Khóa luận Nghiên cứu hệ điều hành windows 10 iot core trên raspberry pi 2 và xây dựng ứng dụng minh họa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KHOA CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM NGUYỄN QUỐC THẮNG HUỲNH HỒ THỊ MỘNG TRINH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU HÀNH WINDOWS 10 IOT CORE TRÊN RASPBERRY PI 2 VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG MINH HỌA KỸ SƯ NGÀNH KỸ THUẬT PHẦN MỀM TP. HỒ CHÍ MINH, 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KHOA CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM NGUYỄN QUỐC THẮNG – 11520364 HUỲNH HỒ THỊ MỘNG TRINH - 11520431 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU HÀNH WINDOWS 10 IOT CORE TRÊN RASPBERRY PI 2 VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG MINH HỌA KỸ SƯ NGÀNH KỸ THUẬT PHẦN MỀM GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Ths. PHẠM THI VƯƠNG TP. HỒ CHÍ MINH, 2016 DANH SÁCH HỘI ĐỒNG BẢO VỆ KHÓA LUẬN Hội đồng chấm khóa luận tốt nghiệp, thành lập theo Quyết định số ngày .. của Hiệu trưởng Trường Đại học Công nghệ Thông tin. 1. . – Chủ tịch. 2. . – Thư ký. 3. . – Ủy viên. 4. . – Ủy viên. ĐHQG TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TP. HCM, ngàythángnăm 2016 NHẬN XÉT KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP (CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN) Tên khoá luận: NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU HÀNH WINDOWS 10 IOT CORE TRÊN RASPBERRY PI 2 VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG MINH HỌA Nhóm SV thực hiện: Cán bộ phản biện: Nguyễn Quốc Thắng 11520364 Huỳnh Hồ Thị Mộng Trinh 11520431 Đánh giá khoá luận: 1. Về cuốn báo cáo: Số trang _______ Số chương _______ Số bảng số liệu _______ Số hình vẽ _______ Số tài liệu tham khảo _______ Sản phẩm _______ Một số nhận xét về hình thức cuốn báo cáo: ······························································································ ······························································································ ······························································································ 2. Về nội dung nghiên cứu ································································································ ································································································ ································································································ ································································································ 3. Về chương trình ứng dụng ································································································ ································································································ ································································································ ································································································ 4. Về thái độ làm việc của sinh viên ································································································ ································································································ ································································································ Đánh giá chung: ································································································ ································································································ ································································································ ································································································ Điểm từng sinh viên: Nguyễn Quốc Thắng :/10 Huỳnh Hồ Thị Mộng Trinh :/10 Người nhận xét (Ký tên và ghi rõ họ tên) ĐHQG TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TP. HCM, ngàythángnăm 2016 NHẬN XÉT KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP (CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN) Tên khoá luận: NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU HÀNH WINDOWS 10 IOT CORE TRÊN RASPBERRY PI 2 VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG MINH HỌA Nhóm SV thực hiện: Cán bộ hướng dẫn: Nguyễn Quốc Thắng 11520364 Ths. Phạm Thi Vương Huỳnh Hồ Thị Mộng Trinh 11520431 Đánh giá khoá luận: 1. Về cuốn báo cáo: Số trang _______ Số chương _______ Số bảng số liệu _______ Số hình vẽ _______ Số tài liệu tham khảo _______ Sản phẩm _______ Một số nhận xét về hình thức cuốn báo cáo: ······························································································ ······························································································ ······························································································ 2. Về nội dung nghiên cứu ································································································ ································································································ ································································································ ································································································ 3. Về chương trình ứng dụng ································································································ ································································································ ································································································ ································································································ 4. Về thái độ làm việc của sinh viên ································································································ ································································································ ································································································ Đánh giá chung: ································································································ ································································································ ································································································ ································································································ Điểm từng sinh viên: Nguyễn Quốc Thắng :/10 Huỳnh Hồ Thị Mộng Trinh :/10 Người nhận xét (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phạm Thi Vương LỜI CẢM ƠN Khóa luận tốt nghiệp là bước cuối cùng đánh dấu sự trưởng thành của một sinh viên ở giảng đường đại học. để trở thành một kỹ sư đóng góp những gì mình đã học được cho sự phát triển của đất nước. Trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp, chúng em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn, hỗ trợ và động viên từ gia đình, quý thầy cô cũng các bạn. Nhờ đó mà chúng em đã hoàn thành được luận văn như mong muốn. Nay chúng em xin được gửi lời cám ơn sâu sắc và chanh thành đến: Các thầy cô trong khoa Công nghệ phần mềm trường đại học công nghệ thông tin đã truyền đạt những kiến thức quý báu để từ đó chúng em có cơ hội phát triển thêm vốn hiểu biết của mình vận dụng trong công việc sau này. Quý ban giám hiệu trường đại học công nghệ thông tin Tp. Hồ chí minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ chúng em trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Đặc biệt, chúng em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến Ths. Phạm Thi Vương, người đã trực tiếp hướng dẫn khóa luận. Trong suốt quá trình thực hiện, thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp nhóm giải quyết các vấn đề nảy sinh trong quá trình làm luận văn và hoàn thành luận văn đúng định hướng ban đầu. Chúng em cũng chân thành cảm ơn các thầy cô trong hội đồng chấm luận văn đã cho chúng em những đóng góp quý báu để luận văn thêm hoàn thiện hơn. Cuối cùng, chúng em xin được gửi lời cám ơn tới gia đình, bạn bè là những người đã động viên, tiếp thêm động lực và hỗ trợ giúp chúng em trong những lúc khó khăn. Sinh viên Huỳnh Hồ Thị Mộng Trinh Nguyễn Quốc Thắng ĐHQG TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU HÀNH WINDOWS 10 IOT CORE TRÊN RASPBERRY PI 2 VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG MINH HỌA Cán bộ hướng dẫn: ThS. Phạm Thi Vương Thời gian thực hiện: Từ ngày.. đến ngày.. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quốc Thắng 11520364 Huỳnh Hồ Thị Mộng Trinh 11520431 Nội dung đề tài: Nghiên cứu hệ điều hành Windows 10 IoT Core trên Raspberry Pi 2 và xây dựng ứng dụng minh họa. Ứng dụng minh họa cho kết quả nghiên cứu trong khóa luận là ứng dụng dùng để điều khiển và quản lí chế độ bật tắt của các thiết bị trong gia đình. Song song đó nhóm có triển khai thử nghiệm ứng dụng vào thực tế với mô hình nhà siêu mini. Mô hình nhà thể hiện được các chức năng bật tắt thiết bị dùng điều khiển hoặc tự động theo từng thiết bị riêng biệt hoặc theo nhóm, điều khiển cửa cuốn. Để thực hiện được đề tài nhóm đã tìm hiểu về hệ điều hành Windows 10 IoT Core, Raspberry Pi 2, Microsoft Azure, các thiết bị cảm biến và điều khiển, các loại sóng truyền thông không dây như rf, sóng hồng ngoại, mô hình mạng zigbee, Kết quả nhóm đã lập trình được một ứng dụng chạy trên Raspberry Pi 2, thực hiện chức năng cơ bản bật tắt thiết bị trong mô hình nhà thông minh. Tìm hiểu được thêm được một sống chức năng như remote máy lạnh, các chức năng liên quan đến bảo mật nhưng vì điều khiện thực tế không cho phép nên mọi thứ gần như chỉ dừng lại ở mức độ tìm hiểu, chưa thử nghiệm được. Kế hoạch thực hiện: Khóa luận được thực hiện trong 15 tuần, với những nội dung và thời gian thực hiện như bảng bên dưới: STT Nội dung thực hiện Thời gian thực hiện Người thực hiện 1 Nghiên cứu Raspberry Pi 2 và hệ điều hành Windows 10 IoT Core 21/09 – 21/10/2015 Trinh + Thắng 2 Tìm hiểu Azure và kết nối Azure với Raspberry chạy Windows 10 IoT Core 15/10 – 10/11/2015 Trinh 3 Nghiên cứu Azure và kết nối Azure với thiết bị android 25/10 – 10/11/2015 Thắng 4 Nghiên cứu IC PT2262/ PT2272 và điều khiển không dây tắt mở thiết bị bằng sóng rf sử dụng IC PT2262/PT2272 21/09 – 20/10/2015 Trinh 5 Tìm hiểu và ứng dụng mạng không dây Zigbee vào đề tài 20/11 – 31/12/2015 Trinh 6 Xây dựng ứng dụng smarthome trên android 15/10 – 31/12/2015 Thắng 7 Xây dựng ứng dụng smarthome trên Windows 10 IoT Core 21/10 – 31/12/2015 Trinh + Thắng 8 Nghiên cứu và áp dụng các loại cảm biến và thiết bị điều khiển vào mô hình 21/10 – 20/11/2015 Trinh 9 Thiết kế và xây dựng mô hình nhà minh họa 01/12 – 31/12/2015 Trinh + Thắng 10 Viết báo cáo 21/10 – 31/12/2015 Trinh + Thắng Xác nhận của CBHD (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phạm Thi Vương TP.HCM, ngàytháng 01 năm 2016 Sinh viên 1 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Quốc Thắng Sinh viên 2 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Huỳnh Hồ Thị Mộng Trinh MỤC LỤC MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI .......................................................................... 3 TỔNG QUAN VỀ RASPBERRY PI 2 ............................................... 6 2.1. Raspberry Pi và ứng dụng của Raspberry ..................................................... 6 2.2. Cấu tạo phần cứng Raspberry ...................................................................... 10 2.2.1. Raspberry Pi model A và Raspberry Pi model A+............................ 12 2.2.2. Raspberry Pi model B và Raspberry Pi model B+ ............................ 13 2.2.3. Raspberry Pi 2 ................................................................................... 15 2.2.3.1. Thông số kĩ thuật: .......................................................................... 15 2.2.3.2. Chân pin out của Raspberry Pi 2: .................................................. 16 2.3. Các hệ điều hành chạy trên Raspberry Pi .................................................... 18 WINDOWS 10 IOT CORE TRÊN RASPBERRY PI 2 ................... 38 3.1. Windows 10 IoT Core và ứng dụng ............................................................ 38 3.1.1. Tương tác với Windows 10 IoT Core trên Raspberry ....................... 39 3.1.2. Ứng dụng Universal cho Windows 10 IoT Core ............................... 44 3.2. Phân biệt hệ Windows 10 IoT Core với một vài phiên bản hệ điều hành khác ..................................................................................................................... 46 3.2.1. Phiên bản Windows 10 cho IoT với Windows 10 trên PC và Mobile .. ........................................................................................................... 46 3.2.2. Phiên bản Windows 10 IoT Core với Raspbian trên Raspberry ....... 47 ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY TRÊN MICROSOFT AZURE ............... 49 4.1. Azure và ứng dụng của Azure ..................................................................... 49 4.2. Các thành phần trong Microsoft Azure ....................................................... 50 4.3. Azure Service Bus ....................................................................................... 51 MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH ..................................................... 53 5.1. Giới thiệu nhà thông minh của BKAV ........................................................ 53 5.2. Các thiết bị phần cứng được sử dụng trong mô hình nhà thông minh ........ 55 5.2.1. IC PT2262/PT2272 và mạch thu - phát sóng rf ................................ 55 5.2.1.1. Giới thiệu ....................................................................................... 55 5.2.1.2. Mạch thu – phát sóng rf – ưu nhược điểm:.................................... 58 5.2.2. Xbee ................................................................................................... 59 5.2.3. Cảm biến quang trở ........................................................................... 59 5.2.4. Cảm biến nhiệt ................................................................................... 60 5.2.5. Mạch Relay 1 kênh 5V ...................................................................... 60 5.3. Xbee ............................................................................................................. 61 5.3.1. Giới thiệu Xbee ................................................................................. 61 5.3.2. Sơ đồ chức năng các chân Xbee ........................................................ 62 5.3.3. Xbee với mô hình mạng Zigbee ........................................................ 65 5.3.4. Một vài ứng dụng của Xbee .............................................................. 67 5.4. Phân tích, thiết kế ứng dụng ........................................................................ 70 5.4.1. Sơ đồ người dùng .............................................................................. 70 5.4.1.1. Đối với ứng dụng trên raspberry.................................................... 70 5.4.1.2. Đối với ứng dụng trên android: ..................................................... 71 5.4.1. Sơ đồ hoạt động ................................................................................. 72 5.4.1.1. Chức năng bật tắt thiết bị ............................................................... 72 5.4.1.2. Chức năng quản lí kịch bản ........................................................... 73 5.4.1.3. Chức năng cài đặt thông tin thiết bị ............................................... 74 5.4.1.4. Chức năng cài đặt thông tin kết nối ............................................... 75 5.4.1.5. Chức năng đăng nhập .................................................................... 76 5.4.2. Sơ đồ tuần tự ...................................................................................... 77 5.4.2.1. Chức năng bật – tắt thiết bị ............................................................ 77 5.4.2.2. Chức năng quản lí kịch bản ........................................................... 79 5.4.2.3. Chức năng cài đặt thông tin thiết bị ............................................... 80 5.4.2.4. Chức năng cài đặt thông tin kết nối ............................................... 81 5.4.2.5. Chức năng đăng nhập .................................................................... 82 5.4.3. Sơ đồ thành phần ............................................................................... 82 5.4.4. Kiến trúc cơ bản của hệ thống ........................................................... 83 5.4.5. Thiết kế giao diện .............................................................................. 84 5.4.5.1. Sơ đồ liên kết các giao diện ........................................................... 84 5.4.5.2. Giao diện quản lí phòng ................................................................. 85 5.4.5.3. Giao diện quản lí thiết bị ............................................................... 86 5.4.5.4. Giao diện thêm phòng .................................................................... 88 5.4.5.5. Giao diện sửa phòng ...................................................................... 89 5.4.5.6. Giao diện thêm thiết bị .................................................................. 90 5.4.5.7. Các giao diện khác: ........................................................................ 91 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................... 92 6.1. Kết quả đạt được .......................................................................................... 92 6.2. Hướng phát triển .......................................................................................... 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 94 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 - Sản phẩm Beatbox của Scott Garner, New York ......................................... 3 Hình 2.1 - Bộ RasPiLapse của Rick Adam ................................................................. 7 Hình 2.2 - Hệ thống máy tính Raspberry Pi trên xe ô tô của Suzuki Swift ................ 7 Hình 2.3 – Máy pha café tự động ................................................................................ 8 Hình 2.4 – Quang phổ kế ............................................................................................ 8 Hình 2.5 – Bé Robin (8 tuổi) lập trình bằng công cụ Scratch trên Raspberry Pi ........ 9 Hình 2.6 - Mô hình kiến trúc phần cứng Raspberry Pi ............................................. 10 Hình 2.7 - Mạch Raspberry Pi model A và Raspberry Pi model A+ ........................ 12 Hình 2.8 - Mạch Raspberry Pi model B và Raspberry Pi model B+ ........................ 13 Hình 2.9 - Mạch Raspberry Pi 2................................................................................ 15 Hình 2.10 – Sơ đồ chân pin out của Raspberry Pi 2 ................................................. 16 Hình 2.11 - Giao diện hệ điều hành Raspbian .......................................................... 18 Hình 2.12 - Giao diện hệ điều hành Ubuntu MATE ................................................. 19 Hình 2.13 - Giao diện hệ điều hành Archlinux ARM ............................................... 20 Hình 2.14 - Giao diện hệ điều hành OSMC .............................................................. 22 Hình 2.15 - Giao diện hệ điều hành OpenELEC ....................................................... 24 Hình 2.16 - Giao diện hệ điều hành RISC OS .......................................................... 26 Hình 2.17 - Giao diện hệ điều hành PiNet ................................................................ 28 Hình 2.18 - Giao diện hệ điều hành Xbian ............................................................... 29 Hình 2.19 - Giao diện hệ điều hành openSUSE ........................................................ 30 Hình 2.20