ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Trần Duy Hưng
XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ
ĐIỀU

KHIỂN NHÀ THÔNG MINH:
QUAN SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRÊN PPC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ thông tin
HÀ NỘI - 2009
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Trần Duy Hưng
XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ
ĐIỀU

KHIỂN NHÀ THÔNG MINH:
QUAN SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRÊN PPC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ thông tin
Cán bộ hướng dẫn: ThS. Vũ Quang Dũng
Cán bộ đồng hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thị Nhật Thanh
HÀ NỘI - 2009
LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể Trường đại học Công Nghệ - Đại học Quốc
Gia Hà Nội trong những năm học qua đã tạo điều kiện cho em xây dựng, tích lũy
những kiến thức và bài học để em có thể hoàn thành khóa học.
Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong bộ môn Công Nghệ Phần Mềm
- khoa Công Nghệ Thông Tin, đã tận tình dạy dỗ và truyền đạt những kiến thức quý
báu, đồng thời bộ môn cũng đã tạo mọi điều kiện cho em hoàn thành bài nghiên cứu

một cách thức giao tiếp cơ bản – đủ mạnh, tức là đảm bảo nhanh, an toàn, phổ biến và
linh động – để có thể giao tiếp với tối thiểu máy tính.
Người sử dụng tương tác với các đối tượng khác thông qua thiết bị di động, thiết
bị di động sẽ gửi các lệnh, các tính toán tới máy tính để bàn, từ đây máy tính sẽ thu
gom các dữ liệu từ các đối tượng liên quan tới phép tính người sử dụng yêu cầu và
thực hiện các thuật toán, các phép toán. Kết quả trả về sẽ được máy tính gửi lại cho
thiết bị di động. Nhiệm vụ còn lại của thiết bị di động là hiển thị kết quả cho người
dùng theo dõi và đưa ra những quyết định tiếp theo. Về mặt lý thuyết, hệ tính khắp nơi
cơ bản là một thế giới ảo, trong đó có những đối tượng là những thực thể được định
danh và phân biệt. Các thực thể này làm những nhiệm vụ khác nhau hoặc cùng một
nhiệm vụ nhưng tại những vị trí khác nhau. Điều đó làm đa dạng và phức tạp trong hệ
tính toán nhưng bù lại là những phép đo chính xác và đầy đủ.
Sự khác biệt giữa các đối tượng trong môi trường tính toán khắp nơi và thế giới
thực là sự giao tiếp hạn chế giữa các đối tượng với nhau. Các đối tượng muốn giao tiếp
với nhau cần thiết phải thông qua một máy tính đặc biệt, đóng vai trò là trung tâm của
hệ tính toán khắp nơi thay vì giao tiếp trực tiếp với nhau. Đây cũng là một hạn chế và
là vấn đề chính mà bài khóa luận muốn đề cập đến. Mỗi đối tượng là một thực thể
riêng biệt, do đó cần phải có những cơ chế để định vị và phân biệt các đối tượng này
trong hệ tính toán khắp nơi.
Ngoài ra yếu tố mạng cũng là yếu tố quan trọng để quyết định thời gian tính toán
và tương tác. Do đó bài khóa luận sẽ tập trung vào hai phần chủ yếu:
ii
1. Đưa ra tiêu chí cho mạng giao tiếp sử dụng trong hệ thống giám sát và điều

khiển
nhà thông minh. Nghiên cứu và đánh giá các mạng phổ biến để chọn lọc.
2. Cách thức phân biệt các thực thể và phân quyền người dùng cho từng ứng

dụng.
Trong bài khóa luận cũng sẽ nêu ra cách áp dụng lý thuyết và tư tưởng của hệ
T Ừ

