ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH THÔNG
QUA MẠNG ZIGBEE

SINH VIÊN

: NGUYỄN TRƢỜNG SANG

MSSV

: 14076501

LỚP

: DHDKTD10C

GVHD

: Ths. NGUYỄN ĐỨC TOÀN

TP. HCM, NĂM 2018


ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH THÔNG

QUA MẠNG ZIGBEE

SINH VIÊN

: NGUYỄN TRƢỜNG SANG

MSSV

: 14076501

LỚP

: DHDKTD10C

GVHD

: Ths. NGUYỄN ĐỨC TOÀN

TP. HCM, NĂM 2018


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƯỜNG SANG

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP
1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên đƣợc giao đề tài
(1): Nguyễn Trường Sang, MSSV: 14076501

2. Tên đề tài

― Điều Khiển Nhà Thông Minh Thông Qua Mạng Zigbee ‖

3. Nội dung
 Tìm hiểu về mạng ZigBee.
 Tìm hiểu về board Arduino.Mega 2560, Uno R3 SMD
 Ứng dụng mạng Zigbee vào nhà thông minh
 .....
4. Kết quả


Bộ thí nghiệm hoạt động tốt, có thể điều khiển ON-OFF các thiết bị, động cơ



Điều chỉnh điện áp đầu ra điều khiển tốc độ động cơ, độ sang đèn bằng PWM



.....
Giảng viên hướng dẫn

Tp. HCM, ngày 14 tháng 06 năm 2018
Sinh viên

I


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƯỜNG SANG


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

II


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƯỜNG SANG

MỤC LỤC
CHƢƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ .......................................................................... 1
CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ SMARTHOME VÀ MẠNG ZIGBEE ..... 6
I. SMARTHOME ......................................................................................... 6
1. Định Nghĩa Nhà Thông Minh ................................................................ 6
2. Các Ưu Điểm Của Nhà Thông Minh ..................................................... 6
3. Nhà Thông Minh Ở Viêt Nam ............................................................... 6
II. Mạng Zigbee .............................................................................................. 8
1. Khái Quát Về Zigbee ............................................................................. 8
1.1 Khái niệm mạng WPAN. ................................................................. 8
1.2 Khái niệm về Zigbee ........................................................................ 9
1.3 Lịch sử phát triển .............................................................................. 9
1.4 So sánh Zigbee với BlueTooth, Wifi ................................................ 9
2. Các Tính Năng ....................................................................................... 11
3. Ứng Dụng: .............................................................................................. 11
4. Mơ Hình Giao Thức Của ZIGBEE/IEEE802.15 ................................... 13
4.1 Tầng vật lý ..................................................................................... 14
4.2 Tầng điều khiển dữ liệu Zigbee/IEEE 802.15.4 MAC .................. 16
4.2.1 Cấu trúc siêu khung ................................................................. 17

4.2.2 Các mơ hình truyền dữ liệu .................................................... 18
4.2.3 Định dạng khung tin MAC ..................................................... 18
4.2.4 Thuật toán tránh xung đột đa truy cập
sử dụng cảm biến sóng mang CSMA-CA .............................. 18
4.3 Tầng mạng của Zigbee /IEEE 802.15.4 ......................................... 21
4.4 Tầng ứng dụng của Zigbee/IEEE 802.15.4.................................... 21
5. Phân Loại Thiết Bị ............................................................................... 21
5.1 Zìgbee Coordinator (ZC) ............................................................... 22
III


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƯỜNG SANG

5.2 Zigbee Router (ZR) ........................................................................ 22
5.3 Zigbee End Device (ZED) ............................................................. 22
6. Các Kiều Hình Mạng Zigbee ............................................................. 23
6.1 Cấu trúc mạng hình sao (Star topology) ....................................... 23
6.2 Cấu trúc mạng lưới (Mesh topology) ........................................... 24
6.3 Cấu trúc mạng hình cây (Ciuster Tree topology) .......................... 25
7 An Ninh Zigbee................................................................................. 26
7.1 Trust Center.................................................................................. 26
7.2 Khóa bảo vệ ................................................................................. 26
7.3 Chế độ bảo vệ............................................................................... 27
7.3.1 Chế độ bảo mật tiêu chuẩn..................................................... 27
7.3.2 Chế độ bảo mật cao ............................................................... 28
8. Hướng Phát Triển ............................................................................. 28
8.1 Các phiên bản của Zigbee ............................................................. 28
8.2 Hướng phát triển Zigbee trong tưong lai ...................................... 28


CHƢƠNG 3: LINH KIỆN VÀ MODULE SỬ DỤNG ................................. 30
I. Module Zigbee DRF 1605H .................................................................... 30
1. Khái Quát ............................................................................................. 30
2. Truyền Dữ Liệu .................................................................................... 32
2.1 Truyền dữ liệu nối tiếp.................................................................... 32
2.2

Kiểu truyền dữ liệu ponit-to-point ................................................. 35

3. Thông Số Do Nhà Sản Xuất Cung Cấp ............................................... 37
4. Tập Lệnh .............................................................................................. 38
II. Module Arduino ....................................................................................... 41
1. Giới Thiệu Về Arduino ........................................................................ 41
2. Board Arduino Uno R3 ........................................................................ 44
3. Board Arduino Mega 2560 .................................................................. 45

