Luận văn -Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh- quan sát và điều khiển trên PPC

SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH: QUAN SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRÊN PPC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hướng dẫn: ThS. Vũ Quang Dũng Cán bộ đồng hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thị Nhật Thanh HÀ NỘI - 2009 Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh i LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể Trường đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội trong những năm học qua đã tạo điều kiện cho em xây dựng, tích lũy những kiến thức và bài học để em có thể hoàn thành khóa học. Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong bộ môn Công Nghệ Phần Mềm - khoa Công Nghệ Thông Tin, đã tận tình dạy dỗ và truyền đạt những kiến thức quý báu, đồng thời bộ môn cũng đã tạo mọi điều kiện cho em hoàn thành bài nghiên cứu khóa luận này. Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy Vũ Quang Dũng và cô Nguyễn Thị Nhật Thanh đã hướng dẫn tận tình và cùng chúng em giải quyết những khó khăn trong bài khóa luận. Em xin cám ơn thầy, cô đã từng ngày nhắc nhở chúng em chăm chỉ nghiên cứu và học tập, giúp chúng em đi đúng hướng và không xao nhãng công việc nghiên cứu. Em xin cám ơn thầy, cô đã tỉ mỉ giúp chúng em sửa từ những lỗi nhỏ nhất trong bài khóa luận. Tôi xin cám ơn các bạn trong phòng nghiên cứu Toshiba-Coltech đã ủng hộ cả về tinh thần lẫn trí tuệ trong suốt quá trình tìm hiểu và xây dựng hệ thống. Đặc biệt là hai bạn trong nhóm nghiên cứu hệ thống giám sát và điểu khiển nhà thông minh: Nguyễn Văn Hiển và Nguyễn Đình Anh Cương đã giúp đỡ và cùng tôi hoàn thành bài khóa luận, góp phần hoàn thành cho bài toán chung. Em xin cám ơn gia đình, bạn bè đã bên cạnh, ủng hộ và động viên em trong suốt thời gian làm khóa luận. Hà Nội, ngày 20/05/2009 Trần Duy Hưng Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh ii TÓM TẮT Năm 1991, Weiser đưa ra thuật ngữ “tính toán khắp nơi” để “tăng cường một cách không thấy thế giới đã tồn tại”, với đích là làm ẩn dụ giao diện ra khỏi tầm nhìn của người dùng theo cách như hệ thống máy tính không hiện đối với ứng dụng tại nhà. Hệ tính toán khắp nơi định nghĩa ra cách thức tương tác giữa các đối tượng tồn tại độc lập như một thực thể riêng biệt trong môi trường truyền dẫn và tính toán được gọi là môi trường tính toán khắp nơi. Nơi đó, các đối tượng được tương tác thông qua một thiết bị cuối là điện thoại di động. Theo những định nghĩa đó, hệ tính toán khắp nơi cho phép một sự tương tác qua lại giữa các đối tượng với người sử dụng thông qua thiết bị đầu cuối. Thiết bị đầu cuối này không cần thiết phải có cơ chế để giao tiếp với các thiết bị khác, mà chỉ cần có một cách thức giao tiếp cơ bản – đủ mạnh, tức là đảm bảo nhanh, an toàn, phổ biến và linh động – để có thể giao tiếp với tối thiểu máy tính. Người sử dụng tương tác với các đối tượng khác thông qua thiết bị di động, thiết bị di động sẽ gửi các lệnh, các tính toán tới máy tính để bàn, từ đây máy tính sẽ thu gom các dữ liệu từ các đối tượng liên quan tới phép tính người sử dụng yêu cầu và thực hiện các thuật toán, các phép toán. Kết quả trả về sẽ được máy tính gửi lại cho thiết bị di động. Nhiệm vụ còn lại của thiết bị di động là hiển thị kết quả cho người dùng theo dõi và đưa ra những quyết định tiếp theo. Về mặt lý thuyết, hệ tính khắp nơi cơ bản là một thế giới ảo, trong đó có những đối tượng là những thực thể được định danh và phân biệt. Các thực thể này làm những nhiệm vụ khác nhau hoặc cùng một nhiệm vụ nhưng tại những vị trí khác nhau. Điều đó làm đa dạng và phức tạp trong hệ tính toán nhưng bù lại là những phép đo chính xác và đầy đủ. Sự khác biệt giữa các đối tượng trong môi trường tính toán khắp nơi và thế giới thực là sự giao tiếp hạn chế giữa các đối tượng với nhau. Các đối tượng muốn giao tiếp với nhau cần thiết phải thông qua một máy tính đặc biệt, đóng vai trò là trung tâm của hệ tính toán khắp nơi thay vì giao tiếp trực tiếp với nhau. Đây cũng là một hạn chế và là vấn đề chính mà bài khóa luận muốn đề cập đến. Mỗi đối tượng là một thực thể riêng biệt, do đó cần phải có những cơ chế để định vị và phân biệt các đối tượng này trong hệ tính toán khắp nơi. Ngoài ra yếu tố mạng cũng là yếu tố quan trọng để quyết định thời gian tính toán và tương tác. Do đó bài khóa luận sẽ tập trung vào hai phần chủ yếu: Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh iii 1. Đưa ra tiêu chí cho mạng giao tiếp sử dụng trong hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh. Nghiên cứu và đánh giá các mạng phổ biến để chọn lọc. 2. Cách thức phân biệt các thực thể và phân quyền người dùng cho từng ứng dụng. Trong bài khóa luận cũng sẽ nêu ra cách áp dụng lý thuyết và tư tưởng của hệ tính toán khắp nơi vào hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh iv MỤC LỤC TÓM TẮT ..................................................................................................................ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................... vi DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .....................................................................................viii Chương 1 GIỚI THIỆU .......................................................................................... 1 1.1 Tổng quát nhà thông minh .............................................................................. 2 1.1.1 Phân loại theo hệ thống kỹ thuật............................................................... 2 1.1.2 Phân loại theo cơ chế thông minh ............................................................. 3 1.2 Hướng tiếp cận ............................................................................................... 3 1.2.1 Phạm vi chung bài toán ............................................................................ 3 1.2.1.1 Module nhận diện điều khiển qua IP Camera ........................................ 