nối thiết bị với mạng internet để ấy dữ liệu thời tiết và có thể điều khiển theo sở thích bằng điện thoại qua bluetooth. - Đề cập đến ứng dụng trên smartphone, sau khi đã kết nối không dây với chiếc hộp, người dùng sẽ chọn thời tiết của một khu vực nào đó. Sau khi lấy dữ liệu thời tiết và dự báo thời tiết về, chiếc hộp bắt đầu hoạt động dựa trên điều kiện thời tiết hiện thời của khu vực được thiết lập. ví dụ bạn nào ở Hồ Chí Minh mà có bạn ở Tokyo có thể chọn khu vực Tokyo và hộp sẽ mô phỏng lại thời tiết của Tokyo ngay lúc đó. 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Lý thuyết tổng quan về esp8266 Lý thuyết tổng quan về Bluetooth Hc 05 3 Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh Cổng kết nối UART Giao thức kết nối Wifi 802.11 b/g/n, bluetooth 2.0. Tìm hiểu về chuỗi json. Lập trình ứng dụng di động bằng androi studio. Lập trình cho vi điều khiển Pic Xây dựng nguyên lý mô phỏng trên máy tính Xây dựng bản vẽ mô hình sản phẩm. Tìm hiểu về sò nóng lạnh(peltier) và thiết kế bộ phận tản nhiệt nước. Nguyên lý làm việc của máy phung sương. Băm xung và điều khiển động cơ, đèn led Rgb. 6. Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng các tài liệu đã xuất bản, các bài báo khoa học và một số tài liệu chia sẻ trên website về esp8266, HC05 và vi điều khiển pic. - Tìm hiểu công nghệ wifi so với các công nghệ khác như ethernet, modem sim… - Phân tích, đánh giá, so sánh các tính năng vượt trội của kỹ thuật dùng mạng wifi. - Sử dụng kiến thức về tản nhiệt máy tính áp dụng trong việc tản nhiệt thiết bị. - Nghiên cứu sử dụng ngôn ngữ Java và phần mềm lập trình Androi studio. - Kết hợp với mô phỏng để làm sáng tỏ các vấn đề nêu ra. - Thiết kế mô hình giải quyết các vấn đề không gian cho các thiết bị trong mô hình. 7. Giới hạn của đề tài Để những ứng dụng hoạt động tốt cần thời gian kiểm tra và gỡ lỗi, để hoàn chỉnh về thiết kế ứng dụng đi động cần có kiến thức chuyên sâu hơn. Trong đề tài này chỉ dừng lại ở việc hiển thị thông tin thời tiết qua kết nối wifi và Bluetooth điều khiển thiết bị bằng ứng dụng di động. 8. Các kết quả của đề tài Sau thời gian gần 3 tháng tìm hiểu thiết kế và thi công đề tài: “Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wi-Fi” em đã hoàn thành đươc đề tài. Kết quả đã tạo ra được mạch hoàn chỉnh chạy ổn định trực tiếp từ internet, điều khiển thiết bị qua Smartphone. Qua đó đã đúc kết và thu thập nhiều kinh nghiệm về lĩnh vực IOT, hiểu biết mới về lập trình ứng dụng di dộng Androi, và trải qua nhiều đồ án đã sử dụng thuần thục công cụ thiết kết, 4 Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh gia công, lập trình mạch điện tử, góp phần cũng cố thêm cho kiến thức và kinh nghiệm của bản thân mình. 9. Kết cấu của đồ án Gồm 5 chương: Chương 1: Tổng Quan Về Công Nghệ Internet of Thing(IoT) Chương 2: Cách Thức Hoạt Động Và Truyền Dữ Liệu Trong IoT Chương 3: Giới Thiệu Linh Kiện Và Kiến Thức Cơ Bản Chương 4: Tính Toán Thiết Kế Chương 5: Thi Công Phần Cứng Và Hoàn Thiện Sản Phẩm 5 Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh Chương 1: Tổng Quan Về Công Nghệ Internet of Thing 1.1 Mạng lưới vạn vật kết nối Internet 1.1.1 Khái niệm Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet viết tắt là IoT (tiếng Anh: Internet of Things) là một loại hình