IV


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƯỜNG SANG

4. Tập Lệnh .............................................................................................. 47
5. Ứng Dụng ............................................................................................. 48
III. Module Điều Khiển AC TAC 500 .............................................................. 49
IV. Module Mega Ethernet................................................................................ 49
CHƢƠNG 4: THI CÔNG ................................................................................ 51
I. Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng ......................................................................... 51

1. Gửi Dữ Liệu Điều Khiển (Master)............................................................ 51
2. Nhận Dữ Liệu- Thực Thi Đóng Ngắt Thiết Bị (Slaver) ............................. 52
II. Lưu Đồ Giải Thuật ..................................................................................... 53
1. Coordinator .......................................................................................... 53
2. Router ................................................................................................... 54
3. Nguyên Lý Hoạt Động Của Hệ Thống ................................................ 55
III. Ứng Dụng Điều Khiển Trên Điện Thoại ............................................................ 55
1. Giới Thiệu Về Phần Mền Lập Trình App-App Inventor ............................. 55
2. Các Bước Thiết Kế Ứng Dụng ..................................................................... 58

CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ................................................... 64
I. Hình Ảnh Mơ Hình .................................................................................... 64
II. Giao diện App điều khiển ........................................................................... 64
III. Kết Quả Điều Khiển Trên Mơ Hình ........................................................... 65
CHƢƠNG 6 : KẾT LUẬN .............................................................................. 66
I. Kết Luận ..................................................................................................... 66
II. Hướng Phát Triển Đề Tài ........................................................................... 66
PHỤ LỤC ........................................................................................................... 68

V


KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƯỜNG SANG

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cơng nghệ 4.0 ........................................................................................ 2
Hình 1.2 Samsung SmartThing ............................................................................. 3
Hình 2.1 Giao diện điêu khiên của Bkav SmartHome ........................................... 8

Hình 2.2 So sánh phạm vi hoạt động của Zigbee .................................................. 10
Hình 2.3 Mơ hình giao thức của Zigbee ................................................................ 14
Hình 2.4 Băng tần hệ thống của Zigbee................................................................. 15
Hình 2.5 Thuật toán tránh xung đột đa truy cập
sử dụng cảm biến sóng mang CSMA-CA .............................................. 20
Hình 2.6 Ba loại thiết bị Zigbee ............................................................................. 22
Hình 2.7 Các kiểu mạng Zigbee ............................................................................ 23
Hình 2.8 Cầu trúc mạng hình sao........................................................................... 24
Hình 2.9 Cấu trúc mạng lưới ................................................................................. 24
Hình 2.10 Cấu trúc mạng hình cây ........................................................................ 26
Hinh 3.1 Module Zigbee và PIN ............................................................................ 30
Hình 3.2 Các nút trong mạng Zigbee ..................................................................... 31
Hình 3.3 Truyền dữ liệu nối tiếp t Coordinator đến các node ............................. 33
Hình 3.4 Truyền dữ liệu nối tiếp t node đến Coordinator ................................... 33
Hình 3.5 Dữ liệu gửi theo kiểu point-to-point ....................................................... 36
Hình 3.6 Board Arduino Uno R3 ........................................................................... 44
Hình 3.7 Board Arduino Mega 2560 ..................................................................... 46
Hình 3.8 Ứng dụng Arduino .................................................................................. 48
Hình 3.9 Module điều khiển AC TAC 500 ............................................................ 49
Hình 3.10 Module Mega Ethernet ........................................................................ 50
Hình 4.1 Sơ đồ kết nối Coordinator ....................................................................... 51
Hình 4.2 Sơ đồ kết nối Router ............................................................................... 52
Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật Coordinator................................................................. 53
Hình 4.4 Lưu đồ giải thuật Router ......................................................................... 54
Hình 4.5 Nguyên lý hoạt động ............................................................................. 55
Hình 4.6 Giao diện quản lý project ....................................................................... 57
VI


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP


NGUYỄN TRƯỜNG SANG

Hinh 4.7 Giao diện thiết kế ................................................................................... 58
Hình 4.8 Giao diện lập trình ................................................................................. 58
Hình 4.9 Giao diện tạo Project .............................................................................. 59
Hình 4.10 Thiết kế giao diện ................................................................................ 59
Hình 4.11 Giao diện lập trình chức năng .............................................................. 60
Hình 4.12 Các hàm tốn học và logic ................................................................... 61
Hình 4.13 Các hàm xử lý Text và xử lý List ........................................................ 61
Hình 4.14 Các hàm phương thức .......................................................................... 62
Hình 4.15 Các hàm phương thức .......................................................................... 62
Hình 4.16 Các hàm sự kiện

.............................................................................. 63

Hình 5.1 Mơ hình nhà ............................................................................................ 64
Hình 5.2 Giao diện App điều khiển ....................................................................... 65

VII


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƯỜNG SANG

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Bảng so sánh Wifi, Blutooth và Zigbee .................................................... 4
Bảng 2.1 So sánh Zigbee với Blutooth ,wifi ............................................................. 9
Bảng 2.2 Băng tần và tốc độ dữ liệu ...................................................................... 15