4 1.2.1.2 Quan sát và điều khiển trên PPC ........................................................... 4 1.2.1.3 Module mô phỏng 3D ........................................................................... 4 1.2.2 Phạm vi module quan sát và điều khiển trên PPC ..................................... 5 1.2.2.1 Hạ tầng mạng ........................................................................................ 5 1.2.2.2 Quản lý người dùng .............................................................................. 5 1.2.2.3 Quản lý đối tượng ................................................................................. 5 Chương 2 GIẢI PHÁP MẠNG ............................................................................... 6 2.1 Bluetooth ........................................................................................................ 6 2.1.1 Khái quát ................................................................................................. 6 2.1.2 Đặc điểm .................................................................................................. 6 2.1.3 Ưu điểm ................................................................................................... 7 2.1.4 Nhược điểm ............................................................................................. 8 2.2 Wireless .......................................................................................................... 9 2.2.1 Khái quát ................................................................................................. 9 2.2.2 Các mô hình WLAN: ............................................................................... 9 2.2.3 Ưu điểm ................................................................................................. 11 2.2.4 Nhược điểm ........................................................................................... 12 2.3 So sánh công nghệ Bluetooth và Wireless ..................................................... 12 Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh v Chương 3 QUAN SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRÊN PPC ....................................... 16 3.1 Mô tả hệ thống .............................................................................................. 16 3.1.1 Connection Manager .............................................................................. 16 3.1.1.1 Yêu cầu và chức năng ......................................................................... 17 3.1.1.2 Thiết kế............................................................................................... 17 3.1.1.3 Thành phần kết nối ............................................................................. 18 3.1.1.4 Thành phần quản lý kết nối ................................................................. 18 3.1.1.5 Hoạt động ........................................................................................... 18 3.1.2 Data Manager ......................................................................................... 19 3.1.2.1 Yêu cầu và chức năng ......................................................................... 19 3.1.2.2 Thiết kế............................................................................................... 20 3.1.2.3 Hoạt động ........................................................................................... 21 3.1.3 Session & Application Manager ............................................................. 23 3.1.3.1 Yêu cầu và chức năng ......................................................................... 23 3.1.3.2 Thiết kế............................................................................................... 24 3.1.3.3 Session ............................................................................................... 24 3.1.3.4 Application ......................................................................................... 24 3.1.3.5 Hoạt động ........................................................................................... 25 3.2 Biểu đồ tuần tự ............................................................................................. 25 3.2.1 Quản lý kết nối ....................................................................................... 25 3.2.2 Gửi dữ liệu ............................................................................................. 26 3.2.3 Phân luồng ứng dụng ............................................................................. 27 3.2.4 Luồng dữ liệu hệ thống .......................................................................... 28 Chương 4 THỰC NGHIỆM .................................................................................. 30 4.1 Ghép nối module........................................................................................... 30 4.2 Thực nghiệm ................................................................................................. 30 4.2.1 Yêu cầu cấu hình .................................................................................... 30 4.2.1.1 PPC .................................................................................................... 30 4.2.1.2 PC ....................................................................................................... 30 4.2.2 Số liệu thực nghiệm ............................................................................... 31 4.2.2.1 Thực nghiệm truyền dữ liệu ................................................................ 31 4.2.2.2 Số liệu thực nghiệm sau khi ghép với các module khác ....................... 31 Chương 5 KẾT LUẬN........................................................................................... 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 34 Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 1. PPC: Pocket personal computer 2. PC: Personal computer Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1: Mô hình hệ thống nhà thông minh................................................................ 4 Hình 2-1: Giao thức Obex ............................................................................................ 