Bài tập lớn: Các Giải Pháp và Hệ Thống IoT Tiên Tiến | Iot và ứng dụng | Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Trong thời đại công nghệ phát triển mạnh mẽ, việc đảm bảo an ninh, an toàn cho chính ngôi nhà của chúng ta trở thành một trong những mối quan tâm hàng đầu của mỗi cá nhân và doanh nghiệp. Công nghệ IoT (Internet of Things) đã mở ra nhiều giải pháp tiên tiến giúp nâng cao khả năng giám sát, cảnh báo và bảo vệ không gian sống. Tài liệu được sưu tầm và soạn thảo dưới dạng file PDF để gửi tới các bạn cùng tham khảo, ôn tập đầy đủ kiến thức, chuẩn bị cho các buổi học thật tốt. Mời bạn đọc đón xem!
Môn: IoT và ứng dụng 143 tài liệu
Trường: Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 1.8 K tài liệu
Tác giả:
Preview text:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG I ----- 🙠🕮🙢 🙠 ----- BÀI TẬP LỚN
MÔN CÁC GIẢI PHÁP VÀ HỆ THỐNG IOT TIÊN TIẾN
ĐỀ TÀI: Dự án Home Safety Giảng viên
: TS. Ngô Thị Thu Trang Nhóm lớp
: TEL 1464 – Nhóm 02
Nhóm bài tập : Nhóm 05 Thành viên
: B21DCVT280 - Trần Hiền Lương
B21DCVT328 – Phạm Quý Ngọc
B21DCVT160 – Lương Ngọc Duy
B21DCVT176 - Ngô Văn Hải Hà Nội, 2025
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến Mục lục MỤC LỤC
MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .i
DANH MỤC HÌNH ẢNH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi
LỜI NÓI ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
CHƯƠNG 1. CÁC THÀNH PHẦN PHẦN CỨNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1. ESP32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Cảm biến khí GAS MQ – 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3. Cảm biến phát hiện chuyển động PIR HC – SR501 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4. Động cơ Servo SG – 90 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5. Màn hình OLED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.6. ESP32 – CAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.7. Buzzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
CHƯƠNG 2. CÁC GIAO THỨC VÀ QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG . . . . . . . . . . . 10
2.1. Giao thức lớp vật lý và liên kết dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.2. Cách thức hoạt động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2. Giao thức lớp mạng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2. Cách thức hoạt động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3. Giao thức lớp ứng dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.1. Tổng quan về giao thức MQTT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.2. MQTT Broker HiveMQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4. Node – RED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.1. Tổng quan về Node – RED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.2. Node-RED dashboard sử dụng cho dự án Home Safety . . . . . . . . . 13
2.5. Quy trình hoạt động chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5.1. Kết nối ESP32 với HiveMQ (MQTT Broker) . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5.2. HiveMQ nhận dữ liệu từ ESP32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5.3. Node – RED nhận và xử lý dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.6. Quy trình hoạt động với từng trường hợp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Nhóm 05 i
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến Mục lục
2.6.1. Khi phát hiện khí gas vượt ngưỡng cho phép . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.6.2. Khi phát hiện chuyển động bằng cảm biến PIR.. . . . . . . . . . . . . . . 16
2.6.3. Khi có người lạ muốn vào nhà (ESP32-CAM) . . . . . . . . . . . . . . . . 16