kết nối mới của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó. Một vật trong IoT có thể là một người với một trái tim cấy ghép; một động vật ở trang trại với bộ chip sinh học; một chiếc xe với bộ cảm ứng tích hợp cảnh báo tài xế khi bánh xe xẹp hoặc bất kỳ vật thể tự nhiên hay nhân tạo nào mà có thể gán được một địa chỉ IP và cung cấp khả năng truyền dữ liệu thông qua mạng lưới. Cho đến nay, IoT là những liên kết máy đến máy (M2M) trong ngành sản xuất, công nghiệp năng lượng, kỹ nghệ xăng dầu. Khả năng sản phẩm được tích hợp máy đến máy thường được xem như là thông minh 1.1.2 Các mục tiêu của Internet Of Thing "Internet of Things" là một khái niệm, khi mà mỗi đồ vật, được cung cấp một định danh riêng, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Hiểu một cách đơn giản, IoT là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó, mà không cần sự can thiệp của con người. 6 Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh 1.1.3 Tiềm năng công nghệ. Internet of Things (IoT) có thể quan trọng hơn Internet trong việc định hình lại bức tranh hình của nền kinh tế. Tiềm năng mạnh mẽ của IoT sẽ tạo nên một kỷ nguyên mới cho sự thịnh vượng .Với IoT, CNTT đang trở thành phần không thể thiếu của một sản phẩm. Một sản phẩm mới trong tương lai không thể thiếu các cảm biến đi kèm, bộ xử lý và phần mềm. Và những sản phẩm này sẽ được kết nối với các hệ thống phân tích để xử lý dữ liệu. Sự kết hợp đó sẽ làm thay đổi phương thức hoạt động của doanh nghiệp từ việc tạo ra các sản phẩm cho đến việc tương tác với khách hàng. Những sản phẩm mới và tốt hơn sẽ tạo bước nhảy vọt về hiệu suất phát triển của nền kinh tế. Làn sóng thứ 3 của CNTT là sự chuyển đổi mang tính định hướng và có tiềm năng lớn hơn bao giờ hết tạo nên sự đổi mới, tăng trưởng kinh tế mạnh mẽ so với 2 làn sóng trước. Tiềm năng của IoT có thể khó nhận ra vì các sản phẩm hiện nay chưa thể hiện rõ những thay đổi mà nó mang lại. Dữ liệu thu về chưa được sử dụng vào mục đích cụ thể, các dịch vụ tao ra cũng chưa có. Cạnh tranh về giá cả, hay dịch vụ còn tương đối mơ hồ. Tất cả những tiến bộ gần đây từ điện toán đám mây, thiết bị di động và dữ liệu lớn hoặc mở rộng hoặc đang thay thế dần các hoạt động kinh doanh hiện tại, còn IoT chỉ mới là xu hướng mang tính trào lưu. Hình 1. 1 Mô hình IoT 7 Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh 1.1.4 IoT là công nghệ tương lai IoT đơn giản là bước logic tiếp theo trong một quá trình tiến hóa. Sự thật nằm ở các nền tảng xây dựng nên công nghệ IoT bao gồm vi điều khiển, vi xử lý, các bộ cảm biến môi trường và những loại khác, phương thức giao tiếp khoảng cách ngắn và xa đang được dùng rộng rãi ngày nay. Chúng đã trở nên rất mạnh mẽ, nhỏ hơn và chi phí sản xuất rẻ hơn. IoT, như chúng ta định nghĩa, trong khi tiến hóa các công nghệ hiện hữu xa hơn, đơn giản thêm vào 1 khả năng nữa một hạ tầng dịch vụ bảo mật pha trộn vào công nghệ này. Một hạ tầng dịch vụ như vậy sẽ hỗ trợ việc giao tiếp và khả năng điều khiển từ xa sẽ cho phép các thích bị kích hoạt Internet đa dạng có thể làm việc cùng nhau. 1.1.5 Cách thức hoạt động của IOT Đa số thiết bị được gọi là ‘thông minh’ ngày nay đều đồng nghĩa với việc nó được sản xuất kèm theo tính năng giao tiếp qua các kênh không dây. Các giao thức giao tiếp