Thiết kế mạng iot cho nhà thông minh sử dụng phần mềm packet tracer

Báo cáo này được tổ chức như sau: phần đầu là phần mở đầu, phần thứ hai một phần tập trung vào các công cụ mô phỏng theo dõi gói tin cisco, phần thứ ba của luận án là về triển khai nhà t

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌ C CÔNG NGHI P HÀ N I Ệ Ộ

-

ĐỒ ÁN HOÀN THÀNH H C KÌ ỌNGÀNH M NG MÁY TÍNH VÀ TRUY N THÔNG D Ạ Ề Ữ LIỆU

THIẾT KẾ VÀ THỰ C THI M NG IoT CHO NHÀ THÔNG MINH Ạ

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án tốt nghi p này, em xin chân thành g i lệ ử ời cảm ơn đến giảng viên TS Tống Văn Luyên, người đã tận tình hướng dẫn, định hướng cho em đi theo s ự hiểu bi t và kh ế ả năng của mình cũng như tạo điều kiện giúp

đỡ em trong suốt quá trình h c t p và hoàn thành tọ ậ ốt để tài được giao

Em cũng xin chân thành cảm ơn đến toàn th ể thầy cô trong Trường Đại học Công Nghi p Hà N i nói chung và các thệ ộ ầy cô trong khoa Điệ ửn t nói riêng- Những người đã giảng dạy cho em những kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuy t v ng vàng ế ữ Trong quá trình làm đồ án, kiến thức của em vẫn còn hạn chế và nhiều bờ ngỡ Do v y, nh ng thiậ ữ ếu sót là điều ch c ch n không th tránh kh i, em rắ ắ ể ỏ ất mong nhận được những ý kiến đóng góp của th y cô và các bầ ạn để kiến thức của em được hoàn thiện hơn

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đặc biệt là các thành viên trong nhóm 10 đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ và hỗ trợ

em trong su t quá trình h c tố ọ ập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nam, ngày tháng năm 2021 Sinh viên thực hiện

NHÓM 10

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii, iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 2

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG IoT1: 4

1.1 Giới thiệu về mạng máy tính 4

1.2 Định nghĩa IoT 5

1.3 Quá khứ và sự tiến hóa của IoT 5

1.4 Ứng dụng IoT 7

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ CISCO PACKET TRACER 9

2.1 Tổng quan về Cisco Packet Tracer 9

2.2 Không gian làm việc 9

2.3 Các chế độ 10

2.4 Cấu hình thiết bị 11

2.5 Các giao thức hỗ trợ Cisco Packet Tracer 12

2.6 Cisco Packet Tracer và IoT 13

CHƯƠNG 3: NHÀ THÔNG MINH 15

3.1 Tổng quan về nhà thông minh 15

3.2 Thiết kế nhà thông minh 16

3.2.1 Kết nối thiết bị với Homegateway 17

3.2.2 Tự động hóa các thiết bị IoT 18

3.3.2.1 Tự động mở đóng quạt trần và cửa sổ dựa theo nhiệt độ 18

3.3.2.2 Tự động dò khói để mở cửa và dập lửa 20

3.3.2.3 Tự động tăng giảm nhiệt độ phòng theo nhiệt độ môi trường 21

3.3.2.4 Tự động bật tắt đèn phòng khi có tín hiệu người ra/vào 22

3.3.2.5 Tự động dò khói trong phòng ngủ 22

KẾT LUẬN 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

PHỤ LỤC 26

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

IoT Internet of things Mạng lưới vạn vật kết nối

bản NTP Network Time Protocol Giao thức đồng bộ thời gian

mạng SCCP Signaling Conection

Control Part

Phần điều khiển báo hiệu

FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tập tin API Application Programming

Interface

Giao diện lập trình ứng dụng

IoE Internet of Everything Mạng lưới Internet vạn vật MCU Multipoint Control Unit Thiết bị điều khiển đa điểm

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Dự đoán của Cisco về các thiết bị được kết nối 6

