Đại học quốc gia hà nội Trường đại học công nghệ X W Hoàng Hồng Hiệu Nghiên cứu giao thức điều khiển thiết bị trong ngôi nhà thông minh Luận văn thạc sỹ Hà Nội - 2005... Đại học quốc
Trang 1Đại học quốc gia hà nội
Trường đại học công nghệ
X W
Hoàng Hồng Hiệu
Nghiên cứu giao thức điều khiển thiết bị trong ngôi nhà thông minh
Luận văn thạc sỹ
Hà Nội - 2005
Trang 2Đại học quốc gia hà nội
Trường đại học công nghệ
X W
Hoàng Hồng Hiệu
Nghiên cứu giao thức điều khiển thiết bị trong ngôi nhà thông minh
Ngành: Kỹ thuật điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc Mã số: 2.07.00
Luận văn thạc sỹ
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS Nguyễn Viết Kính
Hà Nội - 2005
Trang 3Lời cảm ơn
Để hoμn thμnh được bản khoá luận nμy tôi xin chân thμnh cảm ơn Ban giám hiệu nhμ trường, ban chủ nhiệm khoa công nghệ Điện tử - Viễn thông, các thầy cô giáo đã truyền thụ cho tôi những kiến thức bổ ích trong quá trình học tập vμ rèn luyện tại trường
Tôi xin được bμy tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Viết Kính - người thầy đã dμnh nhiều thời gian chỉ bảo, định hướng, giúp đỡ vμ động viên tôi trong suốt quá trình hoμn thμnh bản khóa luận nμy
Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cám ơn của mình tới gia đình, tập thể lớp K9Đ2, tới bạn bè vμ đồng nghiệp những người đã giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình học tập vμ thực hiện bản khóa luận nμy!
Do điều kiện thời gian vμ trình độ còn hạn chế, bản khóa luận khó tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong
được sự quan tâm, đóng góp ý kiến xây dựng của các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp để bản khóa luận được hoμn thiện vμ thiết thực
Học viên Hoμng Hồng Hiệu
Trang 4- 1 - Mục lục
Mục lục
Mục lục 1
Danh mục các chữ viết tắt 3
Danh mục các hình vẽ 5
Mở đầu 7
chương I Tổng quan 9
1.1 Xu hướng phát triển nhà thông minh ở Việt Nam 9
1.2 Xu hướng phát triển nhà thông minh trên thế giới 10
1.3 Mô hình nhà thông minh 12
1.3.1 Làm thế nào để điều khiển tất cả các thiết bị điện trong nhà? 12
1.3.2 Ngôi nhà thông minh sẽ giúp bạn điều gì? 12
1.3.3 Các thiết bị điện trong nhà thông tin liên lạc như thế nào? 13
1.3.4 Có mấy loại mạng máy tính gia đình trong ngôi nhà thông minh? 13
1.3.5 Các mạng này hoạt động với nhau như thế nào? 15
1.4 Tương lai của nhà thông minh 15
Chương ii Giao thức điều khiển mạng máy tính gia đình 17
2.1 Giới thiệu 17
2.2 Những yêu cầu của người dùng với giao thức mạng 18
2.3 Kiến trúc mạng gia đình với giao thức HNCP 19
2.4 Các đặc tính của HNCP 20
2.4.1 Kiến trúc multi - master 21
2.4.2 Mô hình giao thức 4 lớp 21
2.4.2.1 Lớp liên kết dữ liệu 22
2.4.2.2 Lớp mạng 23
2.4.2.3 Lớp ứng dụng 24
2.4.3 Phân loại hệ thống địa chỉ 26
2.4.4 Tập bản tin chuẩn 26
2.4.5 Quản lý mạng 27
2.4.6 Cấu trúc các giao diện device - modem chuẩn 28
2.5 Thực thi HNCP và ứng dụng của HNCP trong mạng gia đình 29
2.5.1 Thực thi HNCP 29
2.5.2 Thực thi hệ thống tự động điều khiển thiết bị nhà sử dụng HNCP 34
2.6 Tóm lại 38
Chương III Phân tích vμ thiết kế hệ thống 40
3.1 Giới thiệu chung 40
3.1.1 Mô tả vấn đề 40
3.1.2 Biểu đồ thiết kế 41
3.2 Các biểu đồ use case 42
3.3 Mô tả các lưu đồ trình tự 43
3.3.1 Lưu đồ trình tự đăng nhập 43
Trang 5- 2 - Mục lục
3.3.2 Lưu đồ trình tự yêu cầu xử lý 44
3.3.3 Lưu đồ trình tự điều khiển thiết bị 46
3.3.4 Lưu đồ trình tự báo cáo 46
3.3.5 Lưu đồ trình tự thực thi cơ sở dữ liệu 47
3.3.6 Lưu đồ trình tự các thiết lập cho thiết bị 48
3.3.6.1 Các thiết lập cho hệ thống giải trí 48
3.3.6.2 Các thiết lập cho lò vi sóng 49
3.3.6.3 Các thiết lập cho hệ thống bảo mật 50
3.3.6.4 Các thiết lập cho hệ thống điều khiển nhiệt độ 52
