BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Đào Quang Bình

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WIFI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ

Chuyên ngành: Điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Điều khiển và tự động hóa

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. NGUYỄN QUỐC CƯỜNG

Hà Nội – Năm 2016

1


LỜI CAM ĐOAN
Sau thời gian nghiên cứu và học tập tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội,
với sự hướng dẫn và sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong Viện điện. Và
đặc biệt là sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS.Nguyễn Quốc
Cường đã giúp tôi hoàn thành luận văn đúng thời hạn và đạt được các mục tiêu đề
ra.
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung của luận văn mà tôi thực hiện trong thời
gian vừa qua là trung thực và không sao chép của ai.
Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2016
Người cam đoan


MỤC LỤC ..................................................................................................................4
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................7
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................8
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................9
LỜI NÓI ĐẦU .........................................................................................................12
1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................12
2. Mục đích của đề tài .............................................................................................12
3. Bố cục của đề tài ..................................................................................................12
4. Phƣơng pháp nghiên cứu....................................................................................13
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ 14
1.1. Giới thiệu về điều khiển chiếu sáng ................................................................14
1.2. Chuẩn chiếu sáng có dây .................................................................................14
1.2.1. DALI ...............................................................................................................15
1.2.2. DMX512 .........................................................................................................16
1.3. Chuẩn chiếu sáng không dây ..........................................................................18
1.3.1. Giới thiệu về Zigbee ........................................................................................18
1.3.2. Cấu trúc của giao thức ZigBee ........................................................................19
1.3.3. Những phần tử cơ bản trong mạng ZigBee .....................................................20
1.3.4. Cấu trúc liên kết mạng ....................................................................................21
1.3.5. Địa chỉ .............................................................................................................23
1.3.6. Truyền dẫn dữ liệu ..........................................................................................24
1.4. Kết luận .............................................................................................................25
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ WI-FI ................................................................26
2.1 Tổng quan về Wi-Fi ..........................................................................................26
2.1.1. Lịch sử ra đời ..................................................................................................26

4


2.1.2. IEEE 802.11b ..................................................................................................27



3.6. Thiết kế phần mềm cho khối Wi-Fi Gateway ................................................67
3.6.1. Thiết kế giao diện điều khiển trên Web ..........................................................67
3.6.2. Thiết kế phần mềm cho Arduino.....................................................................71
3.6.3. Thiết kế phần mềm điều khiển trên điện thoại Android .................................72
CHƢƠNG 4: KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ ..............................81
4.1. Giới thiệu về 1 số chỉ tiêu đánh giá Wi-Fi Gateway......................................81
4.1.1. Chỉ tiêu về công suất phát của khối Wi-Fi Router ..........................................81
4.1.2. Chỉ tiêu về độ nhạy thu của khối Wi-Fi Router ..............................................81
4.2. Kiểm nghiệm hoạt động đối với khối Wi-Fi Router .....................................82
4.2.1. Kiểm tra khoảng cách trong môi trường không vật cản..................................82
4.2.2. Kiểm tra khoảng cách trong môi trường có vật cản ........................................83
4.2.3 Kiểm tra số lượng thiết bị kết nối tới khối Wi-Fi Router ................................85
4.3. Kiểm nghiệm hoạt động đối với khối truyền thông Zigbee ..........................85
4.3.1. Kiểm tra khoảng cách trong môi trường không vật cản..................................85
4.3.2. Kiểm tra khoảng cách trong môi trường có vật cản ........................................86
4.4. Kiểm nghiệm hoạt động Wi-Fi Gateway........................................................88
4.4.1. Thời gian đáp ứng của Wi-Fi Gateway ...........................................................88
4.4.2. Kiểm nghiệm đánh giá hoạt động của Wi-Fi Gateway ...................................89
KẾT LUẬN ..............................................................................................................92
1. Kết quả đạt đƣợc .................................................................................................92
2. Hƣớng phát triển của đề tài ...............................................................................92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................93