Hình 2: Ứng dụng IoT .8

Hình 3: Giao diện gói Cisco Packet Tracer 9

Hình 4: Bộ định tuyến 10

Hình 5: Tab giao diện dòng lệnh của Cisco Packet Tracer 11

Hình 6: Tab cấu hình Cisco P ket Tracer ac 11 Hình 7: Các giao thức hỗ trợ 12

Hình 8: Các thiết bị thông minh trong Cisco Packet Tracer 13

Hình 9: Nhà thông minh 14

Hình 10: Các thiết bị và chức năng 15

Hình 11: Cấu trúc liên kết mạng 16

Hình 12: Kết nối với Homegateway 18

Hình 13: Tự động hóa dựa theo nhiệt độ 18

Hình 14: Tự động dò khói, mở cửa và dập lửa 20

Hình 15: Tự động hóa tăng giảm nhiệt độ dựa theo môi trường 20

Hình 16: Tự động tắt mở đèn chuyển động của người 21

Hình 17: Tự dộng thông khói 21

MỞ ĐẦU

❖ Lý do chọn đề tài:

Từ vài năm nay, cụm từ IoT (Internet of Things) được xuất hiện khá phổ

biến ở Việt Nam cũng như trên thế ới và IoT đang trở thành làn sóng mạnh gi

mẽ của cuộc cách m ng công nghiạ ệp 4.0 IoT không chỉ mang đến cho mọi người một cái nhìn lớn hơn, đầy đủ hơn về những công nghệ, ng d ng của ứ ụtương lai, mà còn đem đến tiềm năng ứng dụng thực sự đáng kinh ngạc Hiện tại, trên th ế giới, chưa có định nghĩa thống nhất v ề IoT, nhưng có thể hiểu theo một cách khái quát là m i vọ ật đều có th k t n i v i nhau thông qua Internet ể ế ố ớVới IoT người dùng có thể kiểm soát đồ vật của mình qua một thiết bị thông minh như máy tính xách tay, điện thoại di động hay máy tính bảng Và nó là một ph n vô cùng h u ích cho cu c s ng sau này và s phát tri n cầ ữ ộ ố ự ể ủa đất nước

để ế ti n thêm một bước sánh với các cường quốc

Là những sinh viên chuyên ngành M ng máy tính và Truy n thông d ạ ề ữliệu của Trường Đại học Công Nghi p Hà Nội cùng v i s nhận th c v tệ ớ ự ứ ề ầm quan trọng đó, em đã làm việc nghiêm túc và v n d ng nh ng ki n thậ ụ ữ ế ức đã

học hỏi được để chọn” Thiết k m ng IoT cho nhà thông minh s d ng ế ạ ử ụ

phần m m Packet Tracerề “làm tài h c t p, thi t k cho h c kì u tiên đề ọ ậ ế ế ọ đầcủa nhóm chúng em t i ạ trường

❖ Mục tiêu của đề tài

➢ Các thi t bế ị trong nhà được k t n i không dây vào m t b Home Gateway và ế ố ộ ộ

có khả năng hoạt động theo sự điều khi n cể ủa con người thông qua internet Ngoài ra các thi t b này có th tế ị ể ự điều ch nh chỉ ế độ hoạt động d a trên s ự ựthay đổi các thông s cố ủa môi trường, nhiệt độ, ánh sáng, khí CO2 theo ch ế

độ ự độ t ng

➢ Rèn luy n k ệ ỹ năng làm việc nhóm, thuyết trình

➢ Rèn luyện kĩ năng giao tiếp và làm báo cáo

CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG IoT1:

1.1 Giới thi u v m ng máy tính ệ ề ạ

Mạng máy tính được coi là rất phức tạp, khó thực hiện và vận dụng Hơn nữa, với công nghệ IoT, nơi chúng kết nối mọi loại các thiết bị trên ta Internet như máy lạnh, quạt, vvv S ự phức tạp này trở nên thậm chí cao hơn Nhiều tài liệu cho thấy thực sự có 13 tỷ thiết bị IoT được kết nối với Internet và có khả năng con số này sẽ tăng lên đến 30 tỷ trong ba năm tới