Bảng 2.3 Số kênh trên 3 dãi tần số ......................................................................... 15
Bảng 3.1 Bảng thực nghiệm của quá trình chuyển nhận dữ liệu minh bạch .......... 34
Bảng 3.2 Bảng thực nghiệm của quá trình truyền dữ liệu kiểu point-to-point....... 37
Bảng 3.3 Các thông số của module Zigbee DRF1605H ........................................ 38
Bảng 3.4 Tập lệnh module Zigbee .......................................................................... 39
Bảng 3.5. Thông số kỹ thuật board arduino Uno R3 ............................................... 44
Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật board Mega 2560 ...................................................... 46
Bảng 3.7 Tập lệnh Board Arduino ......................................................................... 47
Bảng 5.1 Bảng đánh giá kết quả thực nghiệm ........................................................ 65

VIII


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƯỜNG SANG

LỜI CẢM ƠN
Lời đâu tiên cho phép em được gửi tới Ban giám hiệu cùa trường Đại học Công
Nghiệp Tp.HCM và thầy cô của khoa Công nghệ điện lời cám ơn chân thành nhất.
Thầy cô đã tạo mọi điều kiện thuận lợi đề chúng em được học tập, làm việc và sáng
tạo trong một ngôi trường giàu thành tích của ngành giáo dục Việt Nam. Trong suốt
quá trình học tập tại trường, thầy cồ đã dạy cho em nh ng kỹ năng tốt nhất để em có
thể hồn thành luận văn tốt nghiệp này.
Em cùng xin được gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy Ths. Nguyễn Đức Toàn là
giảng viên trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Em xin chân
thành cám ơn vì sự chi bảo và hướng dần tận tình của thầy trong suốt quá trình thực
hiện. Khi bắt tay vào thực hiện đồ án thì kiến thức và sự hiểu biết của em về lĩnh vực
này gần như chỉ là con số không. Với nhưng kiến thức uyên bác và sự nhiệt tình của
thầy, thầy dã dẫn dẳt em đi đến những bước cuối cùng của đồ án.

Em xin g i lời cám ơn đến gia đình và bạn bè nhưng người đã giúp đờ em rất
nhiều trong suốt quá trình thực hiộn đồ án.
Một lần nữa em xin được gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy cơ, gia đình và bạn bè
đã giúp đờ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.

IX


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƯỜNG SANG

LỜI MỞ ĐẦU
Trong mạng viễn thông ngày này, con người đang quản lỷ, trao đổi, giao tiếp
tranh luận, ―làm chính trị‖, mua bán và thử nghiệm - nghĩa là thực hiện tất cả các loại
hình hoạt động bằng cách thức mà chì có IOT mới có thế làm được. Mạng viền thơng
đã tạo ra một cầu nối liên kết loài người trên khắp hành tinh của chúng ta, và đang mở
rộng không ng ng, đằy hứa hẹn, hy vọng. Tuy vậy, trong một dải băng tần eo hẹp vẫn
còn tồn động nhiều thách thức nếu muốn đạt được đầy đủ tiềm năng đó. Các nhà khoa
học trên thế giới đã nghĩ đến việc sử dụng các băng tần cao hơn, nhưng việc này đang
vấp phải nhiều trở ngại vì cơng nghệ điện tử và chế tạo chưa theo kịp. Vì vậy một giải
pháp cấp bách được đưa ra là sử dụng chung kênh tần số, mặc dù vẫn cịn nhiều vấn đề
phát sinh, ví dụ như là can nhiều lẫn nhau gi a các thiết bị cùng tần số, hay là vấn đề
xung đột gi a các thiết bị... Một trong những công nghộ mới hiện đang được ứng dụng
trong các mạng liên lạc đã đạt được hiệu quả là công nghệ ZigBee.
Công nghệ ZigBee là công nghệ được áp dụng cho các hệ thông điều khiển và
cảm biến có tốc độ truyền tin thấp nhưng chu kỳ hoạt động dài. Công nghệ ZigBee
hoạt động ở dải tần 868/915 MHz và 2,4 GHz, với các ưu điềm là độ trề truyền tin
thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng tương thích
cao. Trong luận văn này, em muốn trình bày các khảo cứu của em về cơng nghệ

ZigBee và ứng dụng kết nối thiết bị cùa ZigBee để có thề hiểu rõ hơn về cơng nghệ
này.
Đồng thời, nhà thông minh đang là một xu hướng đang phát triển trong việc xây
dựng các cơng trình nhà ở, các căn hộ, hay các trung tâm thương mại. T lâu, nó đã là
một đề tài thu hút được nhiều sự quan tâm và nghiên cứu của các nhà khoa học cũng
như cộng đồng. Với tiêu chí đó, khóa luận này sẽ trình bày về cách xây dựng mơ hình
một hệ thống giám sát và điều khiển đơn giản trong việc kết nối và điều khiển các thiết
bị trong nhà thông qua mạng Zigbee.
Hy vọng thông qua các vấn đề được đề cập trong bản luận văn này, mội người
sẽ có được sự đánh giá và hiểu biết sâu sắc hơn về cơng nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4
và vai trị cũng như tiềm năng của công nghệ này trong cuộc sống.
X


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƢỜNG SANG

CHƢƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong xu thế hội nhập nền kinh tế quốc tế, việc phát triển cơng nghiệp hóa –
hiện đại hóa ln được Đảng và Nhà nước ta đặt ƣu tiên hàng đầu trong lĩnh vực phát
triển kinh tế, một trong những phương châm đúng đắn và xuyên suốt trong quá trình
xây dựng đất nước ta ngày càng phát triển trong lĩnh vực công nghệ và khoa học kỹ
thuật cũng như nhiều ngành lĩnh vực khác là ―đi tắt đón đầu‖ tiếp thu những thành tựu
khoa học hiện đại của thế giới để cải tiến nền kỹ thuật nước nhà, để nước ta khơng cịn
lạc hậu về khoa học cơng nghệ.
Nhờ chính sách đúng đắn này mà Việt Nam đang tiến dần, tiếp cận các công
nghệ hiện đại của thế giới t ng bước cải thiện và hồn thiện tình trạng sản xuất lạc
hậu, thủ công, năng suất kém và nhiều lĩnh vực nguy hiểm có tính chất độc hại đến đời
sống ngƣời lao động. nâng cao dần mức sống cho người dân.