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ TRIỂN KHAI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1. Sơ đồ tổng quan của dự án . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2. Sơ đồ hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.1. Cảm biến khí gas MQ – 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.2. LED đơn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.3. Cảm biến chuyển động PIR HC – SR501 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.4. Servo 1 – Cửa thông gió . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.5. Servo 2 – Cửa điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.6. OLED 1.3 inch (I2C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.7. Buzzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.8. ESP32 – CAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3. Triển khai dự án . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.1. Phần cứng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.2. Phần mềm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
CHƯƠNG 4. TỔNG KẾT VÀ ĐÁNH GIÁ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1. Ưu điểm của dự án . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.1. Thiết bị phần cứng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.2. Nền tảng Node – RED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2. Những thách thức khi triển khai dự án. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2.1. Vấn đề kĩ thuật . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2.2. Vấn đề nền tảng và phần mềm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2.3. Vấn đề triển khai thực tế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.3. Quy tắc đạo đức nghề nghiệp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.3.1. Bảo vệ quyền riêng tư khách hàng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.3.2. Minh bạch trong thu thập và xử lý dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.3.3. Không sử dụng sai mục đích . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.3.4. Tôn trọng quyền thu hồi dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4. Trách nhiệm đạo đức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4.1. Đảm bảo tính bảo mật của sản phẩm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4.2. Tránh gây hoang mang cho người dùng do báo động sai . . . . . . . . 27 Nhóm 05 i
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến Mục lục
4.4.3. Cập nhật bảo mật thường xuyên . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.4.4. Đảm bảo công bằng cho mọi người dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Nhóm 05 i i
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến Danh mục hình ảnh DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Vi điều khiển ESP32 3
Hình 1.2 Cảm biến khói/khí gas MQ - 2 4
Hình 1.3 Cảm biến chuyển động PIR HC - SR501 5
Hình 1.4 Động cơ Servo SG - 90 6
Hình 1.5 Màn hình hiển thị OLED 7
Hình 1.6 Sơ đồ chân ESP32 - CAM 8 Hình 1.7 Buzzer 9
Hình 2.1 MQTT và cách hoạt động 11 Hình 2.2 HiveMQ Broker 12 Hình 2.3 Node – RED 13
Hình 2.4 Tổng quan các chức năng tại Node - RED Flow 14
Hình 2.5 Dashboard được tạo 14
Hình 2.6 Thông tin về URL và Port của dự án 15
Hình 2.7 Các topic đã đăng ký 15
Hình 3.1 Kết nối chân ESP32 với các thiết bị 19
Hình 3.2 Mô hình phần cứng 21
Hình 3.3 Cụm phát hiện và cửa tự động 21
Hình 3.4 Màn hình OLED trạng thái an toàn 22
Hình 3.5 Màn hình OLED cảnh báo xâm nhập 22
Hình 3.6 Màn hình OLED cảnh báo rò rỉ khí gas 22
Hình 3.7 Trạng thái an toàn 23
Hình 3.8 Cảnh báo phát hiện xâm nhập 23
Hình 3.9 Cảnh báo rò rỉ khí gas 23
Hình 3.10 Hình ảnh gửi về từ camera 24
Hình 3.11 Mở cửa khi nhận thấy khuôn mặt hợp lệ 24 Nhóm 05 iv
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến
Danh mục bảng biểu
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Chức năng các chân của MQ - 2 4 Bảng 3.1 Sơ đồ dự án 18
Bảng 3.2 Tóm tắt sơ đồ nối ESP32 với các thiết bị 19 Nhóm 05 v
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến
Danh mục thuật ngữ viết tắt
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