Sự phức tạp của mạng IoT sẽ mang lại cho sinh viên thời gian để học và hiểu cách thức hoạt động của công nghệ này Do đó, điều rất quan trọng là phải cung cấp mạng học tập và các công cụ thực hành, nơi sinh viên có thể mô phỏng hoặc xây dựng và quản lý hệ thống để hiểu rõ hơn về triết lý đằng sau các mạng

Các công cụ mô phỏng mạng được sử dụng để kiểm tra xem mạng sẽ hoạt động như thế nào trước khi được cài đặt vật lý Có nhiều công cụ để mô phỏng mạng: NS-2, TOSSIM, OMNeT ++, J-Sim, Avrora và một số công cụ phổ biến của Cisco Packet Tracer

Trình theo dõi gói của Cisco là một phần mềm mạnh mẽ do Công ty Cisco tạo ra để mô phỏng ảo mạng, đặc biệt là mạng không dây Trình theo dõi gói của Cisco cung cấp một môi trường nơi thiết bị trông giống như thực tế và điều này rất quan trọng đối với người dùng, đặc biệt là sinh viên Họ có thể giám sát và tương tác với các thiết bị không dây và IoT khác nhau trong môi trường ảo trước khi làm việc trong thời gian thực

Làm việc với các công cụ mô phỏng để tìm hiểu cách mạng hoạt động mang lại cho chúng ta cả thời gian và vật liệu lợi thế và giúp giảm chi phí trong giáo dục Báo cáo này được tổ chức như sau: phần đầu là phần mở đầu, phần thứ hai một phần tập trung vào các công cụ mô phỏng theo dõi gói tin cisco, phần thứ ba của luận án là về triển khai nhà thông minh với trình theo dõi gói Cisco,

và phần cuối cùng là kết luận và nghiên cứu trong tương lai

1.2 Định nghĩa IoT

IoT đề cập đến ý tưởng về sự vật (đối tượng), có thể đọc được, có thể nhận biết, định vị, có thể xác định địa chỉ thông qua các thiết bị cảm biến thông tin (cảm biến) và có thể kiểm soát thông qua nternet Mọi thứ là các đối tượng Ivật lý có số nhận dạng duy nhất, có thể truyền dữ liệu qua mạng Ví dụ về các đối tượng vật lý bao gồm xe cộ, điện thoại thông minh, thiết bị gia dụng, đồ chơi, máy ảnh, dụng cụ y tế và hệ thống công nghiệp, động vật, con người, tòa nhà, vvv

IoT là một công nghệ tiên tiến và mang tính cách mạng mới, nơi mọi đối tượng trở thành đối tượng thông minh và nơi họ có thể truyền đạt thông tin về bản thân mà không có sự can thiệp của con người Internet of Things được kỳ vọng

sẽ tạo ra một thay đổi lớn trong cuộc sống của chúng ta; nó sẽ giúp chúng ta thực hiện nhiệm vụ và công việc của mình một cách tốt hơn

1.3 Quá khứ và s ti n hóa c a IoT ự ế ủ

Ý tưởng đầu tiên về IoT bắt đầu từ các máy bán hàng tự động của Coca Cola vào năm 1980 tại Carnegie, Đại học Melon, sinh viên khoa hoa học Kmáy tính cài đặt thiết bị chuyển mạch siêu nhỏ vào máy để xem liệu các thiết

bị làm mát có giữ cho đồ uống đủ lạnh hay không và nếu đã có sẵn lon coca trong máy qua internet Phát minh đầu tiên này khuyến khích các nghiên cứu sâu hơn về máy móc kết nối Cuối năm 1990, với giao thức TCP/ IP John, lần đầu tiên Romkey kết nối máy nướng bánh mì với Internet

