ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Văn Đức

ĐIỀU KHIỂN VÀ QUẢN LÝ THIẾT BỊ TRONG CÁC
ỨNG DỤNG NHÀ THÔNG MINH THEO CHUẨN
ZIGBEE VỚI NODEJS VÀ METEORJS

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ thông tin

HÀ NỘI – 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Văn Đức

ĐIỀU KHIỂN VÀ QUẢN LÝ THIẾT BỊ TRONG CÁC
ỨNG DỤNG NHÀ THÔNG MINH THEO CHUẨN
ZIGBEE VỚI NODEJS VÀ METEORJS

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ thông tin

Cán bộ hướng dẫn: TS. Hoàng Xuân Tùng

HÀ NỘI - 2016

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI
UNIVERSITY OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY

Le Van Duc

CONTROLLING AND MANAGING DEVICE IN
THE SMART HOME APPLICATIONS FOLLOW
ZIGBEE STANDARD WITH NODEJS AND
METEORJS
Major: Information Technology

Supervisor: Ph.D. Hoang Xuan Tung

HA NOI - 2016


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi 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 tôi xây dựng, tích
lũy những kiến thức và bài học giúp tôi có thể hoàn thành khóa học.
Tôi xin gửi lời cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Công Nghệ Thông Tin, đã tận
tình chỉ dạy và truyền đạt những kiến thức, kỹ năng quý báu, đồng thời tạo điều kiện cho
tôi hoàn thành khóa luận này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo, TS. Hoàng Xuân Tùng, người đã tận
tình hướng dẫn và cùng tôi giải quyết những khó khăn trong đề tài khóa luận. Cảm ơn
thầy đã thường xuyên nhắc nhở tôi trong việc nghiên cứu và học tập, giúp tôi đi đúng
hướng và không sao nhãng trong việc hoàn thành khóa luận.
Tôi cũng xin cảm ơn gia đình, bạn bè, tập thể lớp K57CLC đã luôn bên cạnh, ủng
hộ, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, rèn luyện tại trường cũng như

thời gian làm khóa luận này.

Hà Nội, ngày 20 tháng 4 năm 2016
Sinh viên

Lê Văn Đức

ii


TÓM TẮT
Tóm tắt: Hiện nay sự tiến bộ của công nghệ thông tin đã đem tới rất nhiều những sản
phẩm hữu ích cho con người. Một trong số đó là ứng dụng nhà thông minh, đây đang là
một xu hướng công nghệ tất yếu trên thế giới, và trở thành tiêu chuẩn của các ngôi nhà
hiện đại. Những ứng dụng nhà thông minh giúp điều khiển từ xa, cũng như việc tự động
hóa các thiết bị, vật dụng trong nhà như chiếu sáng, rèm, cửa, điều hòa nhiệt độ, an ninh,
giải trí, quản lý năng lượng, mang đến sự tiện nghi cho cuộc sống con người. Một số vấn
đề còn tồn tại của các giải pháp nhà thông minh hiện nay là việc cấu hình, cài đặt còn
phức tạp, có thể phải đi dây trong nhà để kết nối từng thiết bị ảnh hưởng tới thiết kế ngôi
nhà, người dùng bị hạn chế khi muốn tự nâng cấp, thêm mới. Đồng thời đi kèm với đó là
giá thành thiết bị không hề rẻ. Do vậy trong đề tài khóa luận này tôi đã nghiên cứu và phát
triển một giải pháp để khắc phục các nhược điểm trên bằng cách áp dụng chuẩn truyền
thông không dây ZigBee, và cung cấp giao diện điều khiển, quản lý thân thiện qua Web
và các ứng dụng di động. Tuy mới chỉ hỗ trợ các thiết bị có khả năng bật tắt đơn giản do
hạn chế về mặt thời gian, nhân lực và vật lực, nhưng kết quả của đề tài khóa luận này sẽ là
nền móng để mở rộng điều khiển các các thiết bị có chức năng cao cấp hơn sau này. Nội
dung của khóa luận sẽ tập trung trình bày về giải pháp đề xuất sử dụng các công nghệ
ZigBee, NodeJS, MeteorJS, và phân tích thiết kế ứng dụng cho việc điều khiển và quản lý
thiết bị trong nhà.
Từ khóa: nhà thông minh, ZigBee, điều khiển và quản lý, NodeJS và MeteorJS


iii


ABSTRACT
Abstract: At present, the advancement of information technology has brought many
useful products for humans. One of them is smart home application. It is an inevitable
trend of technology in the world, and become the standard of the modern home today.
These smart home applications help remote control, as well as automation household
items activity such as lighting, blinds, doors, air conditioning, security, entertainment,
energy management. It carries the comfort for human life. Some problems of many smart
home solution today is its complex configuration, installation and it may have to install
separate house wiring to connect each device; users are restricted to upgrade or install
new device themselves. Many smart home’s devices are expensive. Therefore in this
thesis, I have researched and developed a solution to solving the above problems by
adopting the ZigBee standard for wireless communications, and providing friendly user
interface to control and manage household devices via Web and mobile applications.
While my solution only supports simple toggle device due to the limitation of time,
human and material resources, but the results of this solution will be the foundation to
expand the control of the devices, which are more advanced functionality later. Content of
this thesis will present principle of my solution by using ZigBee, NodeJS, MeteorJS
technology, and analysis, design application to controlling and managing the household
devices.
Keywords: smart home, ZigBee, control and manage, NodeJS and MeteorJS

iv


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung khóa luận này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của