Việc tiếp thu những thành tựu khoa học kỹ thuật của thế giới cùng đi đôi với
việc phát triển tầng lớp kế th a có tri thức về cơng nghệ hiện đại đồng thời cũng có
trách nhiệm phát huy, sáng tạo những kỹ thuật mới góp phần phát triển nền khoa học
kỹ thuật nước nhà cũng là góp phần vào việc thúc đẩy công nghệ hiện đại đang phát
trên thế giới.
Ngày nay trên thế giới với sự bùng nổ của các ngành công nghệ thông tin , điện
tử V. V.. . Đã làm cho đời sống của con người ngày càng hồn thiện. Các thiết bị tự
động hóa đã ngày càng xâm lấn vào trong sản xuất và thậm chí là vào cuộc sống sinh
hoạt hằng ngày của mỗi con người. Do đó một ngơi nhà thơng minh khơng cịn là mơ
ước của con người nữa mà nó đã trở thành hiện thực hóa .Qua báo chí, các phương tiện
truyền thơng , internet chúng ta có thế thấy những mơ hình ngơi nhà thơng minh đã ra
đời.Là sinh viên khoa Điện chuyên ngành Điều khiển Tự động của trường Đại học
công nghiệp TP.HCM, với những kiến thức đã học cùng với mong muốn ứng dụng
kiến thức tự động hóa đó để đáp ứng được nhu cầu sinh hoạt hằng ngày, chúng em đã
chọn đề tài : ―Điều Khiển Nhà Thông Minh Thông Qua Mạng Zigbee‖

1


KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƢỜNG SANG

Cơng nghệ số có phần chung rất lớn với cơng nghệ thơng tin, đó là phần quản
trị và xử lý dữ liệu được số hoá. Trải qua các làn sóng của cơng nghệ số, những đột
phá trong thời gian gần đây như điện toán đám mây, thiết bị di động thơng minh, trí
tuệ nhân tạo, dữ liệu lớn, IoT… đang tạo điều kiện cho sản xuất thông minh được thực
hiện rộng rãi, mở đầu cho cuộc cách mạng cơng nghiệp lần thứ tư.

Hình 1.1 Cơng nghệ 4.0


IoT là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết (identifiable)
cũng như chỉ sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối. Cụm t này
được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999. Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra
Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID
(một phương thức giao tiếp khơng dây dùng sóng radio) cũng như một số loại cảm
biến khác. IoT sau đó cũng được dùng nhiều trong các ấn phẩm đến t các hãng và nhà
phân tích.
Việc trang bị những cơng nghệ theo dõi, nhận biết vào những vật thông dụng
trong đời sống sẽ làm thay đổi rất nhiều cách chúng ta tương tác với đồ vật cũng như
cách tương tác giữa người với người. Theo ước tính của cơng ty ABI Research, đến
năm 2020, tồn thế giới sẽ có 30 tỉ thiết bị được kết nối không dây vào mạng lưới IoT.
Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định
dạng (identifiable). Nếu mọi đội tượng, kể cả con người, được "đánh dấu" để phân biệt
2


KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƢỜNG SANG

bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể hồn tồn quản lí
được nó thơng qua máy tính. Việc đánh dấu (tagging) có thể được thực hiện thơng qua
nhiều công nghệ, chẳng hạn như RFID, NFC, mã vạch, mã QR, watermark kĩ thuật
số... Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G),
Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại...
Không phải tất cả mọi thứ nằm trong IoT đều nhất thiết phải kết nối vào một
mạng lưới tồn cầu, chúng ta có thể hoạt động trong t ng hệ thống đơn lẻ (subsystem).
Hãy tưởng tượng đến một căn nhà thơng minh, trong đó các đồ điện gia dụng có thể tự
chúng tương tác với nhau và hoạt động mà không cần phải vào Internet, tr khi chúng

ta cần điều khiển nó t xa. Ngơi nhà này có thể được xem là một subsystem. Cũng
giống như hiện nay chúng ta có các mạng LAN, WAN, mạng ngang hàng nội bộ chứ
khơng kết nối trực tiếp vào Internet.
Dịng tivi SUHD 2016 của Samsung sẽ được hoạt động như một bộ điều khiển
cho toàn bộ hệ thống thiết bị thơng minh trong ngơi nhà của bạn chỉ với tính năng
SmartThings. Với việc áp dụng tính năng này, người dùng khơng cần kiểm sốt t ng
thiết bị riêng biệt với nhiều ứng dụng khác nhau, mà có thể truy cập và điều khiển tất
cả các thiết bị thông minh trực tiếp t tivi SUHD và Smartphone, thông qua một giao
diện màn hình tivi đơn giản và duy nhất.