Năm 1991 tại Đại học Cambridge, nhà khoa học đã phát triển một hệ thống kiểm tra lượng cà phê có sẵn trong máy pha cà phê Ý tưởng là sử dụng Webcam để chụp ảnh cà phê pot ba lần một phút và gửi đến máy tính cục bộ đặt trong phòng thí nghiệm của họ để mọi người có thể thấy lượng cà phê Năm 1991, Kevin Ashton giới thiệu khái niệm về Internet vạn vật (IoT) trong một bài thuyết trình giấy cho Procter & Gamble Trong bài thuyết trình, anh ấy giải thích nternet vạn vật như một công nghệ kết nối các thiết bị Sử I

dụng RFID (tần số vô tuyến và nhận dạng) ông nghệ Năm 2008, các nhà c

khoa học từ 23 quốc gia đã được tập hợp lại tại Thụy Sĩ trong cuộc thi quốc tế

đầu tiên hội thảo trên IoT, để thảo luận về RFID, không dây tầm ngắn mạng

truyền thông và cảm biến Năm 2010 là sự ra đời thực sự của Internet vạn vật

theo Cisco vì số lượng các thiết bị được kết nối với nhau Họ cũng nói rằng số

lượng thiết bị được kết nối với nhau đã vượt qua số lượng người trên trái đất

Trong năm 2015, số lượng thiết bị được kết nối đã vượt quá số lượng người

một cách đáng kể Chúng ta có thể thấy trong hình trên rằng trong năm nay

(2020) họ là 50 tỷ và dân số thế giới là 7,6 tỷ người Điều này cho thấy rằng

số lượng thiết bị được kết nối là gấp sáu lần số lượng con người

Mong rằng trong tương lai, vạn vật sẽ có thể kết nối với nhau Những điều

không chỉ bao gồm các thiết bị điện tử mà còn cả sách, giày dép, thực phẩm,

nước, vvv

Hình 1: Dự đoán của Cisco về các thiết bị được kết nối

(Nguồn: Cisco- the internet of things How the nest evolution of the internet is

changing everythings)

1.4 Ứng d ng IoT ụ

❖ IoT là công nghệ sẽ tạo ra ảnh hưởng lớn trong cuộc sống của chúng ta Công

nghệ này đang sử dụng trong nhiều lĩnh vực, ví dụ như nông nghiệp, chăm sóc sức khỏe năng lượng, giao thông vận tải và nhiều hơn

Trong phần này, tôi sẽ mô tả một số ứng dụng trong thế giới thực của IoT: IoT được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp để cải thiện năng suất và hiệu suất

Ví dụ, các thiết bị IoT có thể được sử dụng để theo dõi và kiểm soát quá trình của nhà máy và để bảo trì; nó có thể được sử dụng để phát hiện sự ăn mòn bên trong đường ống của nhà máy lọc dầu, hoặc dự đoán về sự cố của một số thiết bị để bảo trì dịch vụ trước khi quá muộn

Việc sử dụng IoT trong các ngành công nghiệp sẽ giúp đa dạng của các ngành công nghiệp bao gồm sản xuất, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp ô

tô, v.v để có được hoàn thành công việc một cách dễ dàng

❖ Internet of Medical Things (IoMT):

Ngành y tế sẽ là ngành được hưởng lợi nhiều nhất từ công nghệp IoT IoT trong chăm sóc sức khỏe cho phép các bác sĩ có thể kiểm soát bệnh nhân điều kiện mọi lúc mọi nơi qua mạng để cung cấp giám sát, phân tích và cấu hình từ

xa thông qua các thiết bị thông minh như máy theo dõi nhịp tim và máy tạo nhịp tim Nhiều những thiết bị IoT khác có thể được sử dụng để kiểm soát sức khỏe của chúng ta, chẳng hạn như thiết bị theo dõi thể dục và đồng hồ thông minh, vvv

❖ Những thành phố thông minh:

Thành phố thông minh là thành phố nơi các thiết bị kết nối IoT được sử dụng để điều khiển và giám sát giao thông và cơ sở hạ tầng trong thành phố Các thiết bị IoT cũng có thể được sử dụng trong thành phố thông minh để kiểm soát các lĩnh vực hoặc hoạt động khác trong thành phố thay vì giao thông vận

tải hoặc cơ sở hạ tầng như kiểm soát chất lượng nước hoặc phân tích và giám sát hệ thống năng lượng và nhiều hơn nữa