STT Tên viết tắt Tên tiếng Anh Ý nghĩa 1 ADC
Analog-to-Digital Converter Mạch chuyển tín hiệu tương tự thành tín hiệu số 2 AES Advanced Encryption
Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến Standart 3 API Application Programming
Giao diện lập trình ứng dụng Interface 4 APP Application Ứng dụng 5 CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm 6 DAC
Digital-to-Analog Converter Mạch chuyển tín hiệu số thành tín hiệu trương tự 7 DC Direct Current Dòng điện một chiều 8 DHCP
Dynamic Host Configuration Giao thức cấu hình động máy Protocol chủ 9 GND Ground Nối đất 10 GPIO General-Purpose
Chân tín hiệu kĩ thuật số trên Input/Output mạch tích hợp 11 HTTP
Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản 12 I2C Inter-Integrated Circuit
Giao thức truyền thông nối tiếp 13 IBM International Business
Tập đoàn Công nghệ máy tính Machines đa quốc gia 14 IEEE Institute of Electrical and
Hội Kỹ sư Điện và Điện tử Electronics Engineers 15 IoT Internet of Things Internet vạn vật 16 IP Internet Protocol Giao thức Internet 17 LAN Local Area Network Mạng cục bộ 18 LED Light-Emit ing Diode Diode phát quang (đèn LED) 19 LPG Liquefied Petroleum Gas Khí hóa lỏng 20 MQTT
Message Queuing Telemetry Giao thức truyền thông điệp Transport MQTT 21 OLED Organic Light-Emit ing
Diode phát quang hữu cơ (màn Diode hình OLED) 22 PIR Passive Infrared Sensor
Cảm biến hồng ngoại thụ động 23 PWM Pulse Width Modulation
Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung 24 QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ 25 RAM Random Access Memory
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên 26 SCL Serial Clock
Chân Clock của thiết bị 27 SDA Serial DATA
Chân dữ liệu của thiết bị 28 SLAAC Stateless Address
Cơ chế tự động cấu hình địa chỉ Autoconfiguration IP 29 SPI Serial Peripheral Interface
Giao diện ngoại vi nối tiếp Nhóm 05 vi
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến
Danh mục thuật ngữ viết tắt 30 SSID Service Set Identifier
Mã định danh tập hợp dịch vụ 31 TCP Transmission Control
Giao thức điều khiển truyền Protocol vận 32 TCP/IP Transmission Control
Bộ giao thức mạng Internet Protocol/Internet Protocol 33 UART Universal Asynchronous
Bộ truyền nhận dữ liệu nối tiếp Receiver-Transmit er bất đồng bộ 34 UDP User Datagram Protocol
Giao thức truyền thông gói dữ liệu người dùng 35 URL Uniform Resource Locator
Hệ thống định vị tài nguyên thống nhất 36 VCC
Voltage Common Col ector Điện thế cung cấp chung 37 WEP Wired Equivalent Privacy
Chuẩn bảo mật không dây 38 Wi-Fi Wireless Fidelity
Một họ các giao thức mạng không dây 39 WPA Wi-Fi Protected Access
Giao thức an ninh bảo vệ mạng không dây Nhóm 05 vi
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại công nghệ phát triển mạnh mẽ, việc đảm bảo an ninh, an toàn
cho chính ngôi nhà của chúng ta trở thành một trong những mối quan tâm hàng đầu
của mỗi cá nhân và doanh nghiệp. Công nghệ IoT (Internet of Things) đã mở ra nhiều
giải pháp tiên tiến giúp nâng cao khả năng giám sát, cảnh báo và bảo vệ không gian
sống. Một trong những hướng tiếp cận hiện đại và hiệu quả để triển khai hệ thống an
toàn nhà thông minh là sử dụng nền tảng Node – RED - một giải pháp tối ưu cho việc
quản lý, điều khiển và giám sát các thiết bị IoT trong hệ sinh thái Smart Home.
1. Lý do chọn đề tài
Khi các vấn đề về an toàn nhà ở ngày càng được quan tâm, đặc biệt là rủi ro
liên quan đến rò rỉ khí gas, nhiệt độ môi trường và sự xâm nhập trái phép. Việc giám
sát các tham số môi trường trong nhà không chỉ giúp phát hiện sớm nguy cơ cháy nổ
mà còn góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống. Với sự phát triển của công nghệ IoT,
hệ thống giám sát tự động có thể cung cấp dữ liệu theo thời gian thực, cảnh báo kịp
thời và điều khiển thiết bị một cách thông minh. Do đó, đề tài này được lựa chọn nhằm
nghiên cứu và phát triển một hệ thống giám sát môi trường trong nhà ứng dụng IoT.