VI Ế T

T

Ắ

T vi
DANH

M

Ụ

C
HÌNH

V Ẽ

vii
DANH


minh 2
1.1.1

Phân

lo ạ i

theo h

ệ
th ố ng

k

ỹ

thu

ậ

t

2
1.1.2

Phân

Module nh ậ n

di ện

điề u

khi ể n qua

IP

Camera 4
1.2.1.2

Quan

sát

và

điề u

khi ể n

trên PPC 4
1.2.1.3

Module mô

ph ỏ ng 3D



Qu ả n

lý ng

ườ

i

dùng

5
1.2.2.3

Q u

ả n

l ý đố

i t ư

ợ n

g 5
Chương

2

GI Ả I

Nhược

điể m 8
2.2

Wireless 9
2.2.1

Khái

quát 9
2.2.2

Các mô

hình

WLAN 9
2.2.3

Ưu
điể m

11
2.2.4

Nhược

QUAN
SÁT

VÀ

ĐIỀ U

KHI

Ể

N
TRÊN

PPC 16
3.1

Mô

t ả



k ế

17
3.1.1.3

Thành

ph ầ n

k ế t

n

ố

i 18
3.1.1.4

Thành

ph ầ n

qu ả n

lý


Yêu

c ầ u

và

ch ức năng

19
3.1.2.2

Thi ế t

k ế

20
3.1.2.3

Ho ạt

độ

ng 21
3.1.3

Session


3.1.3.4

Application

24
3.1.3.5

Ho ạt

độ

ng 25
3.2

Bi ểu

đồ

tu ầ n

t ự

25
3.2.1

Qu ả n



ứ ng

d

ụ

ng 27
3.2.4

Lu ồ ng

d ữ

li ệ u

h

ệ
th ố ng

28
Chương


Th

ự

c
nghi

ệ

m 30
4.2.1

Yêu
c ầ u

c ấ u hình

30
4.2.1.1

PPC


c

nghi ệ m

truy ề n

d

ữ
li ệ u

31
4.2.2.2

S ố

li ệ u

th ự c

nghi ệ m

sau

khi


TÀI

LI Ệ U

THAM

KH Ả O

34
7
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
1. PPC: Pocket personal computer
2. PC: Personal computer
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Mô hình hệ thống nhà thông minh 4
Hình 2-1: Giao thức Obex 7
Hình 2-2: Ứng dụng Bluetooth 8
Hình 2-3: mô hình mạng Ad-hoc

10
Hình 2-4: Mô hình mạng cơ sở

10
Hình 2-5: Mô hình mạng mở rộng

11
Hình 3-1: Mô hình module quan sát và điều khiển trên PPC

16
Hình 3-2: Mô hình tầng quản lý kết nối

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1: Bảng so sánh Bluetooth và wireless 12
Bảng 2-2: Thực nghiệm wireless và bluetooth 14
Bảng 4-1: Thực nghiệm truyền dữ liệu 31
Bảng 4-2: Dữ liệu tương tác 32
viii
Chương 1 GIỚI THIỆU
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ web, hạ tầng mạng và các ứng
dụng cho thiết bị nhúng, các thiết bị cầm tay thông minh càng chứng tỏ vị trí quan
trọng của mình trong cuộc các mạng chung của công nghệ và đóng vai trò không thể
thiếu trong đời sống con người đang dần trở nên bận rộn và có xu hướng di chuyển
nhiều.
Với những thiết bị cầm tay thông minh, con người mới chỉ dừng lại ở mức ứng
dụng nhỏ hoặc không phổ biến, trong khi thực tế những thiết bị cầm tay có thể giải
quyết được nhiều công việc hơn so với những tiềm năng vốn có.
Về hạn chế, các thiết bị nhúng dù phát triển nhưng vẫn luôn hạn chế cả về tốc độ tính
toán lẫn lưu trữ dữ liệu so với máy tính để bàn. Điều này dẫn đến xu hướng tính toán
tập trung và tải những phép tính phức tạp, đòi hỏi thời gian tính toán lớn lên máy tính,
thiết bị nhúng chỉ mang tính chất hiển thị kết quả. Nền tảng của lý thuyết hệ tính toán
khắp nơi (ubiquitous computing) là đẩy toàn bộ dữ liệu để xử lý tập trung, sau đó dữ
liệu tập trung này sẽ được gửi tới những thiết bị khác.
Một trong những ứng dụng của hệ thống tính toán khắp nơi là nhà thông minh
(smart house). Nhà thông minh (tiếng Anh: smart-home hoặc intelli-home) là kiểu nhà
được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hoá hoàn toàn hoặc bán tự
động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều
khiển…
Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet
đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối với internet và điện thoại di động, cho
phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động
theo lịch. Thêm vào đó, các đồ gia dụng có thể hiểu được ngôn ngữ của nhau và có

điện
thoại cần thiết và có khả năng phong toả khu vực bị đột nhập.
- Hệ thống báo cháy và chữa cháy: hệ thống báo cháy cảm ứng khi có hiện tượng

cháy
(nồng độ khói, nhiệt độ), và thông báo bằng âm thanh (loa, còi), đèn chiếu sáng.