6


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết Tắt


APS

Application Support Sublayer

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

SSID

Service Set Identifier

WEP

Wired Equivalent Privacy

WPA

Wi-Fi Protected Access

TKIP

Temporal Key Integrity Protocol

AES

Advanced Encryption Standard

CCMP

Original Equipment Manufacturing

SDK

Software Development Kits

API

Application Programming Interface

HTML

HyperText Markup Language

HTTP

HyperText Transfer Protocol

7


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: So sánh các module Wi-Fi adapter ...........................................................42
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật chip ESP8266EX ........................................................47
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật phần cứng chip ESP8266EX ......................................47
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật phần mềm của chip ESP8266EX ................................48
Bảng 3.5: Mô tả chân của module ESP-01 ...............................................................48
Bảng 3.6: So sánh máy ảo và Docker .......................................................................52
Bảng 3.7: Các phương thức có thể sử dụng cho HTTP request. ...............................69
Bảng 3.8: So sánh phương thức GET và POST ........................................................70

Hình 3.3: Sơ đồ khối của khối Wi-Fi Gateway .........................................................38
Hình 3.4: Intel Edison và board phát triển Arduino ..................................................39
Hình 3.5: Module Raspberry Pi 3 .............................................................................40
Hình 3.6: Module Arduino Mega 2560 .....................................................................41
Hình 3.7: Module Xbee Series 2 ...............................................................................43
Hình 3.8: Xbee USB adapter .....................................................................................44
Hình 3.9: Giao diện X-CTU 6.3.2 .............................................................................44
Hình 3.10: Cấu hình Xbee trong thẻ Configuration ..................................................45
Hình 3.11: Thẻ Consoles ...........................................................................................45
Hình 3.12: Thẻ Network ...........................................................................................46
Hình 3.13: Sơ đồ chân module ESP-01 ....................................................................48
Hình 3.14: Đăng ký email để nhận firmware ............................................................50
Hình 3.15: Lựa chọn tính năng cần thiết cho module ...............................................51

9


Hình 3.16: Thông báo xác nhận việc xây dựng firmware .........................................51
Hình 3.17: Download firmware ................................................................................52
Hình 3.18: Quá trình biên dịch Docker kết thúc .......................................................53
Hình 3.19: Kiểm tra và lấy file firmware đã được biên dịch ....................................54
Hình 3.20: Chọn vị trí lưu trữ máy ảo .......................................................................54
Hình 3.21: Nhập file máy ảo ESP8266_lubuntu_20141021 .....................................55
Hình 3.22: Chạy máy ảo............................................................................................55
Hình 3.23: Đăng nhập vào máy ảo ............................................................................56
Hình 3.24: Lựa chọn thư mục Shared .......................................................................56
Hình 3.25: Chạy file gen_misc.sh .............................................................................57
Hình 3.26: Thông báo thực hiện 5 bước chọn thông số cho firmware ....................58
Hình 3.27: Thông báo biên dịch thành công firmware .............................................58
Hình 3.28: Module USB-TTL và sơ đồ chân ............................................................59