không dây trong thế giới IoT được thiết kế để thỏa mãn các yêu cầu cơ bản: tiêu tốn ít năng lượng cho việc thu/phát sóng, tiêu tốn ít băng thông (để giảm gánh nặng cho router wireless và hệ thống mạng), hoạt động trong mạng mắt lưới…Một số thiết bị sẽ giao tiếp qua Wi-fi hay Bluetooth, nhưng đa phần sẽ tận dụng các kết nối sử dụng dải tần dưới mức GHz . Đa số các thiết bị và cảm biến trong mạng IoT sẽ sử dụng điện từ điện gia dụng, nhưng cũng có rất nhiều thành phần trong đó, ví dụ như cơ chế tự động khóa trên cửa, sẽ phải sử dụng các nguồn nnăng lượng như pin. Các thiết bị độc lập này sẽ gửi và nhận một lượng thông tin rất nhỏ theo một chu kì định sẵn. Vì vậy, miễn sao việc gửi tín hiệu không dây được thiết kế hợp lí để tiêu tốn ít năng lượng và băng thông, ngay cả khi sử dụng pin thì thời lượng sử dụng của các thiết bị này vẫn có thể kéo dài lên tới hơn 1 năm hay thậm chí cả thập kỉ. Một trong những hãng sản xuất thiết bị IoT đình đám nhất, Insteon, thậm chí đang tích cực sản xuất các dòng sản phẩm với khả năng giao tiếp qua cả kênh sóng không dây lẫn thông qua đường truyền tải điện (hiện đã có sẵn những công nghệ cho phép truyền tải tín hiệu ở mức hạn chế qua đường dây dẫn điện trong nhà), khiến độ tin cậy tăng lên rất nhiều. 8 Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh 1.1.6 IoT và quyền riêng tư & bảo mật Bảo mật và quyền riêng tư là những lo ngại chính và giải quyết những lo ngại này là ưu tiên hàng đầu. Những lo ngại như vật thật sự chính đáng. Công nghệ mới thường kèm theo khả năng bị lạm dụng trở thành mối nguy hại, và quan trọng là cần giải quyết vấn đề trước khi quyền riêng tư và an ninh cá nhân, cải tiến hay tăng trưởng kinh tế bị cản trở. Những nhà sản xuất, các tổ chức tiêu chuẩn và những nhà làm chính sách đã và đang phản hồi trên nhiều mức độ. Ở mức độ thiết bị, những nhà nghiên cứu an ninh đang thực hiện các phương pháp bảo vệ những bộ xử lý để khi bị xâm nhập, kẻ tấn công không có khả năng ngăn chặn dữ liệu hay xâm nhập hệ thống mạng lưới. Tại mức độ mạng lưới, các phương thức bảo mật mới sẽ cần thiết để bảo đảm mã hóa giao tiếp đầu cuối và mức độ lẫn khả năng xác thực các dữ liệu nhạy cảm, và do với IoT rủi ro cao hơn Internet, ngành công nghệ đang phải xem xét mức độ an ninh và tối ưu hóa toàn hệ thống. 1.2. Xu hướng và tính chất 1.2.1 Thông minh Sự thông minh và tự động trong điều khiển thực chất không phải là một phần trong ý tưởng về IoT. Các máy móc có thể dễ dàng nhận biết và phản hồi lại môi trường xung quanh (ambient intelligence), chúng cũng có thể tự điều khiển bản thân (autonomous control) mà không cần đến kết nối mạng. Tuy nhiên, trong thời gian gần đây người ta bắt đầu nghiên cứu kết hợp hai khái niệm IoT và autonomous control lại với nhau. Tương lai của IoT có thể là một mạng lưới các thực thể thông minh có khả năng tự tổ chức và hoạt động riêng lẻ tùy theo tình huống, môi trường, đồng thời chúng cũng có thể liên lạc với nhau để trao đổi thông tin, dữ liệu .Việc tích hợp trí thông minh vào IoT còn có thể giúp các thiết bị, máy móc, phần mềm thu thập và phân tích các dấu vết điện tử của con người khi chúng ta tương tác với những thứ thông minh, từ đó phát hiện ra các tri thứcmới liên quan tới cuộc sống, môi trường, các mối tương tác xã hội cũng như hành vi con