Hình 1.2 Samsung SmartThing

3


KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƢỜNG SANG

Tính năng SmartThings
Samsung hứa hẹn sẽ hỗ trợ công nghệ IoT cho tất cả sản phẩm tivi của hãng này
đến năm 2017 và toàn bộ sản phẩm phần cứng của Samsung cũng sẽ tương thích IoT
trong vịng 5 năm tới.
Giải pháp nhà thơng minh sẽ làm cho những thiết bị điện tử bình thường
trong ngơi nhà trở nên thông minh và gần gũi với người dùng hơn, chúng được
kiểm sốt thơng qua các thiết bị truyền thông như điều khiển bằng thiết bị t xa,
điện thoại di động hoặc internet. Ngôi nhà thông minh đơn giản bao gồm một mạng
điều khiển liên kết một số lượng cố định các thiết bị điện, điện tử gia dụng trong
ngôi nhà và chúng được điều khiển thông qua một thiết bị điều khiển t xa, đáp ứng
được các cá nhân có nhu cầu nhà thơng minh ở mức trung bình.

Tạo sao dùng ZigBee mà khơng sử dụng mạng không dây khác ?
Chúng ta cần một chuẩn kết nối đủ mạnh để cũng có thể kết nối nhiều thiết bị
nhưng cần giảm trọng lượng và tầm giá thi công, chính vì vậy, Wifi và Bluetooth
khơng thể đáp ứng tốt điều này,sử dụng băng thông rộng, kết nối dễ bị xâm nhập,
khơng thích hợp với những kết nối gọn nhẹ trong nhà thông minh, tiêu hao quá nhiều
điện năng và không dùng Pin.

Bảng 1.1 Bảng so sánh Wifi, Blutooth và Zigbee

4


KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƢỜNG SANG

Mạng truyền tín hiệu và dữ liệu điều khiển trong đề tài này được sử dụng là
mạng Zigbee. Vì mạng này đáp ứng được những yêu cầu được nêu ở trên.
Kỹ thuật truyền thông không dây Zigbee ra đời dưới sự giám sát và bảo trợ của
hơn 150 nhà sản xuất linh kiện hàng đầu thế giới.
Với 3 lợi thế lớn nhất: Khả năng tiêu tốn điện năng thấp , giảm diện tích lắp đặt
,gọn nhẹ và dễ thi cơng ở mọi địa hình, Zigbee là công nghệ truyền phát hiệu quả nhất
cho nhà thông minh và nền tảng ưu việt cho IoT.
Ngoài ra ZigBee cịn cung cấp một tiêu chuẩn tồn cầu để có thể điều khiển,
kiểm soát các thiết bị chiếu sáng, quản lý năng lượng,an ninh,cũng như kết nối được
với các mạng ZigBee khác.
Trong tương lai hướng phát triển của ZigBee đó là có thể áp dụng cho tất cả các
hệ thống điều khiển và cảm biến với các ưu điểm vượt trội: giá thành thấp, tiêu hao ít
năng lượng, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng tương thích cao, Zigbee thiết lập cơ sở cho
những tầng cao hơn trong giao thức (t tầng mạng đến tầng ứng dụng) về bảo mật, dữ

liệu, chuẩn phát triển.
Đó là những lý do mà nhóm sinh viên chúng em quyết định thực hiện đề tài:

―Điều Khiển Nhà Thông Minh Thông Qua Mạng Zigbee‖

5


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƢỜNG SANG

CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ SMARTHOME VÀ
MẠNG ZIGBEE
I.

SMARTHOME
1. Định Nghĩa Nhà Thông Minh
Nhà thông minh (tiếng Anh: smart-home hoặc intelli-home, home automation)

là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hố hồn tồn
hoặc bán tự động, nó thay thế con người trong việc thực hiện một số thao tác quản lý,
điều khiển...
Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà như các thiết bị 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 t xa hoặc lập trình cho chúng hoạt
động theo lịch. Thêm vào đó, các đồ gia dụng có thể hiểu được ngơn ngữ của nhau và
có khả năng tương tác với nhau...
Một ngơi nhà thơng minh đầy đủ, thường bao gồm các tính năng:
•


Phân phối đa phương tiện, là một rạp hát gia đình.

•

Điều khiển việc chiếu sáng, mành, rèm.

•

Giám sát, điều khiển mơi trưởng (nhiệt độ, độ ẩm...).

•

Có khả năng liên lạc giữa các phịng.

•

Giám sát, điều khiển camera an ninh.

•

Giám sát và điều khiển t xa.

2. Các Ƣu Điểm Của Nhà Thông Minh
Nhà thông minh sử dụng các thiết bị và công nghệ tự động hóa, thơng minh
hóa, giúp cho con người nhàn hạ hơn trong sinh hoạt hằng ngày. Nói cách khác, đây là
hệ thống giúp chủ nhân tận hưởng sự tiện nghi của cuộc sống và dễ dàng quản lý tổng
quát đối với cả tòa nhà. Chỉ với một chiếc điều khiển t xa, chủng ta có thể điều khiển
tất cả, dù đang ở bất kỳ nơi nào. Chúng ta có thể tưởng tượng ra hiệu quả mà nhà
thơng minh mang lại thông qua những hoạt động rất gần gũi, chẳng hạn như nằm trên