11


LỜI NÓI ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong bối cảnh ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ điện tử,
công nghệ thông tin và truyền thông, xu thế IoT (Internet of Things) đã tạo động lực
thúc đẩy mạnh mẽ cho việc chế tạo nhiều nền tảng phần cứng cho phép phát triển hệ
thống điều khiển, giám sát thông qua mạng hay mạng không dây.
Đối với các hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà cũ sử dụng các chuẩn
truyền thông có dây như DALI, DMX512 có những nhược điểm như sơ đồ đi dây
phức tạp, khó khăn khi nâng cấp hệ thống cũ…v.v. Vì vậy công nghệ mới sử dụng
các chuẩn truyền thông không dây như Wifi, Zigbee, BLE, Z-wave với những ưu
điểm như tiết kiệm năng lượng, sự đơn giản về bố trí thiết bị được phát triển nhằm
khắc phục những nhược điểm của các chuẩn chiếu sáng cũ. Tuy nhiên với chuẩn Zwave và Zigbee được thiết kế hướng tới để các thiết bị giao tiếp với nhau chứ không
hướng tới giao tiếp với người sử dụng hay BLE là chuẩn Bluetooth mới tuy có
những ưu điểm như hướng tới người sử dụng, cực kì tiết kiệm năng lượng lại có
nhược điểm là mới được đưa vào, không tương thích với Bluetooth cũ nên ít có thiết
bị hỗ trợ. Cùng với xu hướng phát triển của smartphone và các tiện ích mà nó đem
lại chính vì vậy công nghệ không dây Wi-Fi với đặc điểm hướng tới người sử dụng,
sự tương thích giữa các chuẩn 802.11b/g/n, tốc độ cao…v.v là lựa chọn tối ưu làm
chuẩn không dây để giao tiếp với người dùng điều khiển hệ thống chiếu sáng.
2. Mục đích của đề tài
Thiết kế cầu Wi-Fi/Zigbee – tạm gọi là Wi-Fi Gateway. Thiết kế Wi-Fi
Gateway này đơn giản, hoạt động hiệu quả để nhận dữ liệu điều khiển từ người
dùng qua Wi-Fi sau đó truyền đi điều khiển thiết bị bằng các chuẩn không dây như
Zigbee. Bằng các kịch bản được chuẩn bị trước cho hoạt động của thiết bị sẽ giải
thích được nguyên lý làm việc, ưu và nhược điểm của bộ điều khiển chiếu sáng WiFi Gateway.
3. Bố cục của đề tài

đưa ra phương án chế tạo bộ điều khiển phù hợp

13


CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ
1.1. Giới thiệu về điều khiển chiếu sáng
Trong một tòa nhà, cùng với hệ thống điều hòa không khí và thông gió
(HVAC) thì hệ thống chiếu sáng luôn là một trong 2 hệ thống tiêu tốn nhiều năng
lượng nhất. Trung bình khoảng 20-40% năng lượng của một tòa nhà là giành cho
chiếu sáng. Ở Mỹ và nhiều nước phát triển, việc triển khai hệ thống lighting control
gần như là bắt buộc trong mọi tòa nhà thương mại. Quản lý năng lượng hiệu quả
trong chiếu sáng cùng với nhu cầu giải trí và thẩm mĩ của con người ngày càng tăng
đã đặt ra hai bài toán:
- Chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.
- Đòi hỏi áp dụng công nghệ kỹ thuật tiên tiến để ánh sáng trình diễn theo ý
muốn.
Để giải quyết hiệu quả hai bài toán trên người ta đang hướng đến việc quản lý
tập trung, liên kết các hệ thống riêng này thành một thể thống nhất. Chính vì thế
lighting control cũng được phát triển theo hướng ứng dụng thiết lập mạng và tích
hợp vào hệ thống quản lý tòa nhà cùng với nhiều hệ thống khác. Đây là một đặc
trưng hiện đại và cũng là ưu điểm của lighting control so với hệ thống thông
thường. Để thiết lập mạng điều khiển chiếu sáng có hai phương pháp là sử dụng các
chuẩn chiếu sáng có dây và các chuẩn chiếu sáng không dây.
1.2. Chuẩn chiếu sáng có dây
Trước những năm 90, phần lớn các chuẩn trong các hệ thống tự động hóa tòa
nhà nói chung và điều khiển chiếu sáng nói riêng đều dựa trên giao thức có bản
quyền của từng hãng sản xuất. Thậm chí, đến nay một số hãng có tên tuổi vẫn sử
dụng các chuẩn của riêng mình như JCI (N2-Metisys), Honeywell, Lutron, GE, PCI.
Dưới đây là các giao thức hỗ trợ của một số hãng sản xuất thiết bị chiếu sáng. Theo

Douglas Lighting Controls LONworks
Inc

5

MagneTek

Lighting 0-10VDC, DMX512, DALI

Products Group
6

Siemens

Building BACnet, MODbus, LONworkds, DMX512

Technologies Ltd
7

IBECS

1-Wire

Phần dưới đây trình bày một số giao thức có dây thường gặp trong điều khiển
chiếu sáng.
1.2.1. DALI
a. Giới thiệu
DALI hay Digital Addressable Lighting Interface là một chuẩn chuẩn điều
khiển hệ thống chiếu sáng bằng kỹ thuật số. Với hệ thống điều khiển chiếu sáng
theo tín hiệu DALI, các bộ đèn có thể đánh địa chỉ và được điều khiển riêng rẽ.