TS. Hoàng Xuân Tùng.
Tôi cam đoan rằng tất cả những tham khảo từ các nghiên cứu liên quan đều được
nêu nguồn gốc một cách rõ ràng từ danh mục tài liệu tham khảo trong khóa luận. Tôi cam
đoan không sao chép tài liệu, công trình nghiên cứu của người khác mà không chỉ rõ
trong tài liệu tham khảo.
Hà Nội, ngày 20 tháng 4 năm 2016
Sinh viên

Lê Văn Đức

v


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................................ii
TÓM TẮT........................................................................................................................... iii
ABSTRACT ........................................................................................................................iv
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................................v
MỤC LỤC ...........................................................................................................................vi
DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU ........................................................................... viii
Chương 1. Đặt vấn đề...........................................................................................................1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................................1
1.2. Các vấn đề và thực trạng hiện nay về các giải pháp nhà thông minh........................2
1.3. Phát biểu bài toán.......................................................................................................8
Chương 2. Giải pháp đề xuất và cơ sở lý thuyết ..................................................................9
2.1. Mô hình giải pháp DHome ........................................................................................9
2.2. Giải pháp phần cứng ................................................................................................10
2.2.1. Client .................................................................................................................10
2.2.2. Server ................................................................................................................11
2.2.3. ZNP và Device ..................................................................................................12

2.3. Giải pháp phần mềm ................................................................................................13
2.3.1. Client .................................................................................................................14
2.3.2. Server ................................................................................................................14
2.3.2.1. Nền tảng NodeJS ........................................................................................15
2.3.2.2. MeteorJS - Bộ khung phát triển ứng dụng .................................................16
2.3.2.3. Lưu trữ dữ liệu............................................................................................17
2.3.2.4. Điều khiển thiết bị ......................................................................................19
2.3.2.5. Cập nhật dữ liệu theo thời gian thực ..........................................................20

vi


Chương 3. Phân tích và thiết kế ứng dụng .........................................................................22
3.1. Lưu trữ và quản lý thiết bị theo nhóm .....................................................................23
3.1.1. Mô hình cơ sở dữ liệu .......................................................................................23
3.1.2. Ca sử dụng.........................................................................................................25
3.1.3. Thiết kế ứng dụng .............................................................................................27
3.2. Điều khiển thiết bị....................................................................................................28
3.2.1. Giao thức DZP ..................................................................................................28
3.2.2. Ca sử dụng.........................................................................................................30
3.2.3. Thiết kế ứng dụng .............................................................................................32
3.3. Quản lý tác vụ cho thiết bị .......................................................................................34
3.3.1. Ca sử dụng.........................................................................................................34
3.3.2. Thiết kế ứng dụng .............................................................................................36
3.4. Cập nhật dữ liệu theo thời gian thực........................................................................37
3.4.1. Ca sử dụng.........................................................................................................37
3.4.2. Thiết kế ứng dụng .............................................................................................38
Chương 4. Kết quả và thực nghiệm....................................................................................40
4.1. Chuẩn bị các thiết bị ................................................................................................40
4.2. Giao diện sử dụng và thực nghiệm ..........................................................................41

Chương 5. Kết luận.............................................................................................................45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................46

vii


DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU
Hình 1.1. Mô hình cơ bản của các giải pháp nhà thông minh hiện nay. .............................2
Bảng 1.1. So sánh ưu nhược điểm của các chuẩn truyền thông trong nhà thông minh.......7
Hình 2.1. Mô hình hoạt động cơ bản của giải pháp DHome ...............................................9
Hình 2.2. Một chiếc bo mạch BeagleBone Black chỉ to cỡ thẻ ATM ...............................12
Hình 2.3. Kiến trúc kỹ thuật ZigBee Pro Stack của Texas Instruments[12]........................13
Hình 2.4. Ví dụ về cấu trúc thiết bị trong nhà. ..................................................................18
Hình 2.5. Kiến trúc truyền thông qua giao thức DZP giữa các đối tượng.........................19
Hình 2.6. Mô hình truyền thông giữa Publisher và Subscriber. ........................................21
Hình 3.1. Ca sử dụng của người dùng (User) ....................................................................22
Hình 3.2. Ca sử dụng của thiết bị (Device) .......................................................................22
Bảng 3.1. Các thành phần logic trong hệ thống .................................................................23
Hình 3.3. Lược đồ thực thể liên kết của cơ sở dữ liệu DHome. ........................................24
Hình 3.4. Lược đồ quan hệ của cơ sở dữ liệu DHome. .....................................................24
Hình 3.5. Ca sử dụng Thêm Group....................................................................................26
Hình 3.6. Ca sử dụng Xóa Group. .....................................................................................27
Bảng 3.2. Cấu trúc gói tin DZP..........................................................................................28
Hình 3.7. Ca sử dụng Thêm Device...................................................................................30
Hình 3.8. Ca sử dụng Điều khiển Device. .........................................................................31
Hình 3.9. Ca sử dụng Xóa Device. ....................................................................................32
Hình 3.10. Ca sử dụng Thêm Task. ...................................................................................34
Hình 3.11. Ca sử dụng Bật/Tắt Task. ................................................................................35
Hình 3.12. Ca sử dụng Xóa Task.......................................................................................36
Hình 3.13. Ca sử dụng Thay đổi trạng thái của Device.....................................................37