người 9 Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh 1.2.2 Kiến trúc dựa trên sự kiện Các thực thể, máy móc trong IoT sẽ phản hồi dựa theo các sự kiện diễn ra trong lúc chúng hoạt động theo thời gian thực. Một số nhà nghiên cứu từng nói rằng một mạng lưới các sensor chính là một thành phần đơn giản của IoT 1.2.3 Là một hệ thống phức tạp Trong một thế giới mở, IoT sẽ mang tính chất phức tạp bởi nó bao gồm một lượng lớn các đường liên kết giữa những thiết bị, máy móc, dịch vụ với nhau, ngoài ra còn bởi khả năng thêm vào các nhân tố mới 1.2.4 Kích thước Một mạng lưới IoT có thể chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và mạng lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng. Một con người sống trong thành thị có thể bị bao bọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối tượng có khả năng theo dõi. 1.2.5 Vấn đề không gian, thời gian Trong IoT, vị trí địa lý chính xác của một vật nào đó là rất quan trọng. Hiện nay, Internet chủ yếu được sử dụng để quản lý thông tin được xử lý bởi con người. Do đó những thông tin như địa điểm, thời gian, không gian của đối tượng không mấy quan trọng bởi người xử lý thông tin có thể quyết định các thông tin này có cần thiết hay không, và nếu cần thì họ có thể bổ sung thêm. Trong khi đó, IoT về lý thuyết sẽ thu thập rất nhiều dữ liệu, trong đó có thể có dữ liệu thừa về địa điểm, và việc xử lý dữ liệu đó được xem như không hiệu quả. Ngoài ra, việc xử lý một khối lượng lớn dữ liệu trong thời gian ngắn đủ để đáp ứng cho hoạt động của các đối tượng cũng là một thách thức hiện nay. 1.2.6 Ứng dụng Sẽ có gần 26 tỷ thiết bị trên IoT vào năm 2020. ABI Research ước tính rằng hơn 30 tỷ thiết bị sẽ được kết nối không dây với "Kết nối mọi thứ" (Internet of Everything) vào năm 2020. Theo một cuộc khảo sát và nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi Dự án 10 Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh Internet Pew Research, một phần lớn các chuyên gia công nghệ đã hưởng ứng tham gia sử dụng Internet of Things với 83% đồng ý quan điểm cho rằng Internet / Cloud of Things, nhúng và tính toán đeo (và các hệ thống năng động, tương ứng) sẽ có tác động rộng rãi và mang lại lợi ích đến năm 2025. Như vậy, rõ ràng là IoT sẽ bao gồm một số lượng rất lớn các thiết bị được kết nối với Internet Tích hợp với mạng Internet có nghĩa rằng thiết bị này sẽ sử dụng một địa chỉ IP như là một định danh duy nhất. Tuy nhiên, do sự hạn chế không gian địa chỉ của IPv4 (cho phép 4,3 tỷ địa chỉ duy nhất), các đối tượng trong IOT sẽ phải sử dụng IPv6 để phù hợp với không gian địa chỉ cực kỳ lớn cần thiết Các đối tượng trong IoT sẽ không chỉ có các thiết bị có khả năng cảm nhận xung quanh, mà còn cung cấp khả năng truyền động Ở một mức độ lớn, tương lai của Internet of Things sẽ không thể không có sự hỗ trợ của IPv6; và do đó việc áp dụng toàn cầu của IPv6 trong những năm tới sẽ rất quan trọng cho sự phát triển thành công của IOT trong tương lai. Khả năng kết nối vào mạng của thiết bị nhúng với CPU, bộ nhớ giới hạn và năng lượng bền bỉ. IoT được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực Hệ thống như vậy có thể có nhiệm vụ thu thập thông tin trong các thiết lập khác nhau, từ các hệ sinh thái tự nhiên cho các tòa nhà và các nhà máy, do đó