DMX là viết tắt của Digital Multiplex, là kỹ thuật truyền tín hiệu cho những
thiết bị kỹ thuật số có thể được truyền qua dây cáp. Nó chính là giao thức chung
dùng để điều khiển thiết bị đèn sân khấu hay các loại đèn kỹ xảo trên toàn thế giới.
DMX512 là 1 tiêu chuẩn truyền thông kỹ thuật số được sử dụng để kết nối những
bộ vi xử lý điều khiển ánh sáng. Nó sử dụng cáp truyền dữ liệu đặc biệt để truyền
thông tin đến các thiết bị chiếu sáng (Dimmers, thay đổi màu sắc, điều khiển
Spotlights từ xa,....)
DMX512 sử dụng connector gồm 5 chân là:
Chân 1: Signal Common

16


Chân 2: data 1Chân 3: data 1+
Chân 4: data 2Chân 5: data 2+

Hình 1.2: XLR5 connector
b. Đặc điểm
- Số lượng thiết bị không quá 32 thiết bị trên 1 bus.
- Số kênh: 512
- Tốc độ truyền dữ liệu: 250kbit/s.
- Điện áp làm việc 6VDC mỗi chân, 250mA.
- Khoảng cách không quá 1.200m
c. Sơ đồ kết nối

Hình 1.3: Sơ đồ kết nối giao thức DMX521
Mỗi một mạng lưới gồm một bộ điều khiển DMX512 – là master, ngoài ra nó
còn có một hay nhiều Slave Device. Mỗi một Slave Device có một cổng DMX512
IN và một OUT. Các bộ điều khiển chỉ có một kết nối OUT được kết nối với Slave
Device đầu tiên

ZigBee là một tiêu chuẩn mở toàn cầu được xây dựng trên chuẩn IEEE
802.15.4 MAC/PHY. ZigBee định nghĩa một lớp mạng ở trên những lớp của
802.15.4 để hỗ trợ khả năng nâng cao định tuyến mạng lưới. Chuẩn ZigBee 1.0
được phê chuẩn vào ngày 14 tháng 12 năm 2004 và trở thành thành viên của ZigBee
Alliance. Đến nay thì các đặc tính kỹ thuật của ZigBee thì vẫn được bổ sung thêm.
ZigBee ra đời và được phát triển ứng dụng trong các lĩnh vực: nhà tự động (home
automation), năng lượng thông minh (smart energy) các ứng dụng viễn thông và
giám sát y tế.
1.3.2. Cấu trúc của giao thức ZigBee
IEEE 802.15.4 và liên minh ZigBee đã liên kết chặt chẽ để xác định một bộ
giao thức stack. IEEE 802.15.4 tập trung vào các đặc điểm kỹ thuật của hai lớp thấp
hơn (lớp vật lý và lớp dữ liệu) dành cho các ứng dụng WPAN tốc độ thấp. IEEE
802.15.4 đi sâu phần chi tiết về đặc điểm kỹ thuật của lớp PHY và MAC bằng cách
xây dựng các kiến trúc khối cho các loại mô hình mạng khác nhau như sao, cây và
hình lưới. Các kỹ thuật định tuyến trong mạng được thiết kế sao cho phải đảm bảo
duy trì được nguồn năng lượng lâu dài, độ trễ thấp.

Hình 1.5. Cấu trúc giao thức

19


Ngăn xếp ZigBee bao gồm nhiều lớp gồm PHY, MAC, Mạng, lớp ứng dụng
mạng (APS), và lớp đối tượng thiết bị ZigBee (ZDO). Lớp ZigBee thì được thể hiện
trong bản bên dưới.
Lớp ZigBee

Miêu tả

PHY

một mạng là thiết bị có tên FFD (full function device), thiết bị này đảm nhận tất cả
các chức năng trong mạng và hoạt động như một điều phối mạng PAN (personal
area network), ngoài ra còn một thiết bị đảm nhận một số chức năng hạn chế có tên
RFD (reduced function device). Một mạng tối thiểu phải có một thiết bị FFD, thiết
bị này hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN
FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái: là điều phối viên toàn mạng PAN,
điều phối viên một mạng con, hoặc đơn giản chỉ là một thành viên trong mạng.
RFD được dùng cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi lượng lớn dữ liệu.