viii


Hình 3.14. Minh họa luồng hoạt động theo cơ chế Publish/Subscribe..............................38
Hình 3.15. Minh họa sơ đồ Publish/Subscribe trong ứng dụng DHome. ..........................38
Hình 4.1. Giao diện điều khiển ở thiết bị màn hình lớn. ...................................................41
Hình 4.2. Giao diện điều khiển ở thiết bị màn hình nhỏ....................................................42
Hình 4.3. Giao diện thêm thiết bị, thêm nhóm ..................................................................42
Hình 4.4. Giao diện quản lý tác vụ ....................................................................................43
Bảng 4.1. Thống kê độ trễ khi điều khiển thiết bị..............................................................44

ix


Chương 1. Đặt vấn đề
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Nhà thông minh (tiếng Anh là “Smart Home”) là một căn nhà được trang bị hệ
thống tự động tiên tiến, có khả năng điều khiển đèn chiếu sáng, nhiệt độ, truyền thông đa
phương tiện, an ninh, rèm cửa, cửa và nhiều hệ thống điện khác của ngôi nhà nhằm mục
đích giúp cho cuộc sống ngày càng tiện nghi, an toàn, đồng thời góp phần sử dụng hợp lý
các nguồn tài nguyên như điện, nước.
Thường thì nhà thông minh kết nối nhiều thiết bị trong nhà lại thành một mạng, để
có thể điều khiển chúng theo các kịch bản thông minh như đặt lịch, hẹn giờ bật tắt thiết bị,
tự động thay đổi trạng thái thiết bị trong nhà theo thói quen người dùng. Các tín hiệu được
mã hóa và gửi đi qua hệ thống dây dẫn, mạng không dây đến các bộ chuyển mạch, ổ điện
được lập trình sẵn để vận hành các đồ gia dụng và thiết bị điện tử ở trong ngôi nhà. Sự tự
động hóa của ngôi nhà đặc biệt có ích cho người lớn tuổi và người tàn tật, những người
muốn sống tự lập.
Cùng với sự phát triển rộng rãi của điện tử và những tiến bộ nhanh chóng của công

nghệ thông tin, các giải pháp nhà thông minh tiên tiến hiện nay mang tới những tính năng
tuyệt vời như[13]:
o Hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa nhiệt độ.
o Hệ thống quản lý đèn điện, chiếu sáng, rèm, cửa.
o Hệ thống an ninh, giám sát, cảnh báo đột nhập, phát hiện rò rỉ (khí gas, nước…).
o Kiểm soát các thiết bị điện tử trong nhà, phục vụ âm thanh giải trí.
Sẽ là rất thú vị và tiện lợi nếu người chủ ngôi nhà có thể điều khiển, giám sát mọi
thiết bị trong ngôi nhà của mình thông qua máy tính, điện thoại cá nhân ở bất cứ nơi nào,
miễn có kết nối mạng Internet. Với những tính năng đặc biệt kể trên cho một ngôi nhà,
công nghệ nhà thông minh đang nhận được rất nhiều sự quan tâm.
Hiện nay công nghệ nhà thông minh đã dần trở nên phổ biến trên thế giới, theo ước
tính đến năm 2012, đã có 1,5 triệu hệ thống nhà tự động được triển khai tại Mỹ[13]. Nhưng

1


ở Việt Nam, mặc dù đã có một số công ty cung cấp các giải pháp thiết kế nhà thông minh,
công nghệ này vẫn còn chưa được phổ biến với đại đa số người dân.
Nhà thông minh đang là một công nghệ mới mẻ và tiềm năng tại Việt Nam, chính vì
vậy đề tài điều khiển và quản lý thiết bị trong nhà mang tính cấp thiết, và có tính ứng
dụng cao. Đề tài này được nghiên cứu nhằm giải quyết vấn đề cốt lõi cơ bản là điều khiển
và quản lý thiết bị trong nhà, đồng thời làm nền tảng cho các ứng dụng, giải pháp nhà
thông minh hoàn chỉnh.

1.2. Các vấn đề và thực trạng hiện nay về các giải pháp nhà thông minh

Hình 1.1. Mô hình cơ bản của các giải pháp nhà thông minh hiện nay.
Đa phần các giải pháp nhà thông minh hiện nay đều dựa theo mô hình trên, có một
thiết bị điều khiển trung tâm cho cả ngôi nhà. Phần mềm nhà thông minh được cài đặt ở
thiết bị điều khiển trung tâm, tương tác với các thiết bị vật lý thông qua các giao thức tự

động hóa trong nhà.
Đã có nhiều công ty, tổ chức nỗ lực để tiêu chuẩn hóa các dạng phần cứng, phần
mềm, điện tử và giao diện giao tiếp cần thiết để xây dựng hệ thống nhà thông minh. Một
số tiêu chuẩn sử dụng thêm dây dẫn liên lạc và điều khiển, một số thì truyền dẫn thông tin
ngay trên hệ thống dây điện sẵn có trong ngôi nhà, một số sử dụng tín hiệu ở tần số vô
tuyến điện và một số sử dụng kết hợp đồng thời các giải pháp truyền dẫn khác nhau.
Trong hệ thống điều khiển, tự động cho nhà thông minh chúng ta thường bắt gặp các thuật
ngữ như KNX, ZigBee, Z-Wave, Bluetooth, WiFi,… Đó là các công nghệ, tiêu chuẩn,

