Khóa luận Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh: Quan sát và điều khiển trên PPC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trần Duy Hưng XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM 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 HÀ NỘI - 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trần Duy Hưng XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM 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 d