7 Hình 2-2: Ứng dụng Bluetooth..................................................................................... 8 Hình 2-3: mô hình mạng Ad-hoc ............................................................................... 10 Hình 2-4: Mô hình mạng cơ sở .................................................................................. 10 Hình 2-5: Mô hình mạng mở rộng ............................................................................. 11 Hình 3-1: Mô hình module quan sát và điều khiển trên PPC ...................................... 16 Hình 3-2: Mô hình tầng quản lý kết nối ..................................................................... 17 Hình 3-3: Data Manager ............................................................................................ 19 Hình 3-4: Dữ liệu đối tượng ....................................................................................... 22 Hình 3-5: Vùng đối tượng đã được nhận diện ............................................................ 22 Hình 3-6: Mô hình quản lý Session và Aplication ...................................................... 23 Hình 3-7: Context Analyzer ....................................................................................... 25 Hình 3-8: Quản lý kết nối .......................................................................................... 26 Hình 3-9: Gửi dữ liệu ................................................................................................. 27 Hình 3-10: Phân luồng ứng dụng ............................................................................... 28 Hình 3-11: Luồng dữ liệu hệ thống ............................................................................ 29 Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1: Bảng so sánh Bluetooth và wireless ........................................................... 12 Bảng 2-2: Thực nghiệm wireless và bluetooth ........................................................... 14 Bảng 4-1: Thực nghiệm truyền dữ liệu ....................................................................... 31 Bảng 4-2: Dữ liệu tương tác ....................................................................................... 32 Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 1 Chương 1 GIỚI THIỆU Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ web, hạ tầng mạng và các ứng dụng cho thiết bị nhúng, các thiết bị cầm tay thông minh càng chứng tỏ vị trí quan trọng của mình trong cuộc các mạng chung của công nghệ và đóng vai trò không thể thiếu trong đời sống con người đang dần trở nên bận rộn và có xu hướng di chuyển nhiều. Với những thiết bị cầm tay thông minh, con người mới chỉ dừng lại ở mức ứng dụng nhỏ hoặc không phổ biến, trong khi thực tế những thiết bị cầm tay có thể giải quyết được nhiều công việc hơn so với những tiềm năng vốn có. Về hạn chế, các thiết bị nhúng dù phát triển nhưng vẫn luôn hạn chế cả về tốc độ tính toán lẫn lưu trữ dữ liệu so với máy tính để bàn. Điều này dẫn đến xu hướng tính toán tập trung và tải những phép tính phức tạp, đòi hỏi thời gian tính toán lớn lên máy tính, thiết bị nhúng chỉ mang tính chất hiển thị kết quả. Nền tảng của lý thuyết hệ tính toán khắp nơi (ubiquitous computing) là đẩy toàn bộ dữ liệu để xử lý tập trung, sau đó dữ liệu tập trung này sẽ được gửi tới những thiết bị khác. Một trong những ứng dụng của hệ thống tính toán khắp nơi là nhà thông minh (smart house). Nhà thông minh (tiếng Anh: smart-home hoặc intelli-home) là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hoá hoàn toàn hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển… Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối với internet và điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động theo lịch. Thêm vào đó, các đồ gia dụng có thể hiểu được ngôn ngữ của nhau và có khả năng tương tác với nhau… (Theo từ điển Wikipedia). Trong cuộc sống hiện đại, nhà thông minh dần trở thành một khái niệm quen thuộc với mọi người và là một xu hướng tất yếu. Nhà thông minh là sự kết hợp của nền tảng lý thuyết hệ tính toán khắp nơi, tương tác người máy, nhận diện ảnh và kiến trúc tổng thể kỹ thuật. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 2 1.1 Tổng quát nhà thông minh Nhà thông minh cơ chế cơ bản là sự kết hợp giữa các thiết bị đo để đưa ra một kết quả tổng quan nhất cho người dùng thông qua một thiết bị giao tiếp đặc biệt gọi là bộ điều khiển. Giới hạn trong bài nghiên cứu này, bộ điều khiển là các thiết bị cầm tay thông minh (smart phone, PPC…). Nhà thông minh được phân loại dựa vào những tiêu chí đánh giá khác nhau. Cơ bản nhà thông minh được phân làm hai loại: dựa vào hệ thống kỹ thuật và dựa vào cơ chế thông minh. 1.1.1 Phân loại theo hệ thống kỹ thuật Hệ thống điều khiển thông minh đi kèm với các thiết bị được lập trình sẵn, giao tiếp với người sử dụng linh hoạt không phụ thuộc vào khoảng cách, vị trí và thường có những hệ thống sau: - Hệ thống an ninh: bao gồm các hệ thống cửa tự động, camera quan sát, đầu ghi hình, bộ nhớ lưu trữ, bộ điều khiển trung tâm cho phép người sử dụng có thể nắm được trực tiếp hay xem lại toàn bộ mọi hoạt động diễn ra ở các khu vực có thiết bị kiểm soát. Hệ thống an ninh còn có thể báo động bằng còi, chiếu sáng, gọi đến các số điện thoại cần thiết và có khả năng phong toả khu vực bị đột nhập. - Hệ thống báo cháy và chữa cháy: hệ thống báo cháy cảm ứng khi có hiện tượng cháy (nồng độ khói, nhiệt độ), và thông báo bằng âm thanh (loa, còi), đèn chiếu sáng. Hệ thống chữa cháy tự động phun nước tại các nơi cần chữa cháy. Ở mức độ cao hơn, hệ thống báo cháy, chữa cháy cho phép khoanh vùng và hướng dẫn phân luồng thoát hiểm. - Hệ thống thiết bị nhiệt: điều hoà nhiệt độ, lò sưởi, bình nước nóng... - Hệ thống giải trí: truyền hình, đầu DVD, máy nghe nhạc… - Hệ thống cấp nước: phòng vệ sinh, tưới vườn... Tất cả các hệ thống thông minh trên có thể hoạt động theo lập trình hoặc cho phép người sử dụng điều khiển từ xa, hoặc kiểm tra trạng thái thiết bị thông qua bộ điều khiển từ xa (remote control), điện thoại di động hay internet. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 3 1.1.2 Phân loại theo cơ chế thông minh Có thể phân chia làm ba loại cơ chế hoạt động như sau: - Cơ chế nhận diện: cơ chế nhận diện cho phép ghi nhớ những đặc điểm được cài đặt sẵn trong bộ nhớ; trong trường hợp việc nhận diện xảy ra không trùng khớp, hệ thống sẽ từ chối phục vụ hoặc báo động. Ví dụ như cổng, cửa gara chỉ mở với những xe có biển số đã đăng ký với hệ thống, cửa tự động nhận diện vân tay chỉ mở đúng người; trong khoảng thời gian đêm, nếu có người lạ mặt trong phòng khách hệ thống sẽ báo động… - Cơ chế lập trình sẵn: một số hệ thống thiết bị được thiết kế hoạt động theo lịch trình nhất định. Ví dụ như bắt đầu từ 7 giờ tối đèn vườn, đèn bảo vệ tự động bật sáng và tắt vào thời điểm 5 giờ sáng, 7 giờ sáng ti vi tại khu vực bếp tự động bật đúng chương trình cài đặt để người ăn sáng có thể xem, 8 giờ sáng vòi nước tưới vườn hoạt động trong 15 phút; 10 giờ đêm các hệ thống cửa tự động an toàn sẽ đóng lại… - Cơ chế cảm ứng: cơ chế cảm ứng là một cơ chế linh hoạt, hoạt động trên sự biến đổi trạng thái mà hệ thống cảm ứng ghi nhận để tự điều khiển phù hợp. Ví dụ: tại cầu thang, vệ sinh, đèn sẽ tự động bật khi có người và tự động tắt sau một thời gian nhất định khi không có người; hệ thống báo động sẽ thông báo khi cửa có những chấn động cơ học hơn mức bình thường (do phá hoại, đột nhập), mái kính sẽ tự động đóng lại khi có mưa, mành – rèm tự hoạt động ở trạng thái thích hợp nhất khi cảm ứng với ánh nắng mặt trời, đèn tự động bật khi chiếu sáng tự nhiên không đủ… 1.2 Hướng tiếp cận 1.2.1 Phạm vi chung bài toán Do hạn chế về mặt thời gian, nhân lực và vật lực, toàn bộ công trình nghiên cứu khóa luận của chúng tôi sẽ triển khai xây dựng nhà thông minh theo cơ chế thông minh như đã trình bày ở trên. Hệ thống gồm 3 module: Module tương tác người máy, Module mô phỏng nhà thông minh, Module nhận diện điều khiển trạng thái vật thể qua IP Camera. Mỗi module quan hệ với nhau bởi một lớp giao diện - lớp dữ liệu. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 4 Hình 1-1: Mô hình hệ thống nhà thông minh. 1.2.1.1 Module nhận diện điều khiển qua IP Camera Nhận diện và khoanh vùng đối tượng theo từng miền xác định. Output của Camera giám sát là hình ảnh chụp được từ nhà thông minh và khoanh vùng đối tượng theo định dạng bao gồm: tọa độ góc dưới trái và góc trên phải của vật. 1.2.1.2 Quan sát và điều khiển trên PPC - Quản lý người dùng, dữ liệu người dùng và các đối tượng trong nhà thông minh. - Quản lý các tương tác người dùng đối với nhà thông minh. - Quản lý, phân bổ hạ tầng mạng và các kết nối. 1.2.1.3 Module mô phỏng 3D - Mô phỏng nhà 3D và nhận các tương tác người dùng. - Chuyển những tương tác người dùng thành các sự kiện trong nhà thông minh. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 5 1.2.2 Phạm vi module quan sát và điều khiển trên PPC Giới hạn phạm vi module quan sát và điều khiển trên PPC được xác định thông qua các yêu cầu: 1.2.2.1 Hạ tầng mạng - Đảm bảo dữ liệu thông suốt. - Thời gian chuyển và xử lý lệnh đạt trung bình từ 300 - 400 ms trong điều kiện tốt và từ 2000 - 3000 ms trong điều kiện mạng kém. - Mạng truyền dữ liệu không dây nhưng vẫn đảm bảo tốc độ truyền tốt và số lượng lớn người truy cập. - Tính bảo mật cao. Có thể dễ dàng triển khai ngăn chặn các cuộc tấn công qua sóng và môi trường truyền dẫn thông qua hoặc thiết bị bảo mặt, hoặc bởi thuật toán mã hóa dữ liệu, bất chấp sự phình ra một cách tương đối của dữ liệu. 1.2.2.2 Quản lý người dùng - Ngăn ngừa sự truy cập trái phép từ bên ngoài lên các đối tượng. - Phân quyền đối tượng đối với từng người dùng và nhóm người dùng. 1.2.2.3 Quản lý đối tượng - Dễ dàng truy cập tới các thông tin đối tượng và trạng thái đối tượng khi các tầng khác yêu cầu. - Dễ dàng ánh xạ giữa dữ liệu người dùng và dữ liệu đối tượng để nhận biết tính phân quyền của người dùng trên một đối tượng cụ thể. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 6 Chương 2 GIẢI PHÁP MẠNG Công nghệ mạng không dây có thể sử dụng trong truyền dữ liệu, đáp ứng được các tiêu chí cơ bản đề ra là Bluetooth, hồng ngoại và Wireless. Về cơ bản, Bluetooth là sự cải thiện và phát triển từ hồng ngoại (IrDA), vì thế nên trong bài khóa luận, chúng tôi chỉ đánh giá và so sánh hai mô hình mạng cơ bản là: Bluetooth và Wireless. 2.1 Bluetooth 2.1.1 Khái quát Bluetooth là một đặc tả công nghiệp cho truyền thông không dây tầm gần giữa các thiết bị điện tử. Công nghệ này hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di động và cố định, tạo nên các mạng cá nhân không dây (Wireless Personal Area Network-PANs). Bluetooth có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu 1Mb/s. Bluetooth hỗ trợ tốc độ truyền tải dữ liệu lên tới 720 Kbps trong phạm vi 10 m–100 m. Khác với kết nối hồng ngoại (IrDA), kết nối Bluetooth là vô hướng và sử dụng giải tần 2,4 GHz. 2.1.2 Đặc điểm - OBEX (OBject EXchange) là giao thức trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị dùng cổng hồng ngoại được hiệp hội IrDA (Infrared Data Association) đưa ra lần đầu tiên năm 1997. - Ban đầu, giao thức này chỉ giới hạn cho các thiết bị sử dụng môi trường ánh sáng hồng ngoại, nhưng rất nhanh sau đó nó được tổ chức Bluetooth SIG (Bluetooth Special Interest Group) đưa vào hầu hết các thiết bị Bluetooth của mình. - Cũng giống như các giao thức khác, giao thức OBEX được xây dựng trên nền mô hình OSI (Open Systems Interconnection) bao gồm hai thành phần chính:  OBEX session protocol (giao thức phiên OBEX): mô tả cấu trúc gói tin trong phiên làm việc giữa hai thiết bị.  OBEX application framework: tập các dịch vụ OBEX cung cấp cho các ứng dụng đầu cuối như truyền file, in ảnh... Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 7 Hình 2-1: Giao thức Obex 2.1.3 Ưu điểm - Truyền dữ liệu giữa các thiết bị không cần cáp trong khoảng cách trung bình (10m, có thể xa hơn với thiết bị đặc biệt). - Sử dụng sóng radio ở băng tần không cần đăng ký 2.4GHz ISM (Industrial, Scientific, Medical). - Có khả năng xuyên qua vật thể rắn và phi kim, không cần phải truyền thẳng . - Khả năng kết nối point-point, point-multipoint. - Bluetooth sử dụng cùng một chuẩn giao thức nên mọi thiết bị - Bluetooth đều có thể làm việc với nhau. - Sử dụng ít năng lượng, thích hợp với các thiết bị di động có nguồn năng lượng hạn chế. - Có khả năng hỗ trợ 3 kênh thoại và 1 kênh dữ liệu. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 8 - Có khả năng bảo mật từ 8Æ128bit. - Thiết bị nhỏ gọn, số lượng thiết bị hỗ trợ Bluetooth ngày càng nhiều và đa dạng. - Giá thành thiết bị rẻ, truyền dữ liệu miễn phí. - Thiết lập kết nối dễ dàng và nhanh chóng, không cần access point. - Sử dụng được ở bất cứ nơi nào. - Được đỡ đầu bởi 9 tập đoàn khổng lồ, và ngày càng có nhiều tổ chức tham gia vào vì thế Bluetooth ngày càng được phát triển hoàn thiện và mạnh mẽ hơn. 2.1.4 Nhược điểm - Do sử dụng mô hình adhoc nên không thể thiết lập các ứng dụng thời gian thực. - Khoảng cách kết nối còn ngắn so với các công nghệ mạng không dây khác. - Số thiết bị active, pack cùng lúc trong một piconect còn hạn chế. - Tốc độ truyền của Bluetooth không cao. - Bị nhiễu bởi một số thiết bị sử dụng sóng radio khác, các trang thiết bị khác. - Bảo mật còn thấp. Hình 2-2: Ứng dụng Bluetooth Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 9 2.2 Wireless 2.2.1 Khái quát WLAN là một loại mạng máy tính nhưng việc kết nối giữa các thành phần trong mạng không sử dụng các loại cáp như một mạng thông thường, môi trường truyền thông của các thành phần trong mạng là không khí. Các thành phần trong mạng sử dụng sóng điện từ để truyền thông với nhau. 2.2.2 Các mô hình WLAN: Gồm 3 mô hình mạng sau: - Mô hình mạng độc lập (IBSSs) hay còn gọi là mạng Ad hoc : Bao gồm các điểm truy nhập AP (Access Point) gắn với mạng đường trục hữu tuyến và giao tiếp với các thiết bị di động trong vùng phủ sóng của một cell. AP đóng vai trò điều khiển cell và điều khiển lưu lượng tới mạng. Các thiết bị di động không giao tiếp trực tiếp với nhau mà giao tiếp với các AP. - Mô hình mạng cơ sở (BSSs) : Bao gồm các điểm truy nhập AP (Access Point) gắn với mạng đường trục hữu tuyến và giao tiếp với các thiết bị di động trong vùng phủ sóng của một cell. AP đóng vai trò điều khiển cell và điều khiển lưu lượng tới mạng. Các thiết bị di động không giao tiếp trực tiếp với nhau mà giao tiếp với các AP. - Mô hình mạng mở rộng(ESSs) : Mạng 802.11 mở rộng phạm vi di động tới một phạm vi bất kì thông qua ESS. Một ESSs là một tập hợp các BSSs nơi mà các Access Point giao tiếp với nhau để chuyển lưu lượng từ một BSS này đến một BSS khác để làm cho việc di chuyển dễ dàng của các trạm giữa các BSS, Access Point thực hiện việc giao tiếp thông qua hệ thống phân phối. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 10 Hình 2-3: mô hình mạng Ad-hoc Hình 2-4: Mô hình mạng cơ sở Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 11 Hình 2-5: Mô hình mạng mở rộng 2.2.3 Ưu điểm Sự tiện lợi: Mạng không dây cũng như hệ thống mạng thông thường. Nó cho phép người dùng truy xuất tài nguyên mạng ở bất kỳ nơi đâu trong khu vực được triển khai(nhà hay văn phòng). Với sự gia tăng số người sử dụng máy tính xách tay(laptop), đó là một điều rất thuận lợi. Khả năng di động: Với sự phát triển của các mạng không dây công cộng, người dùng có thể truy cập Internet ở bất cứ đâu. Chẳng hạn ở các quán Cafe, người dùng có thể truy cập Internet không dây miễn phí. Hiệu quả: Người dùng có thể duy trì kết nối mạng khi họ đi từ nơi này đến nơi khác. Triển khai: Việc thiết lập hệ thống mạng không dây ban đầu chỉ cần ít nhất 1 access point. Với mạng dùng cáp, phải tốn thêm chi phí và có thể gặp khó khăn trong việc triển khai hệ thống cáp ở nhiều nơi trong tòa nhà. Khả năng mở rộng: Mạng không dây có thể đáp ứng tức thì khi gia tăng số lượng người dùng. Với hệ thống mạng dùng cáp cần phải gắn thêm cáp Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 12 2.2.4 Nhược điểm Bảo mật: Môi trường kết nối không dây là không khí nên khả năng bị tấn công của người dùng là rất cao. Phạm vi: Một mạng chuẩn 802.11g với các thiết bị chuẩn chỉ có thể hoạt động tốt trong phạm vi vài chục mét. Nó phù hợp trong 1 căn nhà, nhưngvới một tòa nhà lớn thì không đáp ứng được nhu cầu. Để đáp ứng cần phải mua thêm Repeater hay access point, dẫn đến chi phí gia tăng. Độ tin cậy: Vì sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông nên việc bị nhiễu, tín hiệu bị giảm do tác động của các thiết bị khác(lò vi sóng,….) là không tránh khỏi. Làm giảm đáng kể hiệu quả hoạt động của mạng. Tốc độ: Tốc độ của mạng không dây (1- 125 Mbps) rất chậm so với mạng sử dụng cáp(100Mbps đến hàng Gbps). 2.3 So sánh công nghệ Bluetooth và Wireless Từ những nghiên cứu trên, ta có bảng so sánh lý thuyết: Bảng 2-1: Bảng so sánh Bluetooth và wireless STT Tiêu chí Wireless Bluetooth 1 Sử dụng điển hình (Typical usage) Phiên bản không dây của chuẩn Ethernet (wirelessEthernet), chỉ thay thế cáp cho truy cập mạng LAN. Truy cập mạng không dây với khoảng cách dài. Thay thế cáp cá nhân (wireless USB) cho nhiều ứng dụng khác nhau. Truy cập mạng không dây với khoảng cách trung bình. 2 Băng thông 11 Mbps, chia sẻ. 2 đến 3 Mbps với WEP. 1 Mbps, chia sẻ. Version 1.1 và 1.2 là 723.1 Kbps, version 2.0 là 2.1 Mbps, thấp hơn khi bị nhiễu. 