2


giao thức để truyền thông giữa thiết bị điều khiển và các thiết bị trong nhà, có thể hiểu đó
là cách mà các thiết bị đó dùng để giao tiếp với nhau. Một cách chung nhất có thể chia các
công nghệ đó thành các loại sau:
o Công nghệ có dây: Sử dụng các đường cáp tín hiệu riêng, hoặc sử dụng đường điện
xoay chiều để tạo môi trường truyền thông giữa các thiết bị điều khiển và thiết bị
chấp hành. Một số chuẩn có thể kể đến như KNX, C-Bus, Insteon.
o Công nghệ không dây: Sử dụng sóng vô tuyến điện (Radio Frequency) làm môi
trường truyền thông giữa các thiết bị. Chuẩn giao tiếp điển hình kể đến như
ZigBee, Z-Wave, Bluetooth, Wi-Fi.
Sau đây là giới thiệu sơ qua về các công nghệ phổ biến áp dụng được vào các giải
pháp nhà thông minh:
 KNX
KNX là một tiêu chuẩn điều khiển cho các thiết bị điện - điện tử dựa trên giao thức
truyền thông mạng OSI cho việc tự động hóa tòa nhà. Về mặt kỹ thuật, chuẩn KNX dựa
trên chuẩn giao tiếp truyền thông của European Home Systems Protocol, nhưng mở rộng
với các lớp vật lý, chế độ cấu hình và trải nghiệm ứng dụng của BatiBUS và EHS. Những
tiêu chuẩn đó áp dụng trong điều khiển, quản lý, tự động hóa tòa nhà, từ chiếu sáng, rèm
cửa, hệ thống an ninh, thiết bị nhiệt, thông khí, điều hoà nhiệt độ, thiết bị giám sát, thiết bị

cảnh báo, điều khiển bơm nước, quản lý năng lượng, thiết bị điện gia dụng, hệ thống
nhạc, xem phim và nhiều hơn nữa[5].
Một giải pháp nhà thông minh ứng dụng KNX sẽ bao gồm[5]:
o Một phần mềm chung cho việc cấu hình, thiết kế nhà thông minh bao gồm các
thiết bị đạt chuẩn KNX (phần mềm ETS). Phần mềm này hoàn toàn độc lập với bất
kỳ một nhà sản xuất thiết bị KNX nào.
o Tất cả thiết bị trong một nhà thông minh theo tiêu chuẩn KNX được kết nối vào
các đường cáp 2 dây BUS của hệ thống, kết nối ngang hàng và theo nhánh, cho
phép trao đổi dữ liệu, tín hiệu giữa các thiết bị trong nhà và thiết bị điều khiển
trung tâm[4].
o Một tập hợp đầy đủ của các chế độ cấu hình thiết bị (Tự động, bán tự động…)

3


Sau khi thiết kế, người triển khai hệ thống KNX sẽ thiết kế, nạp sơ đồ thiết bị trong
nhà cho thiết bị điều khiển trung tâm (Server), đi dây các thiết bị để có thể sử dụng. Sau
đó các thiết bị trong nhà có thể điều khiển được thông qua các ứng dụng của nhà sản xuất
cung cấp, trên máy tính, hoặc trên di động.
 ZigBee
ZigBee là một chuẩn kết nối mạng không dây hướng tới mục đích ứng dụng điều
khiển, kiểm soát các thiết bị, cảm biến từ xa, thích hợp cho các hoạt động trong môi
trường sóng vô tuyến[2], ứng dụng trong tự động hóa nhà thông minh, điều khiển công
nghiệp, và cả trong y tế. Giao thức này được tạo ra nhằm phục vụ cho những ứng dụng
yêu cầu giá thành rẻ và công suất thấp nhưng phải có khả năng linh động trong phạm vi
vừa phải.
Chuẩn ZigBee sử dụng sóng vô tuyến RF (Radio Frequency) cho việc truyền thông
thông tin giữa các thiết bị vật lý. Có 3 dạng mô hình mạng được hỗ trợ bởi ZigBee: dạng
hình sao (star), hình lưới (mesh), và hình cây (tree). Mỗi mô hình đều có những ưu điểm
riêng và được ứng dụng trong các trường hợp khác nhau, tuy nhiên, mạng hình sao

thường được sử dụng, vì nó có lợi thế là đơn giản[2]. Tín hiệu theo tiêu chuẩn ZigBee có
thể truyền xa đến 75m tính từ trạm phát (10 đến 30 mét đối với ứng dụng trong nhà dải
tần 2.4GHz), và khoảng cách có thể xa hơn rất nhiều nếu được lắp thêm ăng ten. Các dữ
liệu được truyền theo gói và đã được mã hóa. Khi một mạng ZigBee được thiết lập, thiết
bị trong mạng được gán địa chỉ 16bit và vì vậy nó hỗ trợ lên tới hơn 65000 nút được kết
nối vào mạng[2].
Các thiết bị theo chuẩn ZigBee được tối ưu hóa để chắc chắn rằng sự tiêu thụ năng
lượng là rất thấp. Chỉ có các nút điều khiển trung tâm có sử dụng nhiều điện năng còn lại
các nút khác hầu như không cần năng lượng (có thể vận hành ở chế độ ngủ). ZigBee hỗ
trợ rất nhiều loại thiết bị[1], từ chiếu sáng, điều hòa, cảm biến,…Tiêu chuẩn ZigBee được
phát hành rộng rãi và là mã nguồn mở[3] đối với các nhà sản xuất, họ có thể tuỳ chỉnh các
giao thức tầng ứng dụng theo nhu cầu của họ. Vì vậy có thể các thiết bị ZigBee của các
nhà sản xuất khác nhau không thể giao tiếp được với nhau.
 Z-Wave
Cũng giống như ZigBee, Z-Wave là một giao thức truyền thông không dây cho việc
tự động hóa trong nhà. Z-Wave là một tập các tiêu chuẩn về sự tương thích không dây, là