2. Mục đích nghiên cứu
Trong bài báo cáo này, chúng ta sẽ tập trung phân tích, nghiên cứu, mô phỏng và
xây dựng lại hệ thống Home Safety chạy trên nền tảng Node – RED, những lợi ích và
thách thức khi triển khai thực tế. Thông qua việc nghiên cứu các mô hình ứng dụng và
các tình huống sử dụng cụ thể, ta sẽ xem xét các đề xuất phương pháp tiếp cận và giải
pháp nhằm tối ưu hóa hiệu quả của hệ thống Home Safety trên nền tảng Node – RED.
Tuy nhiên, mặc dù có nhiều tiềm năng, việc triển khai dự án Home Safety cũng
gặp phải không ít thách thức. Do đó, việc nghiên cứu và đánh giá các phương pháp tối
ưu để tích hợp và triển khai hệ thống này là vô cùng quan trọng nhằm đảm bảo tính hiệu
quả và khả năng mở rộng của giải pháp.
3. Phạm vi nghiên cứu
Về đối tượng nghiên cứu: Tập trung vào các giải pháp giám sát và cảnh báo
thông minh trong không gian nhỏ, như phòng ở hoặc khu vực bếp, nhằm đảm bảo an
toàn cho người sử dụng.
Về công nghệ: Nghiên cứu và triển khai hệ thống trên nền tảng vi điều khiển
ESP32, sử dụng cảm biến đo nồng độ khí gas và khói (MQ-2), cảm biến chuyển động
hồng ngoại thụ động (PIR – HCSR501) kèm theo camera để phát hiện người tiếp cận
ngôi nhà, điều khiển Servo SG90 để mở cửa và hiển thị thông tin trên OLED. Sử dụng
các giao thức truyền thông như MQTT, TCP/IP đảm bảo truyền dữ liệu đáng tin cậy và hiệu quả. Nhóm 05 1
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến Lời nói đầu
Về phạm vi ứng dụng: Hệ thống được thiết kế để hoạt động trong mô hình thử
nghiệm quy mô nhỏ, phù hợp với bài tập lớn. Mô hình có thể áp dụng cho các không
gian như phòng thí nghiệm, lớp học hoặc hộ gia đình để kiểm tra tính khả thi trước khi triển khai thực tế.
4. Bố cục dự án
Dự án gồm có 4 chương:
Chương 1. Các thành phần phần cứng.
Chương 2. Các giao thức được và quy trình hoạt động.
Chương 3. Thiết kế và triển khai.
Chương 4. Tổng kểt và đánh giá.
Chương 1 sẽ giới thiệu các thiết bị phần cứng chính trong dự án, bao gồm vi
điều khiển ESP32, cảm biến khí gas MQ-2, cảm biến chuyển động PIR HC-SR501,
động cơ Servo SG-90 và màn hình OLED SSD1306. Ngoài ra, còn sử dụng camera
tích hợp với ESP32 để nhận dạng người tiếp cận.
Chương 2 sẽ mô tả các giao thức truyền thông trong hệ thống IoT. Lớp vật lý và
liên kết dữ liệu sử dụng Wi-Fi (IEEE 802.11), lớp mạng sử dụng giao thức IP/IPv6, và
lớp ứng dụng dùng giao thức MQTT để truyền nhận dữ liệu giữa các cảm biến và ứng
dụng/web của hệ thống cũng như cách thức chúng hoạt động.
Trong Chương 3 trình bày sơ đồ tổng quan, sơ đồ hệ thống và cách kết nối các
thiết bị với ESP32. Quá trình triển khai gồm hai phần: phần cứng (lắp ráp cảm biến,
động cơ, màn hình OLED) và phần mềm (lập trình ESP32, cấu hình Node – RED).
Các kịch bản mô phỏng tình huống cảnh báo khí gas hoặc phát hiện xâm nhập cũng được đề cập.