giường để mở cổng; sẽ không cịn chuyện bị ngã do khơng nhìn thấy đường bởi đèn
6


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƢỜNG SANG

cầu thang sẽ tự sáng lên khi có người; hệ thống đèn trong phịng, bếp, bình nước
nóng... sẽ hoạt động đúng giờ đã định; tồn bộ hệ thống đèn sẽ tự tắt sau khi không
cần thiết; khống chế nhiệt độ chênh lệch giữa bên ngoài và trong nhà và cịn rất nhiều
tiện ích khác.
Khơng chỉ điều khiển được trong phạm vi ngôi nhà, công nghệ này cịn cho
phép tích hợp điều khiển qua điện thoại (cố định hoặc di động), internet hay PDA. Vì
vậy, mọi sinh hoạt có thể được kiểm sốt dù chúng ta đang ở cơng sở hay ngồi
đường... Khơng chỉ riêng các ngơi nhà nhỏ, chủng ta hồn lồn có thể thơng minh hóa
bất kỳ một khơng gian sống nào, kể cả trụ sở văn phòng, siêu thị, trung tâm thương
mại, khách sạn, nhà hàng, nhà xưởng sản xuất, ngân hàng, bệnh viện hay các khu phức
họp khác... nếu lựa chọn công nghệ phù hợp.

3. Nhà Thơng Minh Ở Viêt Nam
Ơng Nguyễn Tử Quảng, Tổng giám đốc công ty Bkis, chia sẻ cách đây nhiều
năm, khi đọc thông tin về biệt thự công nghệ cao với khả năng tự điều chỉnh âm thanh,
ánh sáng... theo ý thích của tỷ phú Bill Gates, ông đã mong muốn có thể trang bị khả
năng tự động cho các căn nhà bằng cơng nghệ do chính Việt Nam sản xuất.
Trong Triển lãm thành tựu kinh tế - xã hội Việt Nam và Thăng Long - Hà Nội
2010, diễn ra t ngày 1/10 đến 6/10 tại Trung tâm triển lãm Giảng Võ - Hà Nội, Bkav
đã giới thiệu Hệ thống nhà thông minh SmartHome. Đây là một trong những cơng
trình cơng nghệ cao hồn tồn do các kỹ sư và chuyên gia của Công ty đầu tư phát
triển công nghệ ngôi nhà thông minh Bkav SmartHome (công ty thành viên của Bkav)

nghiên cứu và sản xuất.
SmartHome kết nối sản phẩm điện tử gia dụng thành mạng thiết bị và hoạt động
theo các kịch bản khác nhau nhằm tạo mơi trường sống tiện nghi, an tồn và tiết kiệm
năng lượng. Chẳng hạn, khi có người bước vào nhà, hệ thống đèn sẽ tự bật nhờ thiết bị
cảm biến hồng ngoại. Đèn chiếu sáng cịn có thể điều chỉnh ánh sáng, màu sắc... theo
sở thích của chủ nhân. Khi thiết bị chiếu phim hoạt động, hệ thống đèn tự động giảm
độ sáng, rèm cửa cũng tự động khép lại để tạo khơng khí của một phịng chiếu phim.

7


KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƢỜNG SANG

Hình 2.1 Giao diện điêu khiên của Bkav SmartHome

Ngồi ra, ngơi nhà thơng minh của Bkav SmartHome cịn được trang bị hệ
thống kiểm sốt mơi trường, cảnh báo an ninh (kiểm soát các nguy cơ cháy, nồ hay bị
xâm nhập trái phép), giải trí đa phương tiện Multimedia (quản lý thư viện âm nhạc,
phim, ảnh... của chủ nhà).
Để điều khiển các thiết bị điện tử gia dụng, người dùng có thể tương tác trên
giao diện cảm ứng của máy tính bảng (tablet) được đặt ở các vị trí thuận tiện trong nhà
hoặc đỉện thoại dỉ động 3G.
Tùy theo nhu cầu, người sử dụng có thể cấu hình hệ thống hoạt động theo
những kịch bản bất kỳ như lập trình hẹn giờ tắt đèn khỉ đỉ ngủ, đổ thúc ăn vào bể cá
khỉ vắng nhà, hoặc nếu quên tắt TV, bếp gas..., khi tới công sở, họ có thể gửi tin nhắn
qua điện thoại di động để điều khiển thiết bị t xa. Ông Quảng khẳng định "nhà thơng
minh" khơng cịn là khái niệm xa vời, đắt đỏ. Tùy theo mức độ sử dụng mà mức giá
của SmartHome sẽ dao động t vài triệu đán vài trăm triệu đồng.


II. Mạng Zigbee
1 Khái Quát Về Zigbee:
1.1 Khái niệm mạng WPAN.
WPAN là mạng vơ tuyến cá nhân. Nhóm này bao gồm các cơng nghệ vơ tuyến
có vùng phủ nhỏ tầm vài mét đến hàng chục mét tối đa. Các cơng nghệ này phục vụ
mục đích nối kết các thiết bị ngoại vi như máy in, bàn phím, chuột, đĩa cứng, khóa
USB,đồng hồ,...với điện thoại di động, máy tính. Các cơng nghệ trong nhóm này bao
gồm: Bluetooth, VVibree, ZigBee, UWB, VVireless USB, EnOcean...
8


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƢỜNG SANG

1.2 Khái niệm về Zigbee
Là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn có tốc độ
truyền dữ liệu thấp. Các thiết bị không dây dựa trên chuẩn Zigbee hoạt động trên 3 dãy
tần số là 868MHz, 915 MHz và 2.4GHz.
Cái tên Zigbee được xuất phát t cách truyền thông tin của các con ong mật đó
là kiểu ―zig-zag‖ của lồi ong ―honey-Bee‖. Cái tên Zigbee cũng được ghép t 2 t
này.