4


công nghệ truyền thông dựa trên sóng vô tuyến RF (Radio Frequency) thiết kế đặc biệt
chuyên sâu cho các ứng dụng giám sát trạng thái, kiểm soát nhiệt độ, điều khiển chiếu
sáng, hệ thống an ninh, rèm, cửa, hệ thống chống đột nhập,…[6]. Z-Wave được dựa trên
nền tảng độc quyền của Sigma Designs, các sản phẩm Z-Wave của các nhà sản xuất khác
nhau đều phải được sự cấp phép của Sigma Designs, vì vậy nên giá thành của các sản
phẩm này thường không hề rẻ.
Về đặc điểm kỹ thuật, Z-Wave cũng sử dụng sóng vô tuyến RF, được thiết kế để
mang tới sự truyền tải tin cậy cao, độ trễ thấp của các gói dữ liệu nhỏ với tốc độ lên tới
100kbps. Các chip thu phát Z-Wave được cung cấp thiết kế độc quyền bởi Sigma Designs
và Mitsumi[7].

Z-Wave sử dụng kiến trúc mạng lưới định tuyến nguồn (source-routed mesh
network), nôm na cho dễ hình dung đó là mạng lưới như tổ ong. Mỗi thiết bị trong mạng
lưới này chính là một trạm thu phát, chúng lặp lại tín hiệu nhận được và phát đi tiếp để
các thiết bị khác tiếp nhận cho đến khi gói tin đến được đích. Khoảng cách truyền thông
giữa hai nút tối đa là 30 mét trong nhà và 100 mét ở ngoài trời (không có vật cản)[8]. Một
hệ thống Z-Wave chỉ kiểm soát được tối đa 232 thiết bị[7]. Các mô-đun Z-Wave có thể
hoạt động ở chế độ tiết kiệm điện, do đó làm giảm đáng kể lượng tiêu thụ điện năng. Tuy
nhiên các mô-đun Z-Wave không thể định tuyến gói tin trong mạng nếu đang trong trạng
thái ngủ (tiết kiệm điện)[7].
 Bluetooth
Bluetooth là một chuẩn công nghệ truyền thông không dây để trao đổi dữ liệu qua
các khoảng cách ngắn (sử dụng sóng vô tuyến UHF bước sóng ngắn trong băng tần ISM
2.4-2.485 GHz) từ các thiết bị cố định và thiết bị di động[9]. Trước đây, một trong những
lý do khiến người ta ngại bật Bluetooth là vì nó ngốn pin khá nhiều, lại gây nóng máy nếu
hoạt động liên tục. Tuy nhiên kể từ phiên bản 4.0, vấn đề này đã được khắc phục ít nhiều,
nó được gọi dưới cái tên Bluetooth Low Energy (viết tắt là BLE) với điểm vượt trội là
tiêu thụ điện năng ít dù hoạt động liên tục[9]. Tầm hoạt động của Bluetooth chỉ dưới 10
mét[9], thường thích hợp với các ứng dụng âm thanh giải trí cần truyền dữ liệu lớn tốc độ
vừa phải. Nếu triển khai công nghệ Bluetooth cho việc điều khiển thiết bị nhà thông minh,
thường là các thiết bị được điều khiển bởi điện thoại di động bởi đa số các thiết bị di động
đều hỗ trợ giao thức Bluetooth.

5


 Wi-Fi
Wi-Fi là một công nghệ cho phép kết nối các thiết bị điện tử vào một mạng LAN
(Local Area Network) không dây, sử dụng sóng Radio dải tần 2.4GHz và 5GHz. Các thiết
bị hỗ trợ công nghệ Wi-Fi bao gồm máy tính cá nhân, điện thoại di động, máy tính bảng,
laptop, thiết bị nghe nhạc, giải trí, … Công nghệ này hiện nay rất phổ biến, ngày càng

nhiều hộ gia đình lắp đặt và sử dụng. Để thiết lập một mạng Wi-Fi, cần có một bộ định
tuyến không dây hay còn gọi là điểm truy cập không dây (access point), tầm phát 15-20
mét trong nhà và có thể xa hơn nếu ở ngoài trời[10]. Các thiết bị trong mạng Wi-Fi giao
tiếp với nhau như các thiết bị trong mạng LAN bình thường, bằng cách tận dụng mạng
Wi-Fi có sẵn, người ta có thể điều khiển các thiết bị trong nhà hỗ trợ Wi-Fi từ những thiết
bị khác trong mạng như máy tính, điện thoại. Tuy vậy, các mô-đun Wi-Fi thường tiêu tốn
khá nhiều năng lượng cho việc duy trì hoạt động và truyền tải dữ liệu nên có rất ít nhà sản
xuất sản phẩm ứng dụng cho nhà thông minh sử dụng Wi-Fi.
Qua tìm hiểu các loại công nghệ, chuẩn truyền thông giao tiếp ở trên, tôi đã lập ra
được bảng so sánh ưu nhược điểm của các công nghệ đó trong giải pháp nhà thông minh
như sau:
Ưu điểm

KNX

Nhược điểm

 Cấu trúc quản lý, kết nối thiết bị  Chi phí cho đi dây điều khiển thiết
chặt chẽ nhờ vào hệ thống Bus.
bị là khá lớn, thường phải triển
khai cùng với lúc thi công ngôi
 Tạo ra một giải pháp đầy đủ cho
nhà.
tự động hóa các thiết bị nhà
thông minh.
 Thiết kế, cấu hình thiết bị cho một
ngôi nhà một cách cứng nhắc,
 Bảo mật.
không linh hoạt nếu muốn thêm
mới, mở rộng.

 Thiết bị thường rất đắt đỏ tùy theo
độ phức tạp của nó.

ZigBee

 Triển khai, cấu hình thiết bị  Các thiết bị của các nhà sản xuất
nhanh gọn, dễ dàng nhờ đặc
khác nhau có thể không hoạt động
tính không dây. Dễ mở rộng
được với nhau

6


thiết bị.
 Có thể kiểm soát lên tới 65000
thiết bị trong cùng một mạng.
 Bảo mật và tiêu thụ ít năng
lượng.
 Giá thành thiết bị rẻ, được cung
cấp hoàn toàn mở.
 Triển khai, cấu hình thiết bị  Độc quyền cấp phép bởi Sigma
nhanh gọn, dễ dàng nhờ đặc
Designs, vì vậy giá thành không
Z-Wave

tính không dây. Dễ mở rộng
thiết bị.

hề rẻ.


 Bảo mật và tiêu thụ ít năng
lượng.

Bluetooth

Wi-Fi

 Thân thiện, dễ sử dụng với đa  Tiêu thụ nhiều năng lượng (tuy
số người dùng thiết bị di động
phiên bản mới đã cải thiện).
ngày nay.
 Tầm hoạt động ngắn (dưới 10
 Truyền dữ liệu dung lượng và
mét).
băng thông lớn.
 Tận dụng được hạ tầng truyền 
thông Wi-Fi đang rất phổ biến.

 Truyền dữ liệu dung lượng và
băng thông lớn.


Tiêu thụ nhiều năng lượng.
Giá thành cao do mô-đun Wi-Fi
đắt
Độ trễ cao nếu mạng Wi-Fi chứa
nhiều thiết bị

Bảng 1.1. So sánh ưu nhược điểm của các chuẩn truyền thông trong nhà thông

minh.
Tuy hiện nay ở Việt Nam đã có nhiều công ty ứng dụng thành công hệ thống nhà
thông minh như BKAV SmartHome, Lumi SmartHome, sử dụng công nghệ không dây
lẫn có dây điều khiển, các giải pháp đó vẫn còn tồn tại một số vấn đề như:

7


o Cấu hình, cài đặt sử dụng thiết bị phức tạp đối với người dùng. Việc triển khai thiết
bị trong nhà phải cần tới kỹ thuật viên có khả năng.
o Các thiết bị trong nhà được cấu hình cố định sau khi nhà cung cấp triển khai ngôi
nhà, người dùng bị hạn chế và phụ thuộc nếu muốn tự đầu tư, nâng cấp và thay thế
thiết bị trong nhà của mình.
o Có thể phải đi dây tới từng thiết bị, không phù hợp với những ngôi nhà đã hoàn
thiện sẵn.
o Giá thành thiết bị nhìn chung còn đắt, chưa hướng tới việc phổ biến ứng dụng nhà
thông minh tới đại đa số người dùng bình dân.

1.3. Phát biểu bài toán
Bài toán lớn được phát biểu trong đề tài khóa luận này là nghiên cứu và xây dựng
một hệ thống giải pháp phần cứng và phần mềm với các yêu cầu:
o Đơn giản hóa việc quản lý, thêm mới các thiết bị trong nhà trong ứng dụng nhà
thông minh.
o Điều khiển từ xa các thiết bị trong nhà.
o Lập lịch, tác vụ theo thời gian cho các thiết bị trong nhà.
o Cung cấp giao diện điều khiển cho nhiều thiết bị đầu cuối khác nhau.
o Mang tới các thiết bị nhà thông minh với giá thành không quá đắt, dễ dàng lắp đặt
mà không ảnh hưởng tới cấu trúc thiết kế ngôi nhà.
Các đối tượng nghiên cứu chính trong bài toán là các thiết bị trong nhà có thể điều
khiển được qua sóng không dây, cùng với một tập các thiết bị máy tính phục vụ chức

năng điều khiển và quản lý.
Do hạn chế về mặt thời gian, nhân lực và vật lực, trong phạm vi đề tài khóa luận
này, tôi chỉ triển khai phần mềm điều khiển và quản lý các thiết bị trong nhà có chức năng
bật/tắt đơn giản.