Cuối cùng, trong Chương 4 đánh giá hiệu quả của dự án, nêu bật các ưu điểm
như giám sát từ xa, cảnh báo theo thời gian thực và khả năng mở rộng. Tuy nhiên, một
số thách thức được chỉ ra, bao gồm độ ổn định kết nối Wi-Fi, hiệu chuẩn cảm biến,
bảo mật dữ liệu và giảm thiểu báo động sai. Các giải pháp cải tiến trong tương lai cũng
như một số vấn đề về đạo đức nghề nghiệp có liên quan đến dự án. Nhóm 05 2
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến Chương 1
CHƯƠNG 1. CÁC THÀNH PHẦN PHẦN CỨNG 1.1. ESP32 • Cấu tạo
ESP32 là vi điều khiển tích hợp Wi-Fi và Bluetooth với CPU lõi kép, được
thiết kế cho các ứng dụng IoT. Nó có bộ xử lý Tensilica Xtensa LX6, RAM tích hợp và các module ngoại vi. • Sơ đồ chân
Hnh 1.1 Vi điều khiển ESP32 • Thông số kĩ thuật - Vi xử lý: T
ensilica Xtensa LX6, 240 MHz, 2 lõi - RAM: 520KB - Bộ nhớ Flash: 4MB
- Giao tiếp: I2C, SPI, UART, ADC, DAC, PWM
- Wi-Fi 802.11 b/g/n, Bluetooth 4.2
• Nguyên lý hoạt động
ESP32 nhận dữ liệu từ cảm biến thông qua các chân GPIO (ADC, I2C, SPI...),
xử lý và gửi thông tin qua Wi-Fi hoặc Bluetooth đến hệ thống điều khiển. Nó có thể
chạy độc lập hoặc kết hợp với nền tảng IoT (MQTT, Firebase, Blynk…). • Ứng dụng
Đóng vai trò bộ xử lý dữ liệu và điều hành hệ thống. Nhóm 05 3
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến Chương 1
1.2. Cảm biến khí GAS MQ – 2 • Cấu tạo
MQ-2 là cảm biến bán dẫn có phần tử nhạy cảm SnO₂ (Oxit thiếc) thay đổi
điện trở khi có khí dễ cháy. • Sơ đồ chân
Hnh 1.2 Cảm biến khói/khí gas MQ - 2 Chân Chức năng VCC Cấp nguồn 5V GND Nối đất A0
Tín hiệu Analog (Nồng độ khí) D0
Tín hiệu Digital (Báo ngưỡng)
Bảng 1.1 Chức năng các chân của MQ - 2 • Thông số kĩ thuật
- Điện áp hoạt động: 5V
- Phạm vi đo: LPG, butane, propane, methane, rượu, khói
- Thời gian phản hồi: Dưới 10 giây
- Độ nhạy có thể điều chỉnh bằng biến trở
• Nguyên lý hoạt động
Khi khí gas xuất hiện, điện trở của SnO₂ thay đổi, làm thay đổi điện áp ngõ
ra. ESP32 đọc tín hiệu analog (A0) để xác định nồng độ khí hoặc digital (D0) để phát hiện ngưỡng. Nhóm 05 4
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến Chương 1 • Ứng dụng
Đo khí gas và gửi dữ liệu tới bộ xử lý.