1.3 Lịch sử phát triển
Mạng Zigbee được hình thành năm 1998 khi các kỹ sư công nghệ nhận thấy
Wifi và Bluetooth khơng thích hợp với nhiều ứng dụng. Tháng 5 năm 2003, tiêu chuẩn
IEEE 802.15.4 được hoàn thành. Tháng 10 năm 2004, Liên minh Zigbee ra đời. Đây là
hiệp hội các công ty làm việc cùng nhau để cho phép và kiểm sốt các sản phẩm mạng
khơng dây tốc độ thấp, chi phí thấp, ít tiêu hao năng lượng và có tính bảo mật cao. Là

một tổ chức độc lập và hợp tác phi lợi nhuận. Nó tạo ra các tiêu chuẩn kỹ thuật cho
Zigbee, cấp các chứng nhận, phát triển thương hiệu, thị trường.
Các phiên bản Zigbee lần lượt ra đời t đó đến nay:
- Ngày 11/12/2004, phiên bản đầu tiên ra đời: Zigbee 2004. Cũng trong thời
gian này điện thoại Zigbee đầu tiên trên thế giới được giới thiệu với những tính năng
như điều khiển các thiết bị điện gia dụng, theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và hệ thống báo
động.
- Tháng 12/2006, Zigbee 2006 ra đời.
- Năm 2007, Zigbee PRO ra đời với những tính năng vượt trội hơn.

1.4 So sánh Zigbee với BlueTooth, Wifi:
Zigbee™

Wifi

Bluetooth

Tần số

868MHz,915MHz,2.4 GHz

2.4 GHz

2.4 GHz, 5 GHz

Data rate

20-250Kbps

1-100 Mbps


1-3 Mbps

Khoảng cách

10-100m

30-100m

2-10m

Bảng 2.1 So sánh Zigbee với Blutooth ,wifi

Zigbee cho phép truyền thông tin tới nhiều thiết bị cùng lúc (mesh netvvork)
thay vì chỉ có 2 sản phẩm tương tác với nhau như Bluetooth và Wifi. Phạm vi hoạt
động của Zigbee đang được cải tiến t 75 mét lên đến vài trăm mét.
Công nghệ này đòi hỏi năng lượng thấp hơn Bluetooth, nhưng tốc độ chỉ đạt
256 Kb/giây, đồng thời Zigbee sử dụng rộng hơn trong các mạng mắt lưới rộng hơn là
9


KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƢỜNG SANG

sử dụng cơng nghệ Bluetooth. Phạm vi hoạt động của nó có thể đạt t 10 _75m trong
khi đó Bluetooth chỉ có 10 mét trong trường hợp khơng có khuếch đại.

Hình 2.2 So sánh phạm vi hoạt động của Zigbee


10


KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƢỜNG SANG

2. Các Tính Năng
• Sử dụng đơn giản, giá thành hợp lý, tiết kiệm năng lƣợng
Thiết bị được sản xuất phù hợp cho cả người sử dụng tự lắp đặt hay các nhà tích
hợp hệ thống chuyên nghiệp. Tối ưu hóa năng lượng, giảm hao phí điện năng khi sử
dụng.
Thiết bị sử dụng tiêu chuẩn mở phù hợp với mọi thiết bị điện - điện tử trên thị
trường.
• Dễ dàng điều khiển
Cơng nghệ khơng dây làm giảm chi phí và những rắc rối của mạng có dây
truyền thống. Sử dụng tần số quốc tế 2.4 Ghz dễ dàng lắp đặt và sử dụng.
Tính năng điều khiển tự động hoặc bán tự động: Giải thoát sức lao động của
con người. Kết nối Internet cho phép điều khiển t xa. Tự lắp đặt, tự cài đặt dễ dàng.
• An tồn
Dễ dàng lắp đặt cảm biến khơng dây để giám sát an ninh ngôi nhà. Nhận
thông báo tức thì khi có sự kiện bất thường xảy ra.
AES hệ thống khơng dây được mã hóa đặc biệt, đảm bảo chỉ duy nhất chủ nhà
có khả năng điều khiển hệ thống
• Liên kết hoạt động
Tích hợp điều khiển và giám sát các phân hệ điện của ngôi nhà cũng như các hệ
an ninh, kiểm sốt truy nhập…
Vì các ứng dụng đều được xây dựng ở dạng module do đó người sử dụng chỉ
phải mua những thiết bị mà mình cần. Có thể kết hợp sử dụng nhiều dịng sản phẩm
mà khơng cần quan tâm tới nhà sản xuất có thể làm việc với mạng ZigBee khác


3. Ứng Dụng:
Năng lượng thông minh: là tiêu chuẩn hàng đầu thế giới cho các sản phẩm
tương thích mà theo dõi, kiểm sốt, thơng báo và tự động hóa việc cung cấp và sử
dụng năng lượng nước. Nó giúp tạo ra ngơi nhà xanh hơn bằng cách cho người tiêu
dùng những thông tin và tự động hóa cần thiết để giảm mức tiêu thụ của họ một cách
dễ dàng và tiết kiệm tiền.