8


Chương 2. Giải pháp đề xuất và cơ sở lý thuyết
Qua xem xét các chuẩn giao tiếp nhà thông minh cùng với những vấn đề còn tồn tại
ở chương trước, để giải quyết bài toán đề ra, tôi đã chọn áp dụng công nghệ ZigBee bởi
các lý do:
o Truyền thông không dây giúp cho việc cài đặt thiết bị vào ngôi nhà một cách dễ
dàng, không ảnh hưởng tới thiết kế ngôi nhà bởi không phải đi thêm dây thiết bị.
o Có tính mở, có thể tùy biến giao thức tầng ứng dụng và đơn giản hóa các API, giúp
ích đối với những người thiết kế phần mềm không am hiểu chuyên sâu về phần
cứng.
o Chi phí cho thiết bị ZigBee tương đối rẻ so với các loại chuẩn khác, đồng thời các
thiết bị này rất tiết kiệm năng lượng.
Giải pháp đề xuất của tôi trong bài toán/khóa luận này đặt tên là DHome. Chương
này chủ yếu mô tả giải pháp về phần cứng và phần mềm đồng thời đi kèm với những lý
thuyết về các công nghệ sẽ được áp dụng.

2.1. Mô hình giải pháp DHome

Hình 2.1. Mô hình hoạt động cơ bản của giải pháp DHome

9



Hình trên biểu diễn một cách khái quát nhất về tương tác vật lý và logic giữa các
thiết bị, thực thể trong hệ thống nhà DHome. Ý tưởng chính của giải pháp này là có một
Server trung tâm nhận trách nhiệm xử lý chính, các chức năng điều khiển, quản lý các
thiết bị được cung cấp tới các thiết bị cá nhân như điện thoại, máy tính, các thiết bị trong
nhà được điều khiển qua mạng không dây ZigBee bởi Server. Về cơ bản, có các đối tượng
vật lý chính:
o Client: Các thiết bị di động, máy tính điều khiển, quản lý các thiết bị nhà thông
minh thông qua việc gửi yêu cầu tới Server. Tại đây, người dùng có thể tương tác
với giao diện đồ họa trực quan để thao tác với các thiết bị trong nhà.
o Server: Một máy tính điều khiển trung tâm, là nơi tiếp nhận và xử lý các yêu cầu
của Client, đồng thời cũng là nơi lưu trữ cơ sở dữ liệu chính của hệ thống nhà
thông minh. Trên Server có gắn mô-đun ZNP dùng để giao tiếp với các thiết bị
trong nhà.
o ZNP: Mô-đun gắn trên Server có chức năng quản lý, điều khiển một mạng các
thiết bị nhà thông minh theo giải pháp kỹ thuật của ZigBee Pro Stack. Mô-đun này
giao tiếp không dây với các thiết bị thông qua sóng vô tuyến điện RF theo chuẩn
ZigBee.
o Device: Các thiết bị trong nhà, thực chất là các thiết bị điện tử, gia dụng như bình
thường. Tuy nhiên, các công tắc bật tắt của các thiết bị này được thay thế bởi bộ
công tắc gắn mô-đun ZigBee có thể tham gia mạng của ZNP, nhờ đó mà thiết bị có
thể được bật tắt từ xa, định danh thông tin thiết bị thông qua ZNP.
Trong phạm vi khóa luận này, công việc của tôi là nghiên cứu và phát triển ứng
dụng phần mềm trên thiết bị Client và Server, phục vụ cho việc quản lý và điều khiển các
thiết bị trong nhà. Những mô-đun ZNP, Device và các giao thức giao tiếp liên quan như
ZigBee đã được cung cấp sẵn.

2.2. Giải pháp phần cứng
2.2.1. Client
Hiện nay tỉ lệ người dùng sở hữu thiết bị di động như điện thoại thông minh, máy
tính bảng hay máy tính cá nhân, máy tính xách tay ngày càng cao bởi giá cả các thiết bị

công nghệ này ngày càng rẻ đồng thời chất lượng, hiệu năng sử dụng của chúng cũng

10


được nâng cao từng ngày. Các thiết bị điện tử cá nhân ngày nay gắn bó mật thiết với cuộc
sống cũng như công việc của mỗi người. Chính vì vậy giải pháp nhà thông minh sẽ triển
khai ứng dụng Client trên các thiết bị di động như điện thoại thông minh, máy tính bảng,
máy tính cá nhân, thậm chí TV thông minh cũng có thể sử dụng được. Nhằm mang đến sự
tiện lợi, cũng như dễ sử dụng, thích hợp với đa số người dùng yêu thích công nghệ, muốn
tiếp cận đến công nghệ nhà thông minh.
Ứng dụng ở Client sẽ sử dụng Internet 3G hoặc WiFi từ thiết bị để kết nối tới
Server, điều này hứa hẹn sẽ mang đến tính năng điều khiển thiết bị thông qua mạng cục
bộ (LAN) hoặc có thể điều khiển từ xa thông qua mạng Internet (WAN).

2.2.2. Server
Thiết bị Server, được gọi là Home Server, có chức năng lưu trữ dữ liệu, đồng thời là
trung tâm xử lý chính cho các thiết bị trong nhà. Giải pháp DHome lựa chọn phần cứng
cho Home Server là một chiếc máy tính nhúng, khả năng xử lý vừa phải đáp ứng đủ nhu
cầu của bài toán đặt ra.
Cụ thể đó là chiếc máy BeagleBone Black, đó là một bo mạch chủ nhỏ gọn có khả
năng khởi động vào hệ điều hành Linux chỉ trong vòng 10 giây. Về đặc tả kỹ thuật, bo
mạch chủ kích thước nhỏ này được trang bị bộ vi xử lý ARM Cortex-A8 tốc độ 1GHz
(Texas Instruments sản xuất) hỗ trợ tăng tốc đồ họa, đầu cắm 46 chân cho các kết nối
ngoại vi, 2GB bộ nhớ flash tích hợp và bộ nhớ RAM DDR3 dung lượng 512MB.
BeagleBone Black cũng được trang bị cổng USB, kết nối Ethernet và HDMI. BeagleBone
Black sử dụng nguồn điện vào 5V DC có thể cấp từ cổng USB (cáp USB đi kèm) hoặc kết
nối với các Adaptor có mức điện áp tương ứng[11].