3.3.7 Lưu đồ trình tự lập biểu 53
3.3.7.1 Thêm lập biểu 53
3.3.7.2 Sửa đổi lập biểu 54
3.3.7.3 Xóa lập biểu 56
3.3.8 Lưu đồ trình tự thêm/xóa thiết bị 57
3.3.8.1 Thêm thiết bị 57
3.3.8.2 Xóa thiết bị 58
3.3.9 Lưu đồ trình tự hiển thị thông tin 59
3.3.10 Lưu đồ trình tự thiết lập các trường hợp khẩn cấp 60
3.4 Biểu đồ lớp 62
3.5 Biểu đồ triển khai 63
Chương IV Kết quả mô phỏng hacs controller 64
4.1 Giới thiệu 64
4.2 Quản trị hệ thống 64
4.3 Mô tả gói phần mềm 65
4.3.1 Cấu trúc hệ thống file 65
4.3.2 Thực thể Login 65
4.3.3 Thực thể Entertainment 66
4.3.4 Thực thể Microwave 66
4.3.5 Thực thể Security 66
4.3.6 Thực thể Temperature 67
4.3.7 Trang chủ index.htm 67
4.4 Giao diện của chương trình 67
4.5 Tóm lại 76
Kết luận 77
Tμi liệu tham khảo 78
Phụ lục 1 Giới thiệu hệ thống ACoMos 80
Phụ lục 2 Unifield Modeling Language (UML) 90
Trang 6- 3 - danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các chữ viết tắt
Viết tắt Đầy đủ ý nghĩa
ACK/NAK Acknowledgment/Negative Acknowledgment Khung báo nhận/Khung hồi ầm
AHL APDU Header Length Độ dài tiêu đề gói tin APDU
AL APDU Length Độ dài gói tin APDU
APDU Application layer Protocol Data Unit Đơn vị gói dữ liệu giao thức lớp ứng dụng
CAL Common Application Language Ngôn ngữ ứng dụng chung
CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra mã d− vòng
CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận sóng mang
CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/Collision
Avoidance
Đa truy nhập cảm nhận sóng mang có tránh xunh đột
DA/SA Destination Address/Source Address Địa chỉ đích/Địa chỉ nguồn
DPDU Datalink layer Protocol Data Unit Đơn vị gói dữ liệu giao thức lớp liên kết dữ liệu DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Chuỗi trải phổ trực tiếp
DTV Digital Television Vô tuyến số
DVR Digital Video Recorder Đầu ghi hình kỹ thuật số
EJB Enterprise Java Bean Công nghệ EJB
FCS Frame Check Sequence Kiểm tra tuần tự khung
HACS Home Appliance Control System Hệ thống điều khiển thiết bị gia đình
HIP HNCP Interface Protocol Giao thức giao diện HNCP
HNCP Home Network Control Protocol Giao thức điều khiển mạng máy tính gia đình HNM HNCP Network Management Quản lý mạng HNCP
IPL Interface data Packet Length Độ dài gói dữ liệu giao diện
IPN Interface data Packet Number Số thứ tự gói dữ liệu giao diện
IPT Interface data Packet Type Kiểu gói dữ liệu giao diện
IT Information Techonology Mạng công nghệ thông tin
J2EE Java 2 Platform Enterprise Edittion Nền chủ J2EE
LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng
Trang 7- 4 - danh mục các chữ viết tắt
LNCP Living Network Control Protocol Giao thức điều khiển mạng máy tính gia đình MAC Media Access Control Điều khiển truy cập môi trường truyền
NHAs Network Home Appliances Các thiết bị trong mạng gia đình
NHL NPDU Header Length Độ dài tiêu đề NPDU
NM Network Management Quản lý mạng
Nopt Network option Tuỳ chọn mạng
NPDU Network layer Protocol Data Unit Đơn vị gói dữ liệu giao thức lớp mạng
NPT Network layer Packet Type Kiểu gói dữ liệu lớp mạng
ODBC Open Database Connectivity Hệ thống kết nối cơ sở dữ liệu mở
OSGi Open Services Gateway initiative Giao thức khởi tạo cổng các dịch vụ mở
OSI International Organization for
Standardization
Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hoá
PC Personal Computer Máy tính cá nhân
PDA Personal Digital Assistant Thiết bị hỗ trợ kỹ thuật số cá nhân
PHY Physical layer Lớp vật lý
PI Packet Information Thông tin gói
PL Packet Length Độ dài gói tin
PLC Power Line Communication Truyền thông qua đường dây điện lực
PN Packet Number Số thứ tự gói tin truyền
PnP Plug and Play Các thiết bị cắm là chