HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
KHOA VIỄN THƠNG I
----™&˜----

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
ĐỀ TÀI:

“Nghiên cứu thiết kế ứng dụng điều khiển nhà Thông
minh trên nền tảng Raspberry Pi và cơng nghệ AI xử lý
tiếng nói”

Giảng viên hướng dẫn : TS. NGUYỄN VIỆT HƯNG
Sinh viên thực hiện

: NGUYỄN TIẾN HẢI

Lớp

: D17CQVT08-B

Khóa

: 2017 – 2022

Hệ

: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

HÀ NỘI – 12/2021

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Các ứng dụng, hệ thống điều khiển nhà thông minh đang phát triển mạnh mẽ và
dần dần trở thành xu thế trong thời gian tới. Việc ứng dụng cơng nghệ AI xử lý tiếng
nói vào hệ thống sẽ giúp việc điều khiển, tương tác của người dùng với hệ thống trở nên
đơn giản, gần gũi hơn. Từ đó mang đến cho người dùng một trải nghiệm mang tính cá
nhân hóa cao hơn, thể hiện độ hiệu quả của hệ thống nhà thông minh. Đồ án: “Nghiên
cứu thiết kế ứng dụng điều khiển nhà Thông minh trên nền tảng Raspberry Pi và công
nghệ AI xử lý tiếng nói” tìm hiểu về cơng nghệ IoT nói chung và các nền tảng xây công
nghệ ứng dụng trong nhà thơng minh nói riêng. Từ đó đề tài, đề xuất thiết kế, triển khai
một số các ứng dụng demo cho nhà thông minh sử dụng bo mạch nhúng và lập trình ứng
dụng trên điện thoại thơng minh. Đây là một đề tài nghiên cứu đòi hỏi sự đầu tư tìm hiểu
nhiều mảng kiến thức, khả năng triển khai trên thiết bị thực tế. Do vậy đồ án mang ý
nghĩa khoa học và thực tiễn cao.
Về hình thức đồ án được trình bày rõ ràng, theo đúng qui định về đồ án tốt nghiệp
của Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng.
Trong q trình làm đồ án, sinh viên Nguyễn Tiến Hải đã thể hiện tinh thần nghiêm
túc, khả năng tìm hiểu và tinh thần học hỏi. Từ đó nắm vững các kiến thức cơ bản và cả
các kiến thức mở rộng trong đồ án.
Nhận xét chung, đồ án đã đáp ứng đầy đủ các nội dung theo đề cương và các yêu
cầu của một đồ án tốt nghiệp. Đề nghị cho phép sinh viên Nguyễn Tiến Hải được bảo
vệ trước hội đồng tốt nghiệp.
Điểm: …………………….……… (bằng chữ: …..…………… ….)
…………, ngày

tháng

năm 20

CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(ký, họ tên)

TS. NGUYỄN VIỆT HƯNG


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
Điểm: …………………….……… (bằng chữ: …..…………… ….)
…………, ngày… tháng… năm 20

CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
(ký, họ tên)



Đồ án tốt nghiệp Đại học

Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian dài được học tập, nghiên cứu tại trường em cũng đã hoàn thành
đồ án tốt nghiệp cuối khóa.
Lời đầu tiên cho em được phép gửi tới thầy giáo TS. Nguyễn Việt Hưng – giảng
viên khoa Viễn thông I – Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng lời cảm ơn sâu sắc
và chân thành nhất, cảm ơn thầy đã chỉ bảo để em có thể hồn thành bài đồ án tốt nghiệp
của mình.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới tồn thể các thầy, các cơ trong khoa đã hết lịng
dạy dỗ em trong q trình học tập tại trường. Giúp em trang bị được một khối kiến thức
và kinh nghiệm quý báu trong chuyên môn, cuộc sống để làm hành trang khi ra trường.
Con xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bố mẹ những người ln quan tâm, chăm
sóc cho con cả về vật chất lẫn tinh thần, luôn tạo điều kiện tốt nhất cho con để con có
thể chuyên tâm học tập, nghiên cứu. Nơi là nguồn động viên, là chỗ dựa vững chắc nhất
cho con.
Cuối cùng, xin cảm ơn tất cả bạn bè những người đã đồng hành với tôi trên suốt
chặng đường vừa qua, những người đã giúp đỡ, khích lệ cũng như phê bình góp ý giúp
tơi hồn thành khóa luận thuận lợi nhất. Các bạn đã cho tơi những tình cảm quý giá và
thiêng liêng nhất, tôi sẽ không quên.
Hà Nội, tháng 12 năm 2021
Sinh viên thực hiện

NGUYỄN TIẾN HẢI

Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B


i


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Mục lục

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ i
DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ VÀ HÌNH.......................................................... iv
KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT....................................................................... vi
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT, NHÀ THÔNG MINH VÀ NỀN TẢNG
RASPBERRY PI ...........................................................................................................2
1.1. IoT là gì? ..............................................................................................................2
1.1.1. Giới thiệu thổng quát về IoT: .....................................................................2
1.1.2. Phân loại IoT ................................................................................................3
1.1.3. Hoạt động trong một mạng IoT ..................................................................3
1.1.4. Giao thức truyền tải dữ liệu ........................................................................6
1.2. Nhà thông minh – Smart Home: .......................................................................6
1.2.1. Khái niệm nhà thông minh .........................................................................6
1.2.2. Cấu trúc của hệ thống nhà thông minh: ....................................................7
1.2.3. Ưu và nhược điểm của nhà thông minh .....................................................8
1.2.4. Hoạt động của nhà thông minh ..................................................................9
1.3. Raspberry Pi .....................................................................................................10
1.3.1. Sơ lược về Raspberry Pi ............................................................................10
1.3.2. Các thiết bị Raspberry Pi ..........................................................................11
1.3.3. Hoạt động và Ứng dụng của Raspberry Pi ..............................................14
1.3.4. GPIO trong Raspberry Pi .........................................................................14

1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ....................................................................................16
CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ AI TRONG XỬ LÝ TIẾNG NĨI .............................17
2.1. Cơng nghệ AI ....................................................................................................17
2.1.1. Tổng quan về trí tuệ nhân tạo AI .............................................................17
2.1.2. Các loại cơng nghệ AI: ...............................................................................17
2.1.3. Ứng dụng của AI ........................................................................................19
2.2. Mạng nơ-ron (Neural Networks).....................................................................19
2.2.1. Khái niệm ....................................................................................................19
2.2.2. Công thức cơ bản của mạng nơ-ron:........................................................20

Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

ii


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Mục lục

2.3. Nhận diện giọng nói và chuyển hóa thành văn bản .......................................24
2.4. Quy trình xử lý dữ liệu âm thanh....................................................................24
2.4.1. Tiền xử lý dữ liệu: ......................................................................................25
2.4.2. Kiến trúc hệ thống: ....................................................................................26
2.5. Ứng dụng công nghệ AI vào nhận diện giọng nói ..........................................29
2.5.1. Mơ hình nhận dạng các mẫu giọng nói ....................................................29
2.5.2. Cách hệ thống hoạt động:..........................................................................30
2.5.3. Thuật tốn xử lý giọng nói ........................................................................30
2.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG ....................................................................................30
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM .......................................31
3.1. Kiến trúc của hệ thống thử nghiệm ................................................................31

3.2. Các công nghệ sử dụng trong hệ thống...........................................................31
3.2.1. Framework React Native: .........................................................................31
3.2.2. NodeJS: .......................................................................................................37
3.2.3. Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu InfluxDB ................................................39
3.2.4. Kết nối MQTT: ..........................................................................................40
3.3. Xây dựng hệ thống thực nghiệm .....................................................................42
3.3.1. Thiết lập Raspberry Pi ..............................................................................42
3.3.2. Thiết lập kết nối MQTT tại Server ..........................................................52
3.3.3. Cơ sở dữ liệu lưu trữ các thông số ............................................................54
3.3.4. Thiết kế ứng dụng Rsmart ........................................................................55
3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ....................................................................................64
KẾT LUẬN ..................................................................................................................65
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................66

Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

iii


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục các bảng, sơ đồ và hình

DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ VÀ HÌNH
Hình ảnh chương 1:
Hình 1.1. Các cảm biến thơng thường .............................................................................4
Hình 1. 2. Sơ đồ một hệ thống IOT .................................................................................5
Hình 1. 3. Giao thức truyền của MQTT ..........................................................................6
Hình 1. 4. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống nhà thông minh ........................................8
Hình 1. 5. Logo Raspberry Pi ........................................................................................11

Hình 1. 6. Raspberry Pi 4 model B ...............................................................................12
Hình 1. 7. Bộ sản phẩm Raspberry Pi 400 ....................................................................12
Hình 1. 8. Raspberry Pi Zero 2 W .................................................................................13
Hình 1. 9. Raspberry Pi Pico .........................................................................................13
Hình 1. 10. Danh sách các chân GPIO của Raspberry Pi..............................................15
Hình ảnh chương 2:
Hình 2. 1. Cấu trúc của một mạng nơ ron với các phản hồi ..........................................21
Hình 2. 2. Mơ hình kỹ thuật của một nơ-ron .................................................................22
Hình 2. 3. Sơ đồ cấu trúc của mạng nơ-ron hai lớp ......................................................23
Hình 2. 1. Đầu vào và đầu ra của hệ thống nhận diện giọng nói ..................................24
Hình 2. 2. Quy trình xử lý âm thanh và dự đốn đầu ra ................................................24
Hình 2. 3. Các bước tiền xử lý âm thanh.......................................................................26
Hình 2. 4. Các lớp CNN xử lý phổ để tạo Feature Maps ..............................................27
Hình 2. 5. RNN rời rạc hóa Feature maps và chuyển cho lớp LSTM 2 chiều ..............28
Hình 2. 6. Lớp tuyến tính và Softmax tạo ra xác suất ký tự cho mỗi bước thời gian ...28
Hình 2. 7. Giải mã bảng xác suất ký tự để đưa ra đầu ra cuối ......................................29
Hình ảnh chương 3:
Hình 3. 1. Kiến trúc cơ bản của hệ thống thử nghiệm...................................................31
Hình 3. 2. Logo React Native ........................................................................................32
Hình 3. 3. Luồng hoạt động của React Native ..............................................................32
Hình 3. 4. Sơ đồ mơ hình MVP .....................................................................................34
Hình 3. 5. Sơ đồ mơ hình MVVM ................................................................................35
Hình 3. 6. Sơ đồ luồng hoạt động của Redux................................................................37
Hình 3. 7. Hình ảnh biểu tượng của NodeJS .................................................................38
Hình 3. 8. Các điểm mạnh của InfluxDB ......................................................................39
Hình 3. 9. Vị trí của MQTT trong một hệ thống IoT ....................................................41
Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

iv



Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục các bảng, sơ đồ và hình

Hình 3. 10. Sơ đồ giao thức MQTT ..............................................................................42
Hình 3. 11. Kết nối Raspberry Pi với LED ...................................................................43
Hình 3. 12. Mô-tơ bước 28BYJ-48 và với bộ điều khiển ULN2003 ............................44
Hình 3. 13. Sơ đồ kết nối Mơ-tơ bước với Raspberry Pi ..............................................44
Hình 3. 14. Kết nối thực tế với Mơ-tơ bước ..................................................................45
Hình 3. 15. Bộ điều khiển và Mơ-tơ đang hoạt động ....................................................47
Hình 3. 16. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT31-D ..........................................................48
Hình 3. 17. Sơ đồ kết nối với SHT31-D........................................................................48
Hình 3. 18. Kết nối thực tế với SHT31-D .....................................................................49
Hình 3. 19. Kết quả thu được từ cảm biến ....................................................................50
Hình 3. 20. Hình ảnh thực tế của hệ thống ....................................................................51
Hình 3. 21. Màn hình đăng nhập của ứng dụng ............................................................57
Hình 3. 22. Màn hình chính của ứng dụng ....................................................................59
Hình 3. 23. Giao diện nhận diện giọng nói của ứng dụng .............................................60
Hình 3. 24: Tổng quan hệ thống xử lý lệnh tại Server ..................................................61
Hình 3. 25. Sơ đồ kiểm tra từ khóa ...............................................................................61
Hình 3. 26. Các trường hợp xảy ra khi hệ thống xử lý đèn ...........................................62
Hình 3. 27. Luồng xử lý tại Raspberry Pi .....................................................................63
Hình 3. 28. Kết quả sau khi nhận diện giọng nói và thực hiện lệnh .............................64
Danh sách bảng
Bảng 1. 1. Bảng chức năng các chân cắm GPIO................................................................ 15
Bảng 2. 1. Bảng định nghĩa các biến ................................................................................... 21

Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B


v


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Ký hiệu các cụm từ viết tắt

KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT
Thuật ngữ

Mô tả tiếng Anh

Mô tả tiếng Việt

IoT

Internet of Things

Vạn vật kết nối

AI

Artificial Intelligence

Trí tuệ nhân tạo

IP

Internet Protocol Address


Địa chỉ giao thức của internet

MQTT

Message
Transport

Giao thức truyền thông điệp

CoAP

Constrained Application Protocol

AMQP

Advanced
Protocol

Queuing

Telemetry

Message

Giao thức truyền tải tài liệu

Queuing Giao thức xếp hàng thông điệp
nâng cao

DDS


Data Distribution Service

Dịch vụ phân phối dữ liệu

GUI

Graphical user interface

Giao diện đồ họa người dùng

SBC

Small single-board computers

Máy tính nhỏ bo mạch đơn

SoC

System on a chip

Hệ thống trên chip

CPU

Central processing unit

Bộ phận xử lý trung tâm

HDMI


High-Definition
Interface

RAM

Random-access memory

Bộ nhớ truy cập tạm thời

GPIO

General Purpose Input/Output

Đầu vào / đầu ra cho các mục đích
chung

AGI

Artificial General Intelligence

Trí tuệ nhân tạo thơng thường

Mel-frequency
coefficients

Hệ số cepstral tần số Mel

MFCC


Multimedia Giao diện đa phương tiện độ nét
cao

cepstral

CNN

Convolutional Neural Network

Mạng nơ-ron tổng hợp

RNN

Recurrent Neural Network

Mạng nơ-ron lặp lại

LSTM

Long Short Term Memory

Bộ nhớ ngắn hạn dài hạn

HTTP

Hypertext Transfer Protocol

Giao thức truyền siêu văn bản

Transmission Control Protocol


Giao thức điều khiển truyền dẫn

TCP

Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

vi


Đồ án tốt nghiệp Đại học

TSDB
SCADA
LED

Time series database

Ký hiệu các cụm từ viết tắt

Cơ sở dữ liệu chuỗi thời gian

Supervisory Control And Data Điều khiển giám sát và thu thập dữ
Acquisition
liệu
Light-emitting diode

Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

Đèn Điốt phát quang


vii


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Lời mở đầu

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển đáng kể của ngành Viễn thông, sự ra đời của nhiều
công nghệ và các giải pháp bảo mật đã được ứng dụng trong việc xây dựng hệ thống an
tồn. Hệ thống truyền thơng được nâng cao, sử dụng đa năng, thuận tiện, hiệu quả và
chính xác, đáp ứng được nhu cầu của khách hành, nhanh chóng chiếm được lịng tin của
họ.
Các ứng dụng, hệ thống điều khiển nhà thông minh đang phát triển mạnh mẽ và
dần dần trở thành xu thế trong thời gian tới. Việc ứng dụng cơng nghệ AI xử lý tiếng
nói vào hệ thống sẽ giúp việc điều khiển, tương tác của người dùng với hệ thống trở nên
đơn giản, gần gũi hơn. Từ đó mang đến cho người dùng một trải nghiệm mang tính cá
nhân hóa cao hơn, thể hiện độ hiệu quả của hệ thống nhà thơng minh. Do đó em chọn
đề tài “Nghiên cứu thiết kế ứng dụng điều khiển nhà Thông minh trên nền tảng
Raspberry Pi và công nghệ AI xử lý tiếng nói”.
Mục tiêu của đề tài:
Tìm hiểu về IoT, nhà thông minh và nền tảng Raspberry Pi.
Tìm hiểu và áp dụng cơng nghệ nhận diện giọng nói vào hệ thống ứng dụng điều
khiển nhà thơng minh Smart Home.
Nội dung của đề tài:
Chương 1: Tổng quan về IoT, nhà thông minh và nền tảng Raspberry Pi
Chương 2: Cơng nghệ AI trong xử lý tiếng nói
Chương 3: Xây dựng hệ thống thử nghiệm
Kết luận và hướng phát triển.

Trong quá trình tìm hiểu, mặc dù cố gắng rất nhiều, xong khơng tránh khỏi những
thiếu sót, các sơ xuất về nội dung cũng như các lỗi về ấn loát, em mong nhận được lời
phê bình, góp ý của các thầy, cơ để có thể hồn thiện đồ án, có được những ý tưởng mới
trong tương lai.
Sinh viên thực hiện

NGUYỄN TIẾN HẢI

Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

1


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về IoT, nhà thông minh
và nền tảng Raspberry Pi

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ IOT, NHÀ THÔNG MINH VÀ NỀN TẢNG
RASPBERRY PI
1.1. IoT là gì?
1.1.1. Giới thiệu thổng quát về IoT:
Internet of Things hay IoT đề cập đến hàng tỷ thiết bị vật lý trên khắp thế giới
hiện được kết nối với internet, thu thập và chia sẻ dữ liệu. Nhờ bộ xử lý bên trong cùng
mạng khơng dây, có thể biến mọi thứ trở nên chủ động và thơng minh hơn.
Ta có thể bắt gặp IoT từ hệ thống cửa tự động cho tới máy bay tới xe tự lái đã trở
thành một phần phổ biến của IoT. Điều này bổ sung một mức độ thông minh kỹ thuật
số cho các thiết bị thụ động, cho phép chúng giao tiếp dữ liệu thời gian thực mà không
cần con người tham gia, hợp nhất hiệu quả thế giới kỹ thuật số và vật lý.

Từ khi khái niệm IoT ra đời vào năm 1999, Internet of things (IoT) đã đi từ một
giấc mơ đơn thuần và mông lung tới sự thực hiện hữu và rõ ràng. Ngun nhân chính
có thể là việc sử dụng rộng rãi giao thức Internet (IP), sự phát triển phổ cập của máy
tính, và sự phát triển khơng ngừng của phân tích dữ liệu. Ngồi ra cịn một số nhân tố
khác cũng tạo ra sự phát triển của ngành. Tới 2020, số thiết bị được kết nối bởi IoT được
ước tính lên tới 20,4 tỉ. Mặc dù có sự phát triển không ngừng, khái niệm IoT lại thường
không rõ ràng, chỉ được biết đến như là một thuật ngữ trừu tượng.
Định nghĩa của một hệ thống IoT đã biến đổi nhiều lần do việc sử dụng của nhiều
công nghệ khác nhau gồm thống kê thời gian thực, học máy, cảm biến và hệ thống
nhúng. Các phân ngành hệ thống nhúng, mạng cảm biến không dây, hệ thống điều khiển
tự động (bao gồm tự động hóa nhà và tịa nhà) đều kết hợp để cho phép sự vận hành của
IoT.
Vậy định nghĩa IoT là gì, rất khó để có một câu trả lời chắc chắn và dứt khoát.
Theo website Trendmicro, IoT có thể được mơ tả là “một sự mở rộng của Internet
và các liên kết mạng khác tới các cảm biến và thiết bị khác nhau (còn gọi là các “things”)
cho phép kể cả các vật đơn giản như bóng đèn, khóa và cửa thơng khí một mức độ tính
tốn và phân tích cao hơn”.
Theo “các cân nhắc về kiến trúc trong kết nối mạng thiết bị thông minh” của Hội
đồng kiến trúc mạng (Internet Architecture Board). Khái niệm IoT “biểu thị một xu
hướng mà một số lượng lớn các thiết bị nhúng áp dụng các dịch vụ liên lạc được cung
cấp bởi các giao thức mạng. Rất nhiều thiết bị nhúng trên, thường được gọi là các “vật
thông minh”, không được vận hành trực tiếp bởi con người mà đóng vai trị như các

Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

2


Đồ án tốt nghiệp Đại học


Chương 1: Tổng quan về IoT, nhà thông minh
và nền tảng Raspberry Pi

thành phần trong các tịa nhà hoặc phương tiện giao thơng, hoặc được trải ra trong môi
trường.”
Khả năng tương tác cao là một trong những khía cạnh chủ chốt của IoT đã và
đang đóng góp cho sự phổ biến ngày càng cao của nó. Các thiết bị được kết nối, hay các
“vật thơng minh” trong IoT như chúng thường được gọi, có khả năng thu thập và chia
sẻ dữ liệu từ môi trường xung quanh chúng với các thiết bị và mạng khác. Qua việc phân
tích và xử lý dữ liệu, các thiết bị có thể thực hiện chức năng của chúng mà khơng cần
hoặc cần rất ít sự điều khiển của con người.
1.1.2. Phân loại IoT
Trong Internet of Things, tất cả những thứ đang được kết nối với internet có thể
được chia thành ba loại:
1. Loại thu thập thông tin và sau đó gửi nó:
Ví dụ: các thiết bị mang tính cảm biến, có thể là cảm biến nhiệt độ, cảm biến
chuyển động, cảm biến độ ẩm, ánh sáng,…. Những cảm biến này cùng với một kết nối,
cho phép chúng ta tự động thu thập thơng tin từ mơi trường. Nhờ đó, cho phép chúng ta
đưa ra quyết định thông minh hơn.
2. Loại nhận được thơng tin và sau đó hành động:
Ví dụ: máy in nhận được một tài liệu và in nó. Xe nhận được tín hiệu từ chìa khóa
xe và cửa mở.
3. Thực hiện cả hai:
Lấy một ví dụ hiện đang được sử dụng rộng rãi trong ngành nông nghiệp. Các
cảm biến có thể thu thập thơng tin về độ ẩm của đất để cho nông dân biết cần tưới bao
nhiêu cho cây trồng, tuy nhiên không thực sự cần người nơng dân. Thay vào đó, hệ thống
tưới có thể tự động bật khi cần thiết, dựa trên độ ẩm của đất.
Thêm vào đó, các nhà nơng nghiệp đã phát minh thêm một bước tiến nữa. Nếu
hệ thống thủy lợi nhận được thông tin về thời tiết từ kết nối internet của nó, thì nó cũng
có thể biết khi nào trời sẽ mưa và quyết định không tưới nước cho các loại cây trồng

ngày hơm nay vì tận dụng được nguồn nước mưa.
1.1.3. Hoạt động trong một mạng IoT
Các thiết bị làm nên IoT có thể là bất cứ thứ gì từ một máy theo dõi vận động đơn
giản đến phương tiện giao thơng thơng minh. Bất kể tính năng chúng cung cấp cho người
dùng là gì, các thiết bị đó đều cần có các thành phần sau để chúng có thể hoạt động đúng
cách là thành phần của một hệ thống IoT.
-

Các cảm biến: Dữ liệu đầu tiên được thu thập từ môi trường cho hệ thống IoT bắt
đầu xử lý bởi các cảm biến trong thiết bị có thể đo đạc các thay đổi hoặc hiện tượng

Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

3


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về IoT, nhà thông minh
và nền tảng Raspberry Pi

trong môi trường. Loại dữ liệu được đo bởi một thiết bị phụ thuộc vào chức năng
của nó: Có thể là nhịp tim, nhiệt độ môi trường, độ ẩm, âm thanh hoặc khoảng cách
tới vật gần nhất.

Hình 1. 1. Các cảm biến thơng thường
-

-


-

-

Định danh: Dữ liệu cần phải được giao tiếp tới các thiết bị ở phần còn lại của mạng.
Để cho việc giao tiếp này có ý nghĩa thì mỗi thiết bị phải có một phương thức định
danh để phân biệt nó với các thiết bị khác trong mạng ví dụ như địa chỉ IP.
Các cơ cấu chấp hành: Phần lớn các thiết bị IoT đều có khả năng thực hiện chức
năng chính của chúng mà khơng cần sự tương tác của người dùng. Các thiết bị IoT
cần có khả năng tự thực hiện thay đổi nào đó dựa vào dữ liệu từ các cảm biến của
chúng và các phản hồi sau đó từ mạng. Ví dụ, một bóng đèn thơng minh có thể bật
tắt từ xa qua điều khiển của người dùng. Một van thơng minh có thể mở và đóng tự
động dựa vào dữ liệu thu thập được về mực nước, áp suất nước mà van điều khiển.
IoT gateway: IoT gateway đóng vai trị là cầu nối cho dữ liệu của các thiết bị khác
nhau có thể đến được cloud. Nó cịn giúp thơng dịch các giao thức của nhiều thiết
bị IoT khác nhau thành một giao thức chuẩn chung và lọc dữ liệu không cần thiết
được thu thập.
Cloud: Cloud là nơi mà tất cả dữ liệu từ các thiết bị khác nhau được thu thập và từ
đó các phần mềm có thể tiếp cận chúng nhằm thực hiện xử lý dữ liệu. Bởi phần lớn
việc xử lý dữ liệu thực hiện trên đám mây nên nó giảm đi khối lượng công việc của
gateway và các thiết bị.

Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

4


Đồ án tốt nghiệp Đại học

-


-

-

-

Chương 1: Tổng quan về IoT, nhà thông minh
và nền tảng Raspberry Pi

Kết nối thiết bị với thiết bị: Cần có một cách để các thiết bị trong cùng mạng IoT
có thể giao tiếp và trao đổi thông tin trực tiêp với nhau. Liên lạc giữa các thiết bị
thường được thực hiện thông qua các giao thức như Bluetooth, Z-wave và Zigbee.
Kết nối thiết bị với cloud: Nhiều thiết bị IoT được kết nối với cloud, thường qua
kết nối Ethernet có dây hoặc Wi-Fi. Kết nối tới cloud cho phép người dùng và ứng
dụng liên quan có thể truy cập tới thiết bị, khiến cho việc điều khiển và update thiết
bị từ xa trở nên khả thi. Thông qua kết nối này, các thiết bị cũng có thể thu thập dữ
liệu người dùng để cải thiện chất lượng cho nhà cung cấp dịch vụ.
Kết nối thiết bị tới gateway: Trước khi kết nối tới coud, các thiết bị IoT có thể liên
lạc trước với một gateway trung gian. Gateway này có thể dịch các giao thức và
đưa thêm vào một lớp bảo mật cho cả hệ thống IoT. Ở trường hợp nhà thông minh,
tất cả thiết bị thơng minh có thể được kết nối tới một hub (gateway) có chức năng
hỗ trợ các thiết bị khác nhau hoạt động được với nhau mặc dù khác giao thức.
Giao diện người dùng: Cung cấp cho người dùng dữ liệu được thu thập bởi các thiết
bị và cho phép người dùng gửi các lệnh điều khiển hệ thống. Ví dụ cụ thể dữ liệu
sau khi được xử lý được cung cấp cho người dùng qua tin nhắn, email, một trình
hiển thị kiểu app hoặc Web. Sau khi dữ liệu được hiển thị người dùng có thể qua
giao diện để thực hiện điều khiển lại hệ thống cụ thể như tắt chng báo động, tắt
thiết bị cảm biến….


Tóm lại: Một hệ thống IoT bao gồm các thiết bị cảm biến “nói chuyện” với cloud
trực tiếp hoặc gián tiếp qua gateway, hoặc với lẫn nhau thông qua một phương thức kết
nối nào đó. Các cảm biến khi thu thập dữ liệu có thể dựa vào đó tự động thực hiện một
chức năng nào đó. Khi dữ liệu đã đến được đám mây, phần mềm sẽ xử lý nó và thực
hiện một chức năng, ví dụ gửi tin đến người dùng hoặc tự động điều chỉnh các cảm biến
và thiết bị không cần người dùng. Các dữ liệu và thông báo từ hệ thống được đưa tới
người dùng thông qua giao diện người dùng, từ đó họ có thể theo dõi hoặc điều khiển
trực tiếp hệ thống.

Hình 1. 2. Sơ đồ một hệ thống IOT
Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

5


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về IoT, nhà thông minh
và nền tảng Raspberry Pi

1.1.4. Giao thức truyền tải dữ liệu
Có 5 giao thức truyền tải dữ liệu phổ biến có thể được sử dụng trong các mơ hình
là: MQTT, CoAP, AMQP và DDS.
MQTT là một giao thức kết nối máy với máy, một giao thức mã nguồn mở để
truyền các messages giữa nhiều Client (Publisher và Subscriber) thông qua một Broker
trung gian, được thiết kế để đơn giản và dễ dàng triển khai. Giao thức này nhẹ đến mức
nó có thể được hỗ trợ bởi một số thiết bị đo lường và giám sát nhỏ nhất và nó có thể
truyền dữ liệu qua các mạng có khả năng tiếp cận, đôi khi liên tục. Kiến trúc MQTT dựa
trên Broker trung gian và sử dụng kết nối TCP long-lived từ các Client đến Broker.
Trong một hệ thống sử dụng giao thức MQTT, nhiều node trạm (gọi là mqtt client

- gọi tắt là client) kết nối tới một MQTT server (gọi là broker). Mỗi client sẽ đăng ký
một vài kênh (topic), ví dụ như " /client1 /channel1 " , " /client1 / channel2 ". Quá trình
đăng ký này gọi là "subscribe". Mỗi client sẽ nhận được dữ liệu khi bất kỳ trạm nào khác
gửi dữ liệu và kênh đã đăng ký. Khi một client gửi dữ liệu tới kênh đó, gọi là "publish".

Hình 1. 3. Giao thức truyền của MQTT
MQTT thì nhẹ nhàng hơn và nhanh. Nó mất rất ít bytes cho việc kết nối với server
và quá trính kết nối có thể giữ trạng thái xun suốt. Ưu điểm là giao tiếp sẽ mất ít dữ
liệu và thời gian hơn HTTP protocol, nên có thể được sử dụng cho truyền thơng 2 chiều
thơng qua các mạng có độ trễ cao và độ tin cậy thấp, nó cũng tương thích với các thiết
bị tiêu thụ điện năng thấp. Vì vây MQTT phù hợp để chọn làm giao thức truyền thơng
chính trong đề tài này.
1.2. Nhà thơng minh – Smart Home:
1.2.1. Khái niệm nhà thông minh
Nhà thông minh đề cập đến một thiết lập nhà thuận tiện trong đó các thiết bị và
thiết bị có thể được điều khiển tự động từ xa từ bất kỳ đâu có kết nối internet bằng thiết

Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

6


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về IoT, nhà thông minh
và nền tảng Raspberry Pi

bị di động hoặc thiết bị được kết nối mạng khác. Các thiết bị trong ngôi nhà thông minh
được kết nối với nhau thơng qua internet, cho phép người dùng kiểm sốt các chức năng
như truy cập an ninh vào nhà, nhiệt độ, ánh sáng và rạp hát tại nhà từ xa.

1.2.2. Cấu trúc của hệ thống nhà thơng minh:
Có khá nhiều cách thiết kế cho một hệ thống nhà thông minh, tuy nhiên, những
phần cơ bản không thể thiếu của một hệ thống nhà thơng minh có thể kể đến các phần
sau đây:
-

-

-

Central Controller: Hệ thống điều khiển trung tâm, nơi sẽ nhận các lệnh từ các thiết
bị điều khiển, giao diện người dùng và ra lệnh điều khiển cho các thiết bị khác. Nó
cũng thu nhận về các dữ liệu từ các cảm biến, tùy vào mức độ “thông minh” của hệ
thống, nó có thể phân tích các dữ liệu đã có sẵn để đưa ra lệnh phù hợp với nhu cầu
của người dùng
Data Server: Nơi lưu trữ dữ liệu hoạt động của toàn bộ hệ thống
Home Appliances: Các thiết bị điện tử có tích hợp hệ thống điều khiển thơng minh
Sensors and Meters: Hệ thống các cảm biến và máy đo để trả về các dữ liệu, thông
số trong nhà, từ đó người dùng có thể dễ dàng lựa chọn các lệnh phù hợp dựa trên
thơng số đang có
Application GUI: Các ứng dụng, giao diện người dùng, thường được cài đặt trên
các thiết bị như máy tính, máy tính bảng, điện thoại thông minh,… giúp người dùng
dễ dàng quản lý cũng như thao tác trên hệ thống nhà thông minh

Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

7


Đồ án tốt nghiệp Đại học


Chương 1: Tổng quan về IoT, nhà thơng minh
và nền tảng Raspberry Pi

Hình 1. 4. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống nhà thông minh
1.2.3. Ưu và nhược điểm của nhà thông minh
Một trong những lợi ích được quảng cáo nhiều nhất của tự động hóa nhà là mang
lại sự an tâm cho chủ nhà, cho phép họ giám sát ngơi nhà của mình từ xa, chống lại
những nguy hiểm như máy pha cà phê bị bỏ qn hoặc cửa trước khơng khóa.
Domotics cũng có lợi cho người cao tuổi, cung cấp sự giám sát có thể giúp người
cao tuổi ở nhà thoải mái và an tồn, thay vì chuyển đến viện dưỡng lão hoặc u cầu
chăm sóc tại nhà 24/7.
Nhà thơng minh có thể đáp ứng sở thích của người dùng để tạo sự thuận tiện. Ví
dụ, người dùng có thể lập trình cửa nhà để xe của họ mở, đèn bật sáng, lị sưởi để bật và
giai điệu u thích của họ để phát khi họ đến.
Tự động hóa nhà cũng giúp người tiêu dùng nâng cao hiệu quả. Thay vì để điều
hịa khơng khí cả ngày, một hệ thống nhà thơng minh có thể học các hành vi và đảm bảo
ngơi nhà được hạ nhiệt khi chủ nhà đi làm về. Đối với đồ dùng cũng vậy. Với hệ thống
Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

8


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về IoT, nhà thông minh
và nền tảng Raspberry Pi

tưới thông minh, bãi cỏ sẽ chỉ được tưới khi cần thiết và với lượng nước chính xác cần
thiết. Với việc tự động hóa trong nhà, năng lượng, nước và các nguồn tài nguyên khác

được sử dụng hiệu quả hơn, giúp tiết kiệm cả tài nguyên thiên nhiên và tiền bạc cho
người tiêu dùng.
Tuy nhiên, các hệ thống tự động hóa gia đình đã phải vật lộn để trở thành xu
hướng chủ đạo, một phần do bản chất kỹ thuật của chúng. Một hạn chế của ngôi nhà
thông minh là sự phức tạp của chúng; một số người gặp khó khăn với cơng nghệ hoặc
sẽ từ bỏ nó với sự bất tiện đầu tiên. Các nhà sản xuất và liên minh nhà thông minh đang
nỗ lực giảm độ phức tạp và cải thiện trải nghiệm người dùng để làm cho nó trở nên thú
vị và có lợi cho người dùng ở mọi loại hình và trình độ kỹ thuật.
Để các hệ thống tự động hóa gia đình thực sự hiệu quả, các thiết bị phải có khả
năng tương tác với nhau bất kể nhà sản xuất nào và sử dụng cùng một giao thức hoặc ít
nhất là các giao thức bổ sung. Vì đây là một thị trường tương đối mới nên vẫn chưa có
tiêu chuẩn vàng cho việc tự động hóa gia đình. Tuy nhiên, các liên minh tiêu chuẩn đang
hợp tác với các nhà sản xuất và giao thức để đảm bảo khả năng tương tác và trải nghiệm
người dùng liền mạch.
Một vấn đề lớn khác là an ninh nhà thông minh. Một báo cáo năm 2016 của NTT
Data Corp. cho thấy 80% người tiêu dùng Hoa Kỳ lo ngại về tính bảo mật của dữ liệu
nhà thơng minh của họ. Nếu tin tặc có thể xâm nhập vào một thiết bị thơng minh, chúng
có thể tắt đèn, báo động và mở khóa cửa, khiến ngơi nhà khơng có khả năng phịng thủ
trước đột nhập. Hơn nữa, tin tặc có thể truy cập vào mạng của chủ nhà, dẫn đến các cuộc
tấn công hoặc xâm nhập dữ liệu tồi tệ hơn. Vào tháng 10 năm 2016, mạng botnet Mirai
IoT đã có thể phá hủy các phần của Internet trong một loạt các cuộc tấn công từ chối
dịch vụ (DDoS) phân tán bằng cách sử dụng các camera, DVR và bộ định tuyến được
bảo mật kém làm điểm vào.
Ngoài an ninh gia đình, nhiều đối thủ của nhà thơng minh cịn lo lắng về quyền
riêng tư của dữ liệu. Báo cáo của NTT Data cho thấy 73% người tiêu dùng lo ngại về
tính riêng tư của dữ liệu được chia sẻ bởi các thiết bị gia đình thơng minh của họ. Mặc
dù các nhà sản xuất nền tảng và thiết bị nhà thơng minh có thể thu thập dữ liệu người
tiêu dùng để điều chỉnh sản phẩm của họ tốt hơn hoặc cung cấp các dịch vụ mới và cải
tiến cho khách hàng, nhưng sự tin tưởng và minh bạch là yếu tố quan trọng đối với các
nhà sản xuất đang tìm kiếm khách hàng mới.

1.2.4. Hoạt động của nhà thông minh
Những ngôi nhà mới xây thường được xây dựng với cơ sở hạ tầng nhà thông
minh tại chỗ. Mặt khác, những ngơi nhà cũ có thể được trang bị thêm các công nghệ

Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

9


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về IoT, nhà thông minh
và nền tảng Raspberry Pi

thông minh. Trong khi nhiều hệ thống nhà thông minh vẫn chạy trên X10 hoặc Insteon,
Bluetooth và Wi-Fi đã trở nên phổ biến.
Zigbee và Z-Wave là hai trong số các giao thức truyền thơng tự động hóa gia đình
phổ biến nhất được sử dụng ngày nay. Cả hai đều sử dụng các công nghệ mạng mesh,
tín hiệu radio tầm ngắn, cơng suất thấp để kết nối hệ thống nhà thông minh. Mặc dù cả
hai đều nhắm mục tiêu đến các ứng dụng nhà thơng minh giống nhau, Z-Wave có phạm
vi từ 30 mét đến 10 mét của Zigbee, với Zigbee thường được coi là phức tạp hơn trong
số hai. Chip Zigbee có sẵn từ nhiều cơng ty, trong khi chip Z-Wave chỉ có ở Sigma
Designs.
Nhà thông minh không phải là một tập hợp các thiết bị và đồ dùng thông minh
khác nhau, mà là các thiết bị thông minh kết hợp với nhau để tạo ra một mạng lưới có
thể điều khiển từ xa. Tất cả các thiết bị được điều khiển bởi một bộ điều khiển tự động
hóa gia đình chính, thường được gọi là trung tâm nhà thông minh. Trung tâm nhà thông
minh là một thiết bị phần cứng hoạt động như điểm trung tâm của hệ thống nhà thông
minh và có thể cảm nhận, xử lý dữ liệu và giao tiếp khơng dây. Nó kết hợp tất cả các
ứng dụng khác nhau thành một ứng dụng nhà thông minh duy nhất có thể được chủ nhà

điều khiển từ xa. Ví dụ về các trung tâm nhà thông minh bao gồm Amazon Echo, Google
Home, Insteon Hub Pro, Samsung SmartThings và Wink Hub.
Một số hệ thống nhà thơng minh có thể được tạo từ đầu, chẳng hạn như sử dụng
Raspberry Pi hoặc bảng tạo mẫu khác. Những người khác có thể được mua dưới dạng
một bộ nhà thông minh đi kèm - cịn được gọi là nền tảng nhà thơng minh - chứa các
phần cần thiết để bắt đầu một dự án tự động hóa gia đình.
Trong các tình huống nhà thơng minh đơn giản, các sự kiện có thể được hẹn giờ
hoặc kích hoạt. Các sự kiện được hẹn giờ dựa trên đồng hồ, ví dụ: hạ rèm lúc 6 giờ
chiều, trong khi các sự kiện được kích hoạt phụ thuộc vào các hành động trong hệ thống
tự động; Ví dụ: khi điện thoại thông minh của chủ sở hữu đến gần cửa, khóa thơng minh
sẽ mở và đèn thơng minh bật sáng.
Máy học và trí tuệ nhân tạo (AI) đang ngày càng trở nên phổ biến trong các hệ
thống nhà thơng minh, cho phép các ứng dụng tự động hóa trong nhà thích ứng với mơi
trường của chúng. Ví dụ, các hệ thống kích hoạt bằng giọng nói, chẳng hạn như Amazon
Echo hoặc Google Home, chứa các trợ lý ảo giúp tìm hiểu và cá nhân hóa ngơi nhà thơng
minh theo sở thích và kiểu mẫu của cư dân.
1.3. Raspberry Pi
1.3.1. Sơ lược về Raspberry Pi
Raspberry Pi là một loạt các máy tính sử dụng một bảng mạch nhỏ (small single-

Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

10


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về IoT, nhà thông minh
và nền tảng Raspberry Pi


board computers - SBC) được phát triển ở Vương quốc Anh bởi Raspberry Pi
Foundation kết hợp với Broadcom. Dự án Raspberry Pi ban đầu nghiêng về việc thúc
đẩy việc giảng dạy khoa học máy tính cơ bản trong trường học và ở các nước đang phát
triển. Mơ hình ban đầu trở nên phổ biến hơn dự đốn, bán ra bên ngồi thị trường mục
tiêu để sử dụng như chế tạo người máy. Nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực,
chẳng hạn như để theo dõi thời tiết, vì chi phí thấp, tính mơ đun và thiết kế mở. Nó
thường được sử dụng bởi những người yêu thích máy tính và điện tử, do việc sử dụng
các thiết bị HDMI và USB.

Hình 1. 5. Logo Raspberry Pi
1.3.2. Các thiết bị Raspberry Pi
Có ba loại Raspberry Pi và một số thế hệ của mỗi loại đã được phát hành.
Raspberry Pi SBC có hệ thống Broadcom trên chip (SoC) với bộ xử lý trung tâm tích
hợp tương thích với ARM (CPU) và bộ xử lý đồ họa trên chip (GPU), trong khi
Raspberry Pi Pico có hệ thống RP2040 trên chip với ARM tích hợp - đơn vị xử lý trung
tâm tương thích (CPU). Bao gồm Raspberry Pi cơ bản, Raspberry Pi Zero, Raspberry Pi
Pico.
1.3.2.1. Raspberry Pi cơ bản
Là phiên bản đầy đủ nhất của Raspberry Pi, cho đến hiện tại đã có 4 đời máy
Raspberrry Pi được ra đời. Phiên bản mới nhất của Raspberry Pi là Raspberry Pi 4 model
B, ra đời vào tháng 6 năm 2019. Với bộ xử lý ARM Cortex-A72 lõi tứ 64 bit 1,5 GHz,
Wi-Fi 802.11ac trên bo mạch, Bluetooth 5, đầy đủ gigabit Ethernet (thông lượng không
giới hạn), hai cổng USB 2.0, hai cổng USB 3.0, 2-8 GB RAM và hỗ trợ màn hình kép
thơng qua một cặp cổng micro HDMI (HDMI Loại D) cho độ phân giải lên đến 4K.

Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

11



Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về IoT, nhà thơng minh
và nền tảng Raspberry Pi

Hình 1. 6. Raspberry Pi 4 model B
Ngoài ra, tháng 11 năm 2020, một phiên bản nữa của Raspberry Pi 4 ra đời, đó
là Raspberry Pi 400. Raspberry Pi 400 cung cấp thêm 1 bộ bàn phím chuột rời đi kèm,
cùng với đó là nâng cấp tản nhiệt và bộ nguồn đi kèm để cho phép vi xử lý của Raspberry
Pi 400 hoạt động ở mức 1.8 GHz, cao hơn so với bộ Raspberry Pi 4 thơng thường.

Hình 1. 7. Bộ sản phẩm Raspberry Pi 400
Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

12


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về IoT, nhà thông minh
và nền tảng Raspberry Pi

1.3.2.2. Raspberry Pi Zero
Raspberry Pi Zero là sản phẩm với kích thước nhỏ hơn và giảm khả năng nhập /
xuất (Input / Output) và khả năng nhập xuất GPIO được phát hành vào tháng 11 năm
2015. Với kích thước nhỏ cùng với giá thành hợp lí, Raspberry Pi Zero trở thành một sự
lựa chọn hợp lý cho học sinh sinh viên thực hiện các thực nghiệm với Raspberry Pi.

Hình 1. 8. Raspberry Pi Zero 2 W
1.3.2.3. Raspberry Pi Pico:

Raspberry Pi Pico được phát hành vào tháng 1 năm 2021. Đây là bo mạch đầu
tiên của Raspberry Pi dựa trên một chip vi điều khiển duy nhất; RP2040, được thiết kế
bởi Raspberry Pi ở Vương quốc Anh. Pico có 264 KB RAM và 2 MB bộ nhớ flash. Nó
có thể lập trình trong MicroPython, CircuitPython và C. Nó đã hợp tác với Vilros,
Adafruit, Pimoroni, Arduino và SparkFun để tạo Phụ kiện cho Raspberry Pi Pico và
nhiều loại bảng khác sử dụng Nền tảng Silicon RP2040. Thay vì thực hiện vai trị của
một máy tính đa năng (giống như các máy tính khác trong phạm vi), nó được thiết kế
cho tính tốn vật lý, tương tự về khái niệm với Arduino.

Hình 1. 9. Raspberry Pi Pico
Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

13


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về IoT, nhà thông minh
và nền tảng Raspberry Pi

1.3.3. Hoạt động và Ứng dụng của Raspberry Pi
Hệ điều hành cho tất cả các sản phẩm Raspberry Pi là Linux. Linux là hệ điều
hành mã nguồn mở giao diện giữa các chương trình phần cứng và phần mềm của máy
tính. Ngơn ngữ được sử dụng với Raspberry Pi là Python - một ngơn ngữ lập trình đa
năng và cấp cao được sử dụng để phát triển các ứng dụng, trang web và ứng dụng giao
diện người dùng đồ họa (GUI). Một trong những lợi ích của Raspberry Pi là khơng cần
thiết phải có kiến thức sâu về Linux hoặc Python trước khi bắt đầu một dự án với
Raspberry Pi. Trên thực tế, mục đích của sản phẩm là dạy hệ thống và ngôn ngữ thông
qua các dự án hấp dẫn.
Với đặc điểm là sự kết hợp đơn giản giữa phần mềm và phần cứng, cùng với đó

cung cấp các giải pháp đơn giản để thiết lập các kết nối, Raspberry Pi trở thành giải pháp
phù hợp cho các mục đích sử dụng vừa và nhỏ, các dự án mang tính tự động hóa giúp
ích cho cá nhân người sử dụng.
Các ứng dụng đơn giản có thể kể đến như:
-

Làm các loại máy chủ cầu nối, như máy chủ trang web, máy chủ cho máy in phục
vụ việc in ấn, máy chủ chơi game, …
Hệ thống tự động hóa đơn giản kết hợp với các mạch Arduino
Điều khiển Robot
Thay thế như một máy tính thơng thường

1.3.4. GPIO trong Raspberry Pi
Raspberry Pi cung cấp một hệ thống hàng chân cắm GPIO dọc theo cạnh trên của
bảng. GPIO là viết tắt của General-Purpose Input / Output. Các chân này là giao diện
vật lý giữa Raspberry Pi và thế giới bên ngoài. Ở cấp độ đơn giản nhất, ta có thể coi
chúng như các cơng tắc mà ta có thể bật hoặc tắt (đầu vào) hoặc Pi có thể bật hoặc tắt
(đầu ra).
Các chân GPIO cho phép Raspberry Pi điều khiển và giám sát các thiết bị vật lý
khác bằng cách kết nối với các mạch điện tử. Pi có thể điều khiển đèn LED, bật hoặc tắt
chúng, chạy động cơ và nhiều thứ khác. Nó cũng có thể phát hiện xem cơng tắc đã được
nhấn hay chưa, nhiệt độ và ánh sáng.
Có 40 chân trên Raspberry Pi (26 chân trên các mẫu đầu tiên) và chúng cung cấp
nhiều chức năng khác nhau.
Nếu có nhãn ghim RasPiO, nó có thể giúp xác định mỗi ghim được sử dụng để
làm gì. Đảm bảo rằng nhãn ghim được đặt với lỗ khóa hướng ra ngồi các cổng USB.

Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

14



Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về IoT, nhà thơng minh
và nền tảng Raspberry Pi

Hình 1. 10. Danh sách các chân GPIO của Raspberry Pi
Ta có thể thấy các chân cắm được đặt là 3V3, 5V, GND và GP2, GP3, …
Bảng 1. 1. Bảng chức năng các chân cắm GPIO
Tên chân cắm

Ý nghĩa

Chức năng

3V3

3.3 volts

Bất kỳ thứ gì được kết nối với các chân
này sẽ ln nhận được nguồn điện 3,3V

5V

5 volts

Bất kỳ thứ gì được kết nối với các chân
này sẽ luôn nhận được nguồn điện 5V


GND

Ground

0 volt, được sử dụng để hoàn thành một
mạch

GP2

GPIO pin 2

Các chân này được sử dụng cho mục đích
chung và có thể được cấu hình làm chân
đầu vào hoặc đầu ra

ID_SC/ID_SD/DNC Các chân có mục
đích đặc biệt

Nguyễn Tiến Hải – D17CQVT08B

15