việc tìm kiếm các ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến môi trường và quy hoạch đô thị. Mặt khác, hệ thống IoT cũng có thể thực hiện các hành động, không chỉ cảm nhận mọi thứ xung quanh. Hệ thống mua sắm thông minh, ví dụ có thể theo dõi thói quen mua người dùng cần ở một cửa hàng bằng cách theo dõi điện thoại di động của họ. Người dùng sau đó có thể được cung cấp các cập nhật trên sản phẩm yêu thích của họ, hoặc thậm chí là vị trí của các mục mà họ cần, hay tủ lạnh của họ cần. Tất cả đã tự động chuyển vào điện thoại. ví dụ bổ sung các cảm biến trong các ứng dụng phản ứng lại với nhiệt độ môi trường, điện và quản lý năng lượng, cũng như hỗ trợ hành trình của các hệ thống giao thông vận tải Tuy nhiên, các ứng dụng của IoT không chỉ giới hạn trong các lĩnh vực này. Trường hợp sử dụng chuyên ngành khác của IoT cũng có thể tồn tại. Một cái nhìn tổng quan về một số lĩnh vực ứng dụng nổi bật nhất được cung cấp ở đây. Dựa trên các miền ứng dụng, sản phẩm IoT có thể chia thành năm loại khác nhau: thiết bị đeo thông minh, nhà 11 Hộp Dự Báo Thời Tiết Kết Nối Wifi GVHD Ths.Nguyễn Thị Ngọc Anh thông minh, thành phố thông minh, môi trường thông minh, và doanh nghiệp thông minh. Các sản phẩm và giải pháp IoT trong mỗi thị trường có đặc điểm khác nhau. 1.3 Những thách thức ảnh hưởng đến sự phát triển của mô hình IoT 1.3.1 Chưa có sự chuẩn hóa Sự chuẩn hóa ở đây được hiểu như là một ngôn ngữ giao tiếp chung. Ở mức cơ bản nhất, Internet là một mạng dùng để nối thiết bị này với thiết bị khác. Nếu chỉ riêng có kết nối không thôi thì không có gì đảm bảo rằng các thiết bị biết cách giao tiếp với nhau (ví dụ như bạn có thể đi từ Việt Nam đến Mỹ, nhưng không đảm bảo rằng bạn có thể nói chuyện tới với người Mỹ). Để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau, chúng sẽ cần một hoặc nhiều giao thức (protocols), có thể xem là một thứ ngôn ngữ chuyên biệt để giải quyết một tác vụ nào đó. Chắc chắn bạn đã ít nhiều sử dụng một trong những giao thức phổ biến nhất thế giới, đó là HyperText Transfer Protocol (HTTP) để tải web. Ngoài ra chúng ta còn có SMTP, POP, IMAP dành cho email, FTP dùng để trao đổi file, …vv. Những giao thức như thế này hoạt động ổn bởi các máy chủ web, mail và FTP thường không phải nói với nhau nhiều, khi cần, một phần mềm phiên dịch đơn giản sẽ đứng ra làm trung gian để hai bên hiểu nhau. Còn với các thiết bị IoT, chúng phải đảm đương rất nhiều thứ, phải nói chuyện với nhiều loại máy móc thiết bị khác nhau. Đáng tiếc rằng hiện người ta chưa có nhiều sự đồng thuận về các giao thức để IoT trao đổi dữ liệu. 1.3.2 Hàng rào subnetwork Như đã nói ở trên, thay vì giao tiếp trực tiếp với nhau, các thiết bị IoT hiện nay chủ yếu kết nối đến một máy chủ trung tâm do hãng sản xuất, một nhà phát triển nào đó quản lí. Cách này cũng vẫn ổn, những thiết bị vẫn hoàn toàn nói được với nhau thông qua chức năng phiên dịch của máy chủ. Thế nhưng mọi chuyện không đơn giản như thế, cứ mỗi một mạng lưới như thế tạo thành một subnetwork riêng, và vấn đề là các máy móc nằm trong subnetwork này không thể giao tiếp tốt với subnetwork khác. Một số trong những vấn đề nói trên chỉ đơn giản là vấn đề về kiến trúc mạng, về kết nối mà các thiết bị sẽ liên lạc với nhau (Wifi, Bluetooth, NFC,...). Những thứ này thì 12