20


Một FFD có thể làm việc với nhiều RFD hay nhiều FFD nhưng một RFD chỉ làm
việc với một FFD
- ZigBee Coordinator (ZC): Mạng ZigBee luôn luôn chỉ có duy nhất một
thiết bị Coordinator. Nó lựa chọn một kênh và PAN ID (cả 64 bit và 16 bit) để bắt
đầu mạng, có thể cho phép những router và end device tham gia vào mạng, hỗ trợ
trong việc định tuyến dữ liệu. Không ngủ nên là sử dụng nguồn chính.
- ZigBee Router (ZR): Router là một nút ZigBee có đầy đủ tính năng, gửi
thông tin, nhận thông tin, định tuyến thông tin, cho phép các thiết bị khác gia vào
mạng, hỗ trợ trong việc định tuyến dữ liệu. Router phải luôn luôn hoạt động, vì vậy
nó phải được cấp nguồn chính. Một mạng có thể có nhiều router.
- ZigBee End Device (ZED): Nó phải tham gia một ZigBee PAN trước khi nó
có thể truyền hoặc nhận dữ liệu, không thể cho phép các thiết bị khác tham gia vào
mạng. ZED phải luôn luôn truyền và nhận dữ liệu RF qua phụ huynh của nó, không
thể định tuyến dữ liệu. ZED có kết cấu đơn giản và thường ở trạng thái ngủ (sleep
mode) để tiết kiệm năng lượng. Chúng chỉ được "đánh thức" khi cần nhận hoặc gửi
một thông điệp nào đó và có thể cấp nguồn pin.
1.3.4. Cấu trúc liên kết mạng
Trong truyền thông dùng giao thức ZigBee thường hỗ trợ 3 mô hình mạng

Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mạng lưới, trong đó đa số thiết
bị là FFD và những RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một nút rời rạc ở
22


điểm cuối của nhánh cây. Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động như là một
coordinator và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác
vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có quy mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao.
Trong loại cấu hình này mặc dù có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy
nhất PAN coordinator.

Hình 1.8. Cấu trúc mạng hình cây.
1.3.5. Địa chỉ
Tất các thiết bị ZigBee có hai chế độ địa chỉ khác nhau, chế độ địa chỉ 64 bit
và chế độ địa chỉ 16 bit. Đặc trưng của mỗi chế độ địa chỉ được miêu tả như sau:
a. Địa chỉ thiết bị 16 bit
Kiểu dữ liệu này phù hợp với mạng nhỏ, số lượng nút cố định. 16 bit địa chỉ
sử dụng một số hex 16 bit để xác định từng nguồn radio và địa chỉ đích.
b. Địa chỉ thiết bị 64 bit
Địa chỉ 64 bit là một địa chỉ thiết bị duy nhất được ấn định trong lúc sản xuất.
Địa chỉ này là duy nhất cho mỗi thiết bị vật lý. Địa chỉ 64 bit bao gồm 3byte nhận
diện duy nhất (OUI) ấn định bởi IEEE. 5byte còn lại quản lý bởi OEM - tổ chức
quản lý sản xuất. Địa chỉ 64 bit cũng được gọi là địa chỉ mở rộng.
Kiểu dữ liệu này phù hợp với mạng lớn, số lượng nút mở và có thể được thêm
trong tương lai.

23


1.3.6. Truyền dẫn dữ liệu

lượt, các mạng Zigbee đó dựa vào các cổng giao tiếp với Wi-Fi (Wi-Fi Router) để
chuyển tiếp thông tin lên mạng hoặc tới người sử dụng. Chính vì vậy bài toán trong
luận văn đặt ra là thiết kế cầu Wi-Fi/Zigbee hay tạm gọi là Wi-Fi Gateway.

25