11



Hình 2.2. Một chiếc bo mạch BeagleBone Black chỉ to cỡ thẻ ATM
Bo mạch này có giá chỉ 45 USD và do Texas Instrument sản xuất. Nó phục vụ cho
mục đích nghiên cứu, phát triển hoặc đơn giản chỉ để những người ham thích phần cứng
lấy ra vọc vạch. Ngoài hệ điều hành Angstrom Linux cài sẵn, BeagleBone Black còn hỗ
trợ thêm Android, Ubuntu và nhiều hệ điều hành khác.

2.2.3. ZNP và Device
ZNP là từ viết tắt của ZigBee Network Processor, cụ thể đây là chiếc CC2530-ZNP
do Texas Instruments sản xuất. Đây là một mô-đun cho cung cấp các chức năng của một
mạng ZigBee với chi phí ít, tiêu thụ năng lượng thấp và dễ dàng phát triển. Mô-đun
CC2530-ZNP quản lý tất cả các tác vụ liên quan tới giao thức ZigBee bên dưới, đơn giản
hóa các thao tác với Application Processor qua giao tiếp SPI/UART/USB[12].

12


Hình 2.3. Kiến trúc kỹ thuật ZigBee Pro Stack của Texas Instruments[12].
Trong giải pháp DHome, ZNP được gắn trên Home Server qua cổng UART
(Universal Asynchronous Receiver – Transmitter), ứng dụng DHome được đóng vai trò
như Application Processor, giao tiếp, truyền nhận thông tin với ZNP theo kiểu nối tiếp
(Serial). ZNP vừa có nhiệm vụ thiết lập, tạo mạng ZigBee, đồng thời chuyển tiếp các gói
tin của ứng dụng đến các Device thông qua sóng ZigBee và các kỹ thuật không dây liên
quan.
Device trong giải pháp DHome là các thiết bị rơ-le bật/tắt có gắn mô-đun ZigBee
đầu cuối, thiết bị này có thể gắn vào đế của các công tắc trên tường có sẵn, nhờ vậy mà
ZNP có thể điều khiển bật tắt được các công tắc cũng như các thiết bị trong nhà tương
ứng. Thường thì mỗi một mô-đun ZigBee đầu cuối được gắn với bộ 3 hoặc 4 nút công tắc,
tương ứng với 3 đến 4 Device, mỗi Device là thể hiện của 1 nút công tắc.


2.3. Giải pháp phần mềm
Dựa và yêu cầu bài toán, phần mềm điều khiển, quản lý thiết bị nhà thông minh sẽ
được thiết kế bao gồm các chức năng:
o Thêm, xóa, lưu trữ dữ liệu thiết bị trong nhà.

13


o Thêm, xóa, lưu trữ dữ liệu nhóm thiết bị trong nhà.
o Điều khiển bật/tắt thiết bị.
o Thêm, xóa, lưu trữ tác vụ cho thiết bị.
o Hiển thị trạng thái thiết bị theo thời gian thực.

2.3.1. Client
Yêu cầu phần cứng đặt ra của Client ở phần trước là đa thiết bị, đa nền tảng, có thể
kết nối Internet, chính vì thế nên giao diện cho các thiết bị đó sẽ được cung cấp qua nền
tảng Web. Ngày nay Web được dùng cực kỳ phổ biển và hỗ trợ rất nhiều loại thiết bị. Các
thiết bị Client như điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy tính cá nhân chỉ cần trình
duyệt là đủ để kết nối và tương tác với Home Server. Một số nền tảng di động như
Android, iOS ngày nay còn cho phép chạy ứng dụng có giao diện được viết bằng
HTML5, CSS3 và Javascript phiên bản mới nhất.
Các thành phần giao diện, tương tác theo dự kiến của tôi sẽ được lập trình bằng
HTML5, CSS3 và Javascript. Có rất nhiều bộ mã nguồn có sẵn thích hợp cho việc phát
triển giao diện ứng dụng di động như Ionic, Bootstrap, Jquery, MaterializeCSS,…
Yêu cầu về phần mềm trên thiết bị Client:
o Tương tác trên giao diện Web và có trình duyệt hỗ trợ HTML5/CSS3/Javascipt
như Chrome, FireFox, Edge, Opera.
o Có khả năng kết nối mạng qua Wi-Fi hoặc 3G.


2.3.2. Server
Dựa vào đặc điểm cấu hình phần cứng và khả năng xử lý hạn chế của Home Server
như đã nêu ở trên, tôi quyết định sử dụng nền tảng NodeJS và MeteorJS Framework để
biến Home Server thành một Web Server đáp ứng được các yêu cầu chức năng đề ra.
Tại sao tôi lại dùng NodeJS và MeteorJS? Để trả lời câu hỏi này, tôi sẽ giới thiệu về
hai công nghệ này và phân tích những đặc điểm phù hợp của chúng đối với ứng dụng
quản lý và điều khiển thiết bị nhà thông minh của tôi.

14