1.3. Cảm biến phát hiện chuyển động PIR HC – SR501 • Cấu tạo PIR HC – SR501 bao gồm:
- Cảm biến hồng ngoại (PIR) phát hiện thay đổi nhiệt độ từ cơ thể con người
- Mạch khuếch đại và mạch so sánh để xử lý tín hiệu • Sơ đồ chân
Hnh 1.3 Cảm biến chuyển động PIR HC - SR501 - VCC: 5V - GND: GND
- OUT: Tín hiệu số (HIGH khi phát hiện chuyển động) • Thông số kĩ thuật
- Điện áp hoạt động: 4.5V - 20V
- Phạm vi phát hiện: 3-7m - Góc quét: 110°
- Điều chỉnh thời gian kích hoạt và độ nhạy bằng biến trở
• Nguyên lý hoạt động
Khi có người di chuyển, cảm biến phát hiện sự thay đổi hồng ngoại và đưa tín
hiệu HIGH đến ESP32.Khi không có chuyển động, tín hiệu trở lại LOW. • Ứng dụng
Phát hiện chuyển động bất th ờng ư
và gửi dữ liệu tới bộ xử lý. Nhóm 05 5
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến Chương 1
1.4. Động cơ Servo SG – 90 • Cấu tạo SG – 90 bao gồm: - Động cơ DC
- Bộ điều khiển servo (Biến đổi tín h iệu PWM thành góc quay)
- Bộ giảm tốc để tăng lực mô-men xoắn • Sơ đồ chân
Hnh 1.4 Động cơ Servo SG - 90 - VCC (Đỏ): 5V - GND (Đen/Nâu): GND
- PWM (Cam/Vàng): Tín hiệu điều khiển từ ESP32 • Thông số kĩ thuật
- Điện áp hoạt động: 4.8V - 6V - Góc quay: 0° - 180° - Mô-men xoắn: 1.8 kg/cm - Tần số PWM: 50Hz
• Nguyên lý hoạt động
ESP32 gửi tín hiệu PWM đến chân điều khiển của Servo. Góc quay được xác
định bởi độ rộng xung PWM (1ms ~ 0°, 1.5ms ~ 90°, 2ms ~ 180°). • Ứng dụng
Đóng vai trò như cánh tay mở.
1.5. Màn hình OLED • Cấu tạo Nhóm 05 6
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến Chương 1
- Ma trận pixel phát sáng riêng
- Bộ điều khiển SSD1306 (Giao tiếp I2C hoặc SPI)
Hnh 1.5 Màn hnh hiển thị OLED • Thông số kĩ thuật
- Kích thước: 0.96 inch - 1.3 inch
- Độ phân giải: 128x64 pixel - Giao tiếp: I2C hoặc SPI
- Điện áp hoạt động: 3.3V - 5V
• Nguyên lý hoạt động
- ESP32 gửi dữ liệu qua I2C/SPI để vẽ hình, chữ lên màn hình
- Thư viện phổ biến: Adafruit SSD1306, U8g2 • Ứng dụng
Hiển thị nồng độ khí gas và cảnh báo.
1.6. ESP32 – CAM • Cấu tạo
ESP32-CAM tích hợp vi điều khiển ESP32, camera OV2640, khe cắm thẻ
microSD, anten WiFi, đèn LED flash và một số linh kiện phụ trợ. Không có cổng
USB, cần dùng FTDI để nạp code. • Sơ đồ chân Nhóm 05 7
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến Chương 1
Hnh 1.6 Sơ đồ chân ESP32 - CAM • Thông số kĩ thuật
- Vi xử lý: ESP32 (dual – core, 240MHz) - RAM: 520KB + PSRAM 4MB - Flash: 4MB
- Kết nối: WiFi, Bluetooth BLE
- Camera: OV2640, max 1600x1200
- Thẻ nhớ: MicroSD 4 – 8GB - Nguồn: 5V
• Nguyên lý hoạt động
ESP32 đọc dữ liệu từ camera, xử lý hoặc lưu vào thẻ nhớ, sau đó truyền qua
WiFi. Có thể chụp ảnh, stream video, hoặc nhận diện khuôn mặt. • Ứng dụng
- Camera IP, giám sát an ninh - Nhận diện khuôn mặt
- Hệ thống mở cửa thông minh
- Chụp ảnh gửi Server/email 1.7. Buzzer • Cấu tạo Nhóm 05 8
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến Chương 1 Hnh 1.7 Buzzer
- VCC: 3.3V hoặc 5V (tùy vào loại Buzzer) - GND: GND
- Tín hiệu: GPIO 4 (ESP32) • Thông số kĩ thuật
- Điện áp hoạt động: 3.3V hoặc 5V (tùy loại Buzzer)
- Cường độ dòng điện: Khoảng 20mA đến 50mA
- Tần số phát âm: Khoảng 2kHz đến 4kHz cho loại Active Buzzer
- Loại âm thanh: Âm thanh đơn hoặc chuỗi âm tùy thuộc vào tín hiệu điều khiển
• Nguyên lý hoạt động
- Active Buzzer: Khi cấp điện, buzzer phát ra âm thanh liên tục mà không cần tín hiệu xung.