Hệ
thống chữa cháy tự động phun nước tại các nơi cần chữa cháy. Ở mức độ cao hơn,

hệ
thống báo cháy, chữa cháy cho phép khoanh vùng và hướng dẫn phân luồng thoát
hiểm.
- Hệ thống thiết bị nhiệt: điều hoà nhiệt độ, lò sưởi, bình nước nóng
- Hệ thống giải trí: truyền hình, đầu DVD, máy nghe nhạc…
- Hệ thống cấp nước: phòng vệ sinh, tưới vườn
Tất cả các hệ thống thông minh trên có thể hoạt động theo lập trình hoặc cho
phép người sử dụng điều khiển từ xa, hoặc kiểm tra trạng thái thiết bị thông qua bộ
điều khiển từ xa (remote control), điện thoại di động hay internet.
1.1.2 Phân loại theo cơ chế thông minh
Có thể phân chia làm ba loại cơ chế hoạt động như sau:
- Cơ chế nhận diện: cơ chế nhận diện cho phép ghi nhớ những đặc điểm được cài

đặt
sẵn trong bộ nhớ; trong trường hợp việc nhận diện xảy ra không trùng khớp, hệ
thống sẽ từ chối phục vụ hoặc báo động. Ví dụ như cổng, cửa gara chỉ mở với những
xe có biển số đã đăng ký với hệ thống, cửa tự động nhận diện vân tay chỉ mở đúng
người; trong khoảng thời gian đêm, nếu có người lạ mặt trong phòng khách hệ thống
sẽ báo động…
- Cơ chế lập trình sẵn: một số hệ thống thiết bị được thiết kế hoạt động theo lịch


minh.
- Quản lý các tương tác người dùng đối với nhà thông minh.
- Quản lý, phân bổ hạ tầng mạng và các kết nối.
1.2.1.3 Module mô phỏng 3D
- Mô phỏng nhà 3D và nhận các tương tác người dùng.
- Chuyển những tương tác người dùng thành các sự kiện trong nhà thông minh.
1.2.2 Phạm vi module quan sát và điều khiển trên PPC
Giới hạn phạm vi module quan sát và điều khiển trên PPC được xác định thông

qua các yêu cầu:
1.2.2.1 Hạ tầng mạng
- Đảm bảo dữ liệu thông suốt.
- Thời gian chuyển và xử lý lệnh đạt trung bình từ 300 - 400 ms trong điều kiện
tốt và từ 2000 - 3000 ms trong điều kiện mạng kém.
- Mạng truyền dữ liệu không dây nhưng vẫn đảm bảo tốc độ truyền tốt và số

lượng
lớn người truy cập.
- Tính bảo mật cao. Có thể dễ dàng triển khai ngăn chặn các cuộc tấn công qua

sóng
và môi trường truyền dẫn thông qua hoặc thiết bị bảo mặt, hoặc bởi thuật toán mã

hóa
dữ liệu, bất chấp sự phình ra một cách tương đối của dữ liệu.
1.2.2.2 Quản lý người dùng
- Ngăn ngừa sự truy cập trái phép từ bên ngoài lên các đối tượng.
- Phân quyền đối tượng đối với từng người dùng và nhóm người dùng.
1.2.2.3 Quản lý đối tượng

sáng
hồng ngoại, nhưng rất nhanh sau đó nó được tổ chức Bluetooth SIG (Bluetooth
Special Interest Group) đưa vào hầu hết các thiết bị Bluetooth của mình.
- Cũng giống như các giao thức khác, giao thức OBEX được xây dựng trên nền

mô
hình OSI (Open Systems Interconnection) bao gồm hai thành phần chính:
• OBEX session protocol (giao thức phiên OBEX): mô tả cấu trúc gói tin

trong phiên làm việc giữa hai thiết bị.
• OBEX application framework: tập các dịch vụ OBEX cung cấp cho các ứng
dụng đầu cuối như truyền file, in ảnh
Hình 2-1: Giao thức Obex
2.1.3 Ưu điểm
- Truyền dữ liệu giữa các thiết bị không cần cáp trong khoảng cách

trung
bình (10m, có thể xa hơn với thiết bị đặc biệt).
- Sử dụng sóng radio ở băng tần không cần đăng ký 2.4GHz ISM
(Industrial, Scientific, Medical).
- Có khả năng xuyên qua vật thể rắn và phi kim, không cần phải truyền thẳng .
- Khả năng kết nối point-point, point-multipoint.
- Bluetooth sử dụng cùng một chuẩn giao thức nên mọi thiết bị
- Bluetooth đều có thể làm việc với nhau.
- Sử dụng ít năng lượng, thích hợp với các thiết bị di động có nguồn
năng lượng hạn chế.
- Có khả năng hỗ trợ 3 kênh thoại và 1 kênh dữ liệu.
- Có khả năng bảo mật từ 8Æ128bit.
- Thiết bị nhỏ gọn, số lượng thiết bị hỗ trợ Bluetooth ngày càng nhiều
và đa dạng.


các
thiết bị di động trong vùng phủ sóng của một cell. AP đóng vai trò điều khiển cell

và
điều khiển lưu lượng tới mạng. Các thiết bị di động không giao tiếp trực tiếp với
nhau mà giao tiếp với các AP.
- Mô hình mạng cơ sở (BSSs) : Bao gồm các điểm truy nhập AP (Access Point)

gắn
với mạng đường trục hữu tuyến và giao tiếp với các thiết bị di động trong vùng

phủ
sóng của một cell. AP đóng vai trò điều khiển cell và điều khiển lưu lượng tới
mạng. Các thiết bị di động không giao tiếp trực tiếp với nhau mà giao tiếp với các AP.
- Mô hình mạng mở rộng(ESSs) : Mạng 802.11 mở rộng phạm vi di động tới

một
phạm vi bất kì thông qua ESS. Một ESSs là một tập hợp các BSSs nơi mà các
Access Point giao tiếp với nhau để chuyển lưu lượng từ một BSS này đến một BSS
khác để làm cho việc di chuyển dễ dàng của các trạm giữa các BSS, Access Point thực
hiện việc giao tiếp thông qua hệ thống phân phối.
Hình 2-3: mô hình mạng Ad-hoc
Hình 2-4: Mô hình mạng cơ sở
20
Hình 2-5: Mô hình mạng mở rộng
2.2.3 Ưu điểm
Sự

tiện

Việc thiết lập hệ thống mạng không dây ban đầu chỉ cần ít nhất 1 access
point. Với mạng dùng cáp, phải tốn thêm chi phí và có thể gặp khó khăn trong việc
triển khai hệ thống cáp ở nhiều nơi trong tòa nhà.
Khả

năng

mở

rộng:

Mạng không dây có thể đáp ứng tức thì khi gia tăng số
lượng người dùng. Với hệ thống mạng dùng cáp cần phải gắn thêm cáp
2.2.4 Nhược điểm
Bảo

mật:

Môi trường kết nối không dây là không khí nên khả năng bị tấn công
của người dùng là rất cao.
Phạm

vi:

Một mạng chuẩn 802.11g với các thiết bị chuẩn chỉ có thể hoạt động
tốt trong phạm vi vài chục mét. Nó phù hợp trong 1 căn nhà, nhưngvới một tòa nhà lớn
thì không đáp ứng được nhu cầu. Để đáp ứng cần phải mua thêm Repeater hay access
point, dẫn đến chi phí gia tăng.
Độ


ứng dụng khác nhau.
Truy cập mạng không
(Typical usage)
LAN. Truy cập mạng không dây với khoảng cách
dây với khoảng cách dài.
trung bình.
2 Băng thông
11 Mbps, chia sẻ.
2 đến 3 Mbps với WEP.
1 Mbps, chia sẻ.
Version 1.1 và 1.2 là
723.1 Kbps, version 2.0
là 2.1 Mbps, thấp hơn
khi bị nhiễu.
3 Nhiễu
Các thiết bị sử dụng sóng
Các thiết bị sử dụng sóng
radio khác, các vật liệu xây
dựng, trang thiết bị.
radio khác, các vật liệu
xây dựng, trang thiết bị.
4 Bảo mật
Không an toàn nếu

không bảo vệ tốt. Cần giải
quyết những trục trặc của
mạng, truy cập bất hợp pháp,
hi-jacking,
"Đánh hơi mạng" (hay còn gọi
là dò tìm lỗ hổng mạng thông


(ngoài trời)
200 m - 11 Mbps.
500 m - 1 Mbps.
30 m-100 m
7
Khoảng cách

(trong nhà)
40 m - 11 Mbps.
100 m - 1 Mbps.
10 m-30 m.
8 Số kênh
11 DSSS.
79—FHSS.
79
9
Năng lượng
truyền
tối đa
20 dBm—FHSS.
30 dBm—DSSS.
20 dBm
10 Tần số
2.4GHz -b/g
5.8GHz – a
2.4GHz
11 Giá thành Cao Thấp
12 Thiết bị hỗ trợ
Hỗ trợ trong một số

Bluetooth là 10m.
Bảng 2-2: Thực nghiệm wireless và bluetooth
STT Loại dữ liệu Dung lượng
Thời gian
Thời gian truyền
đóng gói
Wireless Bluetooth
1 DL đăng nhập 15K 5ms 800 ms 1200ms
DL ping
2
server
1B 0ms 20ms 40ms
DL chuyển
3
ứng dụng
1B 0ms 30ms 50ms
DL chuyển
4
đối tượng
5K 5ms 300ms 700ms
DL chuyển
5
kết nối
1B 0ms 50ms 90ms
DL chuyển
6 trạng thái đối
tượng
15K 10ms 1000ms 1800ms
7 DL đối tượng 300K 50ms 2000ms 3500ms
DL nhận diện