3 Nhiễu Các thiết bị sử dụng sóng Các thiết bị sử dụng sóng Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 13 radio khác, các vật liệu xây dựng, trang thiết bị. radio khác, các vật liệu xây dựng, trang thiết bị. 4 Bảo mật Không an toàn nếu không bảo vệ tốt. Cần giải quyết những trục trặc của mạng, truy cập bất hợp pháp, hi-jacking, "Đánh hơi mạng" (hay còn gọi là dò tìm lỗ hổng mạng thông qua việc dò tuần tự các gói tin ở cổng mạng khác nhau), đánh cắp phiên làm việc và truy cập trái phép. Liên kết mức độ WEP dễ bị bẻ gãy. Tin cậy vào những truy cập ở cấp độ ứng dụng và sự mật hoá. Bảo mật thấp. Liên kết được thiết lập ở mức độ sự thẩm định quyền (authentication). Khó khăn hơn cho traffic sniffing. Vẫn còn phụ thuộc vào sự thẩm định quyền ở cấp độ ứng dụng và sự mật hoá. 5 Tiêu thụ năng lượng Khá cao. Thời gian sử dụng pin rất ngắn do tiêu thụ nhiều năng lượng và duy trì kết nối. Thấp. 6 Khoảng cách (ngoài trời) 200 m - 11 Mbps. 500 m - 1 Mbps. 30 m-100 m 7 Khoảng cách (trong nhà) 40 m - 11 Mbps. 100 m - 1 Mbps. 10 m-30 m. 8 Số kênh 11 DSSS. 79—FHSS. 79 Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 14 9 Năng lượng truyền tối đa 20 dBm—FHSS. 30 dBm—DSSS. 20 dBm 10 Tần số 2.4GHz -b/g 5.8GHz – a 2.4GHz 11 Giá thành Cao Thấp 12 Thiết bị hỗ trợ Hỗ trợ trong một số laptop hiện đại, PPC: đòi external H/W card, Notebook computer, desktop computer, server. Hỗ trợ trong laptop hiện đại, nhiều điện thoại di động, PPC, thiết bị điện tử, thiết bị tự động trong công nghiệp và văn phòng 13 Vị trí sử dụng Ở trong tầm hoạt động của các thiết bị WLAN, thường là trong các toà nhà. Bất cứ nơi nào có ít nhất 2 thiết bị Bluetooth. 14 Số thiết bị có thể truy cập đồng thời Nhiều, chia sẻ. IP&P2P. Tối đa 8, chia sẻ. P2P. Thực nghiệm đo đạc thông qua đồng bộ thời gian trên PC và PPC. Với thời gian (ms) và dung lượng truyền (B và Kb) được tính trung bình trong điều kiện tải là 1 PPC và 1 PC. Môi trường truyền dữ liệu trong nhà, khoảng cách với wireless là 30m và Bluetooth là 10m. Bảng 2-2: Thực nghiệm wireless và bluetooth STT Loại dữ liệu Dung lượng Thời gian Thời gian truyền Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 15 đóng gói Wireless Bluetooth 1 DL đăng nhập 15K 5ms 800 ms 1200ms 2 DL ping server 1B 0ms 20ms 40ms 3 DL chuyển ứng dụng 1B 0ms 30ms 50ms 4 DL chuyển đối tượng 5K 5ms 300ms 700ms 5 DL chuyển kết nối 1B 0ms 50ms 90ms 6 DL chuyển trạng thái đối tượng 15K 10ms 1000ms 1800ms 7 DL đối tượng 300K 50ms 2000ms 3500ms 8 DL nhận diện (hình ảnh và tọa độ) 250K 50ms 1500ms 2700ms Như vậy, với những yêu cầu hạ tầng mạng đặt ra cho ứng dụng thì công nghệ Bluetooth không thể đáp ứng đầy đủ như wireless. Trong phạm vi nghiên cứu khóa luận, việc chon ra kết nối tốt nhất để thực thi truyền dữ liệu là vô cùng quan trọng, vì thế, chúng tôi quyết định chọn wireless trong bước đầu xây dựng ứng dụng của nhóm. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 16 Chương 3 QUAN SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRÊN PPC Module quan sát và điều khiển trên PPC quản lý các thông tin về người dùng, kết nối, dữ liệu tương tác giữa PPC và PC. Hình 3-1: Mô hình module quan sát và điều khiển trên PPC 3.1 Mô tả hệ thống 3.1.1 Connection Manager Tầng quản lý kết nối làm nhiệm vụ cung cấp kết nối tin cậy và truyền dữ liệu với thời gian phù hợp cho các ứng dụng nhà thông minh. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 17 Hình 3-2: Mô hình tầng quản lý kết nối 3.1.1.1 Yêu cầu và chức năng - Quản lý các kết nối, đảm bảo dữ liệu được truyền đi bảo mật và toàn vẹn. - Tốc độ truyền dữ liệu được đảm bảo chạy ổn định và không bị nghẽn lệnh với các ứng dụng trên PPC. - Độc lập và ẩn với các tầng khác. - Module mở giúp khả năng phát triển với các loại kết nối dữ liệu khác phù hợp hơn và cho phép người dùng phát triển về sau. 3.1.1.2 Thiết kế Tầng này bao gồm hai thành phần chính : - Lõi các kết nối chương trình: bao gồm nhiều thành phần kết nối. - Thành phần quản lý kết nối. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 18 3.1.1.3 Thành phần kết nối Là mức độ thấp nhất của tầng quản lý kết nối. Thành phần kết nối định nghĩa ra loại kết nối và hình thức kết nối. Ví dụ: wireless, Bluetooth, hồng ngoại…Với những khuôn khổ truyền dữ liệu, mỗi thành phần kết nối phải đảm bảo tối thiểu các chức năng mà hệ thống yêu cầu. Ví dụ có thể gửi hình ảnh với một độ trễ cho phép. Hiện tại trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu khóa luận và giới hạn về thời gian, chương trình chỉ sử dụng kết nối wireless. 3.1.1.4 Thành phần quản lý kết nối Thành phần quản lý định nghĩa ra cách dữ liệu trao đổi giữa hai hệ thống và độc lập hoàn toàn với thành phần kết nối. Nghĩa là thành phần này chỉ yêu cầu thành phần kết nối phải được cả hai thiết bị hỗ trợ và tốc độ truyền dữ liệu cũng như các tiêu chí truyền dữ liệu khác phải được đảm bảo trên mức tối thiểu. Tầng quản lý hỗ trợ người dùng tối đa trong việc cấu hình kết nối. 3.1.1.5 Hoạt động Trên PPC - Khi có yêu cầu gửi dữ liệu từ các tầng trên, tầng quản lý kết nối nhận biết kết nối hiện thời đang sử dụng và gọi kết nối đó tùy thuộc mục đích sử dụng. - Khi được tầng quản lý gọi, tầng kết nối phải cung cấp các dữ liệu cho việc mở kết nối và gửi dữ liệu. - Tầng quản lý sẽ hủy các loại kết nối không được sử dụng và chỉ giữ duy nhất một loại kết nối mà người dùng đã chọn. Trên PC - Thành phần quản lý trên PC duy trì các thành phần kết nối hiện có. Các thành phần kết nối này luôn trong tình trạng chờ dữ liệu từ PPC gửi sang. Với mô hình quản lý đa người dùng, tại một thời gian cụ thể luôn tồn tại những thành phần kết nối khác nhau. Các thành phần kết nối được sử dụng tùy vào vị trí và tính chất của người dùng. Ví dụ: nếu người dùng đang trong phòng thì có thể không cần sử dụng các kết nối tốc độ cao hơn như wireless… mà chỉ cần sử dụng Bluetooth để tiết kiệm nguồn hơn. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 19 Hình 3-3: Data Manager 3.1.2 Data Manager 3.1.2.1 Yêu cầu và chức năng Trên PC - Quản lý dữ liệu của tầng kết nối: trạng thái kết nối, loại kết nối, biến truy cập… - Quản lý dữ liệu của người dùng: tài khoản sử dụng, phân cấp người dùng, csdl về tài khoản sử dụng… - Quản lý tài nguyên và trạng thái các ứng dụng của những người dùng đang truy cập. - Quản lý dữ liệu nhà thông minh và các đối tượng trong nhà thông minh. - Quản lý dữ liệu hình ảnh trong nhà thông minh. Khi người dùng muốn xem các đối tượng trong nhà thông minh để điều chỉnh, tầng ứng dụng sẽ lấy dữ liệu này để gửi sang PPC. Trên PPC Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 20 - Quản lý dữ liệu của tầng kết nối. - Quản lý tài nguyên và trạng thái ứng dụng người dùng đang sử dụng. - Quản lý dữ liệu nhà thông minh và các đối tượng trong nhà thông minh. 3.1.2.2 Thiết kế Trên PC Tồn tại hai CSDL: Người dùng và đối tượng. - CSDL người dùng bao gồm: thông tin về tài khoản, phân cấp người dùng. Mật khẩu của người dùng sẽ được mã hóa một chiều MD5. Sở hữu đối tượng với người dùng - tức là sẽ có giới hạn một nhóm người dùng trong toàn bộ người dùng được quyền điều khiển một đối tượng. - CSDL đối tượng bao gồm: thông tin trạng thái, thuộc tính và các tính chất của đối tượng. - Người dùng cao nhất có quyền điều khiển các thông số về người dùng và đối tượng bằng một công cụ hỗ trợ trên Server. - Đối với người dùng, dữ liệu đồ vật là một cấu trúc bao gồm các thuộc tính, tính chất, tên, nhóm người dùng quản lý…- mang tính chất quản lý về mặt số lượng và không bao hàm nhiều đến các vấn đề kỹ thuật. - Đối với chương trình, dữ liệu đối tượng cần được thể hiện trên PPC theo hình ảnh và được nhận diện thông qua một hình chữ nhật, người dùng có thể sử dụng hình chữ nhật này để điều khiển đối tượng, vì vậy dữ liệu đồ vật là một cấu trúc đơn giản bao gồm 3 thành phần: ID của đối tượng, tọa độ góc dưới cùng bên trái và tọa độ góc trên cùng bên phải của đồ vật. - Vùng dữ liệu đồ vật - là dữ liệu quản lý trong một phạm vi cụ thể mà do người dùng có yêu cầu và được camera giám sát khoanh vùng, được tầng quản lý dữ liệu lưu trữ theo dữ liệu đối tượng. - Các dữ liệu khác được lưu trữ khi chương trình gọi ứng dụng tương ứng. Trên PPC - Trên PPC tồn tại duy nhất một CSDL đối tượng. - Các dữ liệu khác được lưu trữ khi chương trình gọi ứng dụng tương ứng. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 21 3.1.2.3 Hoạt động Trên PC - CSDL người dùng: khi người dùng đăng nhập bằng PPC, tầng dữ liệu sẽ sử kiểm tra tính hợp lệ của người dùng, từ đó phân quyền và tổ chức dữ liệu người dùng theo phiên làm việc. - CSDL đối tượng: khi dữ liệu đối tượng bị thay đổi, chương trình sẽ yêu cầu client cập nhập lại CSDL. Thực chất, CSDL đối tượng trên PC chỉ là nơi để quản lý tập trung CSDL và không mang tính quản lý về mặt kỹ thuật. - Vùng dữ liệu đối tượng: khi client (PPC) có yêu cầu tới một vùng đối tượng cần điều khiển, PC kiểm tra dữ liệu đã được nhận diện hoặc có bị thay đổi không, nếu dữ liệu chưa được nhận diện hoặc bị thay đổi, PC sẽ yêu cầu Camera giám sát chụp và định vị đồ vật, PC sẽ lấy dữ liệu này để tổ chức thành vùng dữ liệu đối tượng. Trên PPC - Khi người dùng yêu cầu quan sát và điều khiển một vùng đối tượng, PC gửi dữ liệu vùng đối tượng sang PPC. Từ dữ liệu này, kết hợp với CSDL đối tượng đã lưu trữ, PPC có thể khoanh vùng và hiển thị đối tượng. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 22 Hình 3-4: Dữ liệu đối tượng Hình 3-5: Vùng đối tượng đã được nhận diện Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 23 Hình 3-6: Mô hình quản lý Session và Aplication 3.1.3 Session & Application Manager - Dữ liệu được xử lý tập trung với đa người dùng, đa ứng dụng. Vì vậy việc phân hóa dữ liệu và quản lý ứng dụng là vô cùng quan trọng. Tầng này quản lý các ứng dụng, các trao đổi giữa PPC và PC. - Tầng quản lý Session và Application chỉ có trên PC. 3.1.3.1 Yêu cầu và chức năng - Phân luồng dữ liệu và ứng dụng theo từng người dùng. - Quản lý dữ liệu của từng phiên làm việc. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 24 3.1.3.2 Thiết kế Trên PC tồn tại những phiên làm việc khác nhau của người dùng (PPC). Mỗi phiên làm việc bao gồm nhiều ứng dụng, mỗi ứng dụng gồm nhiều loại dữ liệu khác nhau. Cơ bản là sự phức tạp để phân luồng dữ liệu và quản lý ứng dụng nằm ở hai vấn đề trên. Để giải quyết điều đó, chúng tôi xin đề cập đến một đối tượng đặc biệt là Session để quản lý phiên làm việc của người dùng. Và sử dụng đối tượng Application để quản lý ứng dụng. Như vậy Application là tầng dữ liệu dưới của Session. Sự thuận lợi trong việc phân chia Session và Application thể hiện ở tính linh động trong việc quản lý ứng dụng. 3.1.3.3 Session - Vì dữ liệu được xử lý tập trung với đa ứng dụng, đa người dùng nên PC cần quản lý người dùng theo từng phiên làm việc - được định nghĩa bằng đối tượng Session. - Sử dụng Session ID để quản lý số lượng người dùng và tính hợp pháp của truy cập. Mỗi người dùng chỉ có duy nhất một Session ID. 3.1.3.4 Application - Sự tương tác giữa PPC và PC được quản lý thông qua lớp Application. - Sự tương tác này được nhận biết bằng byte đầu tiên trong luồng dữ liệu - gọi là byte ngữ cảnh. Như vậy, dựa vào Session ID và byte ngữ cảnh, PC có thể phân luồng dữ liệu theo từng phiên làm việc của người dùng. - PC tổ chức đối tượng để phân tích các byte ngữ cảnh và làm nhiệm vụ phân luồng dữ liệu được gọi là Bộ phân tích ngữ cảnh (ContextAnalyzer). Về mặt dữ liệu, bộ phân tích ngữ cảnh là sự kết hợp của cả Session và Application. - Trên PC tồn tại một scanner (bộ quét). Scanner tìm tới các session đang được kích hoạt, nếu session có ứng dụng được người dùng điều khiển và việc kiểm tra tính hợp lệ là đúng, thì scanner có nhiệm vụ thực thi lệnh này của người dùng. Ví dụ : người dùng muốn điều khiển một đối tượng, dữ liệu sẽ được gửi và lưu trữ trong Session. Việc thực thi lệnh này không nằm trong session mà sẽ do bộ scanner đảm nhiệm. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 25 Hình 3-7: Context Analyzer 3.1.3.5 Hoạt động Mỗi người dùng khi đăng nhập thành công sẽ được PC cấp cho một giá trị ngẫu nhiên và duy nhất là Session ID. PC sau lần đăng nhập này sẽ quản lý người dùng thông qua giá trị Session ID này. Ý nghĩa của Session ID ngoài việc quản lý truy cập hợp pháp của người dùng còn dùng để quản lý số lượng người dùng truy cập trong cùng một thời gian. Khi người dùng xảy ra tình trạng ngắt kết nối (vượt ngoài vùng phủ song, treo máy…), trong lần đăng nhập tiếp Theo, PC sẽ nhận diện người dùng bằng địa chỉ Ethernet và cấp mới lại Session ID cho người dùng. Việc trao đổi Session ID này hoàn toàn ẩn đối với người dùng. 3.2 Biểu đồ tuần tự 3.2.1 Quản lý kết nối Luồng dữ liệu được tạo ra khi có một yêu cầu kết nối được đến từ tầng quảng lý Session. Yêu cầu này có thể là yêu cầu tạo mới một kết nối hoặc yêu cầu cung cấp một kết nối cho việc truyền dữ liệu. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 26 Hình 3-8: Quản lý kết nối 3.2.2 Gửi dữ liệu Luồng dữ liệu gửi dữ liệu được tạo ra khi cần gửi một luồng byte. Dữ liệu cần gửi đi thông thường từ tầng quản lý ứng dụng và lấy từ tầng quản lý cơ sở dữ liêu. Tại đây cũng xuất hiện quá trình kiểm tra tính hợp lệ của người dùng. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 27 Hình 3-9: Gửi dữ liệu 3.2.3 Phân luồng ứng dụng Luồng dữ liệu được tạo ra khi có luồng byte được gửi từ PPC, tại đây sẽ xảy ra quá trình phân tích byte ngữ cảnh và phân luồng ứng dụng theo từng người dùng tới từng ứng dụng. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 28 Hình 3-10: Phân luồng ứng dụng 3.2.4 Luồng dữ liệu hệ thống Luồng dữ liệu hệ thống là bản thể đầy đủ của một hệ thống nhà thông minh sau khi được ghép nối giữa các module. Luồng dữ liệu mô tả dữ liệu của hệ thống một cách đơn giản và hình tượng với dữ liệu chỉ bao gồm yêu cầu giám sát và dữ liệu điều khiển. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 29 Hình 3-11: Luồng dữ liệu hệ thống Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 30 Chương 4 THỰC NGHIỆM 4.1 Ghép nối module Module quan sát và điều khiển trên PPC là module trung gian giữa module nhận diện điều khiển trạng thái vật thể qua IP Camera và module mô phỏng nhà thông minh. Thực hiện công việc truyền dữ liệu đã được phân tích của camera giám sát trên PC tới thiết bị cầm tay. Module quan sát và điều khiển trên PPC còn làm nhiệm vụ kết nối giữa người dùng và thiết bị trung gian (PC). Sơ đồ luồng dữ liệu đi trong hệ thống được mô tả như trong biểu đồ luồng dữ liệu (Hình 3-10) 4.2 Thực nghiệm 4.2.1 Yêu cầu cấu hình 4.2.1.1 PPC - Hệ điều hành Windows Mobile version 5.x (hoặc lớn hơn). - Hỗ trợ wireless. - Cài đặt Compact .NET - ROM 2G. - Màn hình cảm ứng. 4.2.1.2 PC - Hệ điều hình Windows XP (hoặc lớn hơn). - Hỗ trợ wireless (hoặc sử dụng modem hỗ trợ). - Cài đặt .Net Framework. - Ổ cứng 2G. - RAM 256. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 31 4.2.2 Số liệu thực nghiệm 4.2.2.1 Thực nghiệm truyền dữ liệu Bảng 4-1: Thực nghiệm truyền dữ liệu STT Loại dữ liệu Dung lượng Thời gian đóng gói Thời gian truyền 1 DL đăng nhập 15K 5ms 800 ms 2 DL ping server 1B 0ms 20ms 3 DL chuyển ứng dụng 1B 0ms 30ms 4 DL chuyển đối tượng 5K 5ms 300ms 5 DL chuyển kết nối 1B 0ms 50ms 6 DL chuyển trạng thái đối tượng 15K 10ms 1000ms 7 DL đối tượng 300K 50ms 2000ms 8 DL nhận diện (hình ảnh và tọa độ) 250K 50ms 1500ms 4.2.2.2 Số liệu thực nghiệm sau khi ghép với các module khác Dữ liệu di chuyển giữa các module bao gồm: - Lệnh điều khiển: PPC – PC – Devices: khi người dung muốn điều khiển một thiết bị trong nhà thông minh. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 32 - Nhận diện: Camera – PC – PPC: thong thường dữ liệu này sẽ được camera tự động sinh và lưu trữ trên PC. - Yêu cầu nhận diện: PPC – PC – Camera : Khi người dung muốn quan sát một phạm vi, giả thiết phạm vi này chưa được camera giám sát nhận biết thì PPC sẽ gửi một yêu cầu tới PC, tới camera giám sát và sinh ra dữ liệu giám sát có được từ quá trình nhận diện. Bảng 4-2: Dữ liệu tương tác STT Lệnh Dữ liệu Module Độ trễ 1 Lệnh điều khiển Text Nhà thông minh 1000 ms 2 Nhận diện Byte Camera 2000ms 3 Yêu cầu nhận diện Byte Tương tác 50ms Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 33 Chương 5 KẾT LUẬN Trong bài nghiên cứu khóa luận, tác giả đã đi sâu và giải quyết về vấn đề định danh thiết bị, truyền dữ liệu và bảo mật người dùng – là một vấn đề trong bài toán chung về hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh. Bằng cách sử dụng công nghệ mạng không dây wireless và định dạng chuẩn lưu trữ dữ liệu xml, phần lớn đã giải quyết được vấn đề định dạng và truyền các đối tượng trong môi trường tính toán khắp nơi. Dữ liệu thông suốt và phân cấp dữ liệu, phân cấp người dùng là nền tảng cơ bản cho việc triển khai các ứng dụng bảo mật về sau. Tuy nhiên, môi trường wireless vẫn bị hạn chế về tốc độ truyền dữ liệu, vì thế ứng dụng chưa thể đạt tới trạng thái thời gian thực. Trong điều kiện thực nghiệm còn ít PPC nhưng wireless đã thể hiện những hạn chế về mặt tốc độ truyền.Bên cạnh đó, wireless là mạng không an toàn với những chuẩn kém ngặt nghèo, dễ bị đột nhập và ăn cắp dữ liệu. Điều đó là vô cùng nguy hiểm cho ứng dụng. Hướng phát triển sắp tới cần tập trung giải quyết về tốc độ truyền dữ liệu và bảo mật thông tin. Việc bảo mật thông tin không những đạt yêu cầu không làm dữ liệu trở nên nặng nề hơn mà các gói dữ liệu truyền đi cần được mã hóa và nén, đảm bảo tính bảo mật cao. Tổng quát bài nghiên cứu khóa luận của nhóm sinh viên đạt được là hết sức quan trọng trong việc xây dựng nền tảng cơ bản của nhà thông minh, dựa trên ba nguyên tắc chuẩn: thiết bị giao tiếp thong suốt, linh động và thông minh. Kiến trúc nhà thông minh gọn gang, thuận tiện và khoa học. Camera giám sát chính xác và nhanh. Đó là tiền đề cho việc xây dựng nhà thông minh trong cả hiện tại và tương lai. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Bernd J. Krämer . Contributions to Ubiquitous Computing (Studies in Computational Intelligence). [2]. Brent A. Miller. Bluetooth Revealed: The Insider's Guide to an Open Specification for Global Wireless Communications. [3]. Jennifer Bray. Bluetooth Application Developer's Guide. [4]. Jim Geier. Wireless Networks First-Step (First-Step Series). [5]. John Ross. The Book of Wireless: A Painless Guide to Wi-Fi and Broadband Wireless. [6]. Michael Miller. Discovering Bluetooth. [7]. Pejman Roshan. Wireless Local-Area Network Fundamentals. [8]. Prof. Stefan Poslad . Ubiquitous Computing: Smart Devices, Environments and Interactions. [9]. [10]. [11]. http:// Kientrucnoithat.net