11


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƢỜNG SANG

Tiêu chuẩn này hỗ trợ các nhu cầu đa dạng của hệ sinh thái toàn cầu, các nhà
sản xuất sản phẩm và những dự án của chính phủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng và
nước trong tương lai.
Zigbee điều khiển từ xa: cung cấp một tiêu chuẩn toàn cầu tiên tiến và dễ sử
dụng điều khiển t xa RF hoạt động non-line-of-sight, hai chiều, còn phạm vi sử dụng
và tuổi thọ pin mở rộng. Nó được thiết kế cho một loạt các thiết bị rạp hát tại nhà, các
hộp set-top, thiết bị âm thanh khác.
Điều khiển t xa ZigBee giải phóng người tiêu dùng điều khiển t xa ở các
thiết bị.
Nó cung cấp cho người tiêu dùng linh hoạt hơn, cho phép kiểm soát các thiết bị
t phịng gần đó và vị trí của các thiết bị hầu như bất cứ nơi nào - bao gồm cả phía sau
gỗ, tường, trang trí nội thất hoặc thủy tinh.
Zigbee nhà thông minh: Zigbee nhà thông minh cung cấp một tiêu chuẩn toàn
cầu cho các sảm phẩm tương thích cho nhà thơng minh có thể kiểm sốt thiết bị, chiếu
sang, quản lý môi trường năng lượng và an ninh, cũng như mở rộng để kết nối với các

mạng Zigbee khác. Nhà thông minh cho phép người tiêu dùng tiết kiệm tiền, cảm thấy
an toàn hơn và tận hưởng một loạt các tiện nghi dễ dàng và ít tốn kém để duy trì.
Tất cả sản phẩm Zigbee nhà thông minh được chứng nhận để thực hiện. Nhiều
công ty đổi mới đã đóng góp chun mơn của họ vào tiêu chuẩn này, bao gồm Phillips,
Control4 và Texas Instruments.
Zigbee chăm sóc sức khỏe: là theo dõi bệnh nhân tại nhà. Ví dụ, huyết áp và
nhịp tim của một bệnh nhân được đo bởi các thiết bị đeo trên người. Bệnh nhân mang
một thiết bị Zigbee tập hợp các thông tin liên quan đến sức khỏe như huyết áp và nhịp
tim. Sau đó dữ liệu được truyền khơng dây đến một máy chủ địa phương, có thể là một
máy tính cá nhân đặt trong nhà bệnh nhân, nơi mà việc phân tích ban đầu được thực
hiện.
Cuối cùng, thơng tin quan trọng được chuyển tới y tá của bệnh nhân hay nhân
viên vật lý trị liệu thơng qua Internet để phân tích sâu hơn. Chăm sóc sức khỏe hàng
đầu và cơng ty đang hỗ trợ công nghệ cho sự phát triển của ZigBee Chăm sóc sức
khỏe, bao gồm Motorola, Phillips, Freescale Semiconductor, Avvarepoint và công
nghệ RF.
12


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRƢỜNG SANG

Zigbee xây dựng tự động:
ĐIỀU KHIỂN:
* Tích hợp và tập trung quản lý chiếu sáng, sưởi ấm, làm mát, an ninh.
* Tự động kiểm soát nhiều hệ thống để cải thiện tính linh hoạt và an ninh.
BẢO TỒN
* Giảm chi phí năng lượng thơng qua quản lý tối ưu hóa HVAC.
* Phân bổ chi phí tiện ích một cách cơng bằng dựa trên tiêu thụ thực tế.

LINH HOẠT
* Cấu hình lại hệ thống chiếu sáng một cách nhanh chóng để tạo ra khơng gian
làm việc thích nghi.
* Mở rộng và nâng cấp xây dựng cơ sở hạ tầng.
AN TỒN
* Mạng và tích hợp dữ liệu t các điểm kiểm soát truy cập nhiều chiều.
* Triển khai mạng lưới giám sát không dây để tăng cường bảo vệ vịng ngồi.
Zigbee dịch vụ viễn thơng: ZigBee Dịch vụ viễn thơng cung cấp một tiêu chuẩn
tồn cầu cho các sản phẩm tương thích cho phép một loạt các dịch vụ giá trị gia tăng,
bao gồm giao thông, chơi game di động, dịch vụ dựa trên địa điểm, thanh tốn di động
an tồn, quảng cáo di động, thanh tốn khu vực, tiếp cận văn phịng di động kiểm sốt,
thanh toán, và peer-to-peer dịch vụ chia sẻ dữ liệu.
ZigBee Dịch vụ viễn thông hỗ trợ các nhà sản xuất sản phầm, các nhà khai thác
điện thoại mạng di động, các doanh nghiệp và chính phủ khi họ tìm cách mới để tương
tác vớỉ công chúng. Tất cẳ các sản phẩm ZigBee Dịch vụ viễn thông được chứng nhận
để thực hiện.
Các công ty viễn thông hàng đầu, các nhà sản xuất sản phẩm và công ty công
nghệ dẫn sự phát triển của tiêu chuần này, bao gồm cả Phillips, Telecom Italia,
Teletonica, OKI, Huavvei, Motorola và Texas Instruments.

4. Mơ Hình Giao Thức Của ZIGBEE/IEEE802.15:
Đây là công nghệ xây dựng và phát triển các lớp ứng dụng và lớp mạng trên nền
tảng là 2 tầng PHY và MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4. Nó th a hưởng được tính tín
cậy, đơn giản, tiêu hao ít năng lượng và khả năng thích ứng cao với môi trường mạng.
13