❖ Nhà thông minh:

Nhà thông minh là ngôi nhà được trang bị các thiết bị thông minh, tủ lạnh, điều kiện không khí, ánh sáng, camera, quạt, bộ điều nhiệt thông minh, khóa cửa, v.v có thể điều khiển và quản lý từ xa thông qua internet bằng điện thoại thông minh hoặc máy tính Khả năng quản lý để quản lý thiết bị gia đình

từ xa cung cấp cho chủ nhà an ninh, thoải mái và thuận tiện Nhà thông minh giúp tiết kiệm năng lượng và tránh một số tai nạn, chủ nhà có thể giám sát từ

xa camera, hệ thống báo động gia đình và hệ thống phát hiện để kiểm tra xem

có bất kỳ vi phạm nào đối với an ninh

❖ Ô tô thông minh:

Xe thông minh là một hệ thống mà tất cả các chức năng của xe có thể được điều khiển từ xa bằng một máy tính hoặc điện thoại thông minh thông minh với việc sử dụng các cảm biến khác nhau Với điều này cụ thể ứng dụng IoT, chúng tôi có thể kiểm tra mức dầu ô tô, nước tản nhiệtvà thậm chí là có khả năng điều khiển xe từ xa

Hình 2: Ứng dụng IoT (Nguồn: researchgate.net)

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ CISCO PACKET TRACER 2.1 T ng quan v Cisco Packet Tracer ổ ề

Trình theo dõi gói của Cisco là một công cụ mô phỏng mạng ảo mạnh mẽ được sử dụng để học và hiểu khái niệm khác nhau trong mạng máy tính Công

cụ được phát triển bởi Cisco để cho phép sinh viên hoặc người dùng để có được kiến thức công nghệ mạng thực tế

Bộ theo dõi gói của Cisco cung cấp cho người dùng / sinh viên thiết kế và

mô phỏng một mạng bằng cách sử dụng ảo các thiết bị như trung tâm, bộ định tuyến, bộ chuyển mạch, vvv Trong trình theo dõi gói Cisco, mô phỏng hoạt động mà không cần có bất kỳ mạng vật lý nào

Hình 3: Giao diện gói Cisco Packet Tracer ( Nguồn: TechinPost- Everything

You Need to Know About Cisco Packet Tracer )

2.2 Không gian làm vi c ệ

Gói tin của Cisco có hai không gian làm việc: một không gian làm việc bình thường và một không gian làm việc logic Không gian làm việc logic cho phép người dùng đặt và kết nối các thiết bị mạng ảo trong khi chế độ xem vật

lý cho biểu diễn đồ họa của các thiết bị mạng ảo

Trong chế độ xem vật lý của các thiết bị, chúng tôi có thể thêm các mô đun

-bổ sung vào một vị trí có sẵn trong như chúng ta thấy trong Hình 4 dưới đây Điều tốt về công cụ mô phỏng cụ thể này là nó cung cấp một môi trường nơi thiết bị giống với thiết bị trong thế giới thực Điều này rất quan trọng vì nó cung cấp cho người dùng khả năng làm quen với các thiết bị trước khi làm việc với thiết bị thực

Hình 4: Bộ định tuyến 2.3 Các ch ế độ

Công cụ cũng cung cấp hai chế độ, đó là chế độ thời gian thực và chế độ

mô phỏng Trong thời gian thực, sinh viên / người dùng có thể thấy rõ cách các thiết bị hoạt động Trong này chế độ, các thiết bị hoạt động như các thiết

bị thực

Mặt khác, chế độ mô phỏng giúp sinh viên / người dùng hiểu được những điều cơ bản khái niệm đằng sau các hoạt động mạng Chế độ này cho phép người dùng xem và kiểm soát thời gian và để trực quan hóa việc truyền dữ liệu qua mạng