- Passive Buzzer: Cần tín hiệu xung từ ESP32 để tạo ra âm thanh, điều khiển
tần số và thời gian của âm thanh. • Ứng dụng
Cảnh báo nguy hiểm trong các hệ thống báo cháy, báo động khí gas rò rỉ,
hoặc các hệ thống an ninh để cảnh báo người dùng. Nhóm 05 9
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến Chương 2
CHƯƠNG 2. CÁC GIAO THỨC VÀ QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG
2.1. Giao thức lớp vật lý và liên kết dữ liệu
Lớp vật lý được kết nối bằng dây.
Giao thức lớp liên kết dữ liệu được sử dụng là IEEE 802.11.
2.1.1. Giới thiệu
• Chuẩn kết nối: 802.11 (WiFi) • Băng tần: 2.4 GHz
• Bảo mật: WEP, WPA/WPA2, và mã hóa AES
• Chế độ hoạt động: Station mode, SoftAP mode, và Mesh Networking
2.1.2. Cách thức hoạt động
• ESP32 được cung cấp thông tin mạng Wi-Fi (SSID và mật khẩu).
• ESP32 cố gắng kết nối với mạng Wi-Fi.
• Nếu thành công, ESP32 sẽ nhận được địa chỉ IP từ router thông qua giao thức DHCP.
• Sau đó, ESP32 sẽ bắt ầ
đ u giao tiếp với router.
2.2. Giao thức lớp mạng
Giao thức được sử dụng IP/IPv6.
2.2.1. Giới thiệu
• Internet Protocol (IPv4, IPv6)
• Độ dài địa chỉ: IPv4 (32-bit), IPv6 (128-bit)
• Cấp phát địa chỉ: DHCP (IPv4), SLAAC/DHCPv6 (IPv6)
• Chế độ hoạt động: Unicast, Multicast, Anycast
2.2.2. Cách thức hoạt động
• ESP32 nhận địa chỉ IP từ router (IPv4 qua DHCP, IPv6 qua SLAAC hoặc DHCPv6).
• Thiết bị gửi dữ liệu bằng TCP/UDP dựa trên địa chỉ IP.
• Router định tuyến gói tin đến đích qua mạng LAN hoặc Internet.
• Thiết bị đích nhận gói tin và xử lý dữ liệu.
2.3. Giao thức lớp ứng dụng
2.3.1. Tổng quan về giao thức MQTT
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một giao thức truyền thông
nhẹ, hoạt động theo mô hình publish-subscribe. Giao thức này được thiết kế để cho phép
các thiết bị IoT gửi và nhận những thông điệp nhỏ, đơn giản qua mạng Internet. Nhóm 05 10
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến Chương 2
MQTT bao gồm ba thành phần chính: publisher, broker và subscriber. Trong đó,
publisher là thiết bị gửi dữ liệu đến broker; broker đóng vai trò là máy chủ trung gian,
chịu trách nhiệm quản lý và phân phối các thông điệp đến đúng subscriber – thiết bị
nhận thông điệp từ broker.
Để phân loại thông điệp, MQTT sử dụng khái niệm topic – một chuỗi ký tự có
cấu trúc dạng /level1/level2/.../leveln. Các publisher và subscriber có thể linh hoạt đăng
ký (subscribe) hoặc hủy đăng ký (unsubscribe) các topic theo nhu cầu. Dựa trên topic,
broker sẽ chuyển tiếp các thông điệp từ publisher đến những subscriber tương ứng.
Hnh 2.1 MQTT và cách hoạt động
MQTT hỗ trợ ba mức Quality of Service (QoS) nhằm đảm bảo độ tin cậy trong
việc truyền tải thông điệp:
• QoS 0: Thông điệp được gửi một lần duy nhất, không có xác nhận. Có khả năng
bị mất hoặc gửi trùng.
• QoS 1: Thông điệp được gửi ít nhất một lần và có xác nhận. Có thể bị trùng lặp.
• QoS 2: Thông điệp được gửi chính xác một lần với xác nhận đầy đủ. Đảm bảo
không mất mát hay trùng lặp.
2.3.2. MQTT Broker HiveMQ
HiveMQ Broker là thành phần quan trọng của nền tảng HiveMQ và được thiết
kế để di chuyển dữ liệu nhanh chóng, hiệu quả ở quy mô lớn. Nhóm 05 11
BTL Các giải pháp và hệ thống IoT tiên tiến Chương 2 Hnh 2.2 HiveMQ Broker
Các tính năng chính của HiveMQ Broker:
• Độ tin cậy: Truyền dữ liệu liền mạch và đáng tin cậy là điều cần thiết để xây
dựng các quy trình dựa trên MQTT đáng tin cậy, giúp doanh nghiệp tối ưu hóa
hiệu quả hoạt động, giảm thiểu gián đoạn và bảo vệ danh tiếng của họ về thành
công bền vững. Môi giới HiveMQ MQTT cung cấp dữ liệu IoT với độ tin cậy
cấp doanh nghiệp cho các ứng dụng quan trọng.
• Khả năng mở rộng: Khả năng mở rộng đảm bảo rằng các broker MQTT có thể
xử lý số lượng kết nối thiết bị và tin nhắn ngày càng tăng mà không có vấn đề về
độ trễ. Bằng cách áp dụng broker HiveMQ MQTT, các doanh nghiệp có thể mở
rộng quy mô lên hàng triệu thiết bị được kết nối và hàng chục nghìn tin nhắn mỗi
giây, thiết lập nền tảng vững chắc cho sự tăng trưởng và thành công lâu dài.
• Cấp độ doanh nghiệp: Môi giới HiveMQ MQTT dành cho doanh nghiệp được
thiết kế để xử lý các triển khai quy mô lớn và khối lượng tin nhắn lớn. Được xây
dựng có mục đích cho các ứng dụng IoT mạnh mẽ, môi giới HiveMQ có thể đáp
ứng nhu cầu của các tổ chức lớn hơn đòi hỏi độ tin cậy, bảo mật và khả năng
quản lý cao cho cơ sở hạ tầng truyền thông dựa trên MQTT của họ. 2.4. Node – RED
2.4.1. Tổng quan về Node – RED
Node-RED là một công cụ lập trình trực quan được phát triển bởi IBM, cho phép
kết nối các phần cứng, API và dịch vụ trực tuyến bằng cách sử dụng luồng (flow-based
programming). Giao diện kéo-thả giúp việc phát triển ứng dụng dễ dàng và nhanh chóng
hơn, đặc biệt phù hợp với các dự án IoT (Internet of Things). Nhóm 05 12
Tài liệu liên quan:
-
Tóm tắt lý thuyết môn IoT và ứng dụng | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông
23 12 -
Accelerated Corner-Detector Algorithms: GPU Implementations and Results | Iot và ứng dụng | Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
46 23 -
Đề xuất Dự án IoT: Thiết bị phát hiện chạm cho xe máy | Iot và ứng dụng | Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
35 18 -
Phân Tích và Giải Pháp FastAPI | Iot và ứng dụng | Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
30 15 -
Tăng cường pháp chế xã hội chủ nghĩa trong quản lý nhà nước | Iot và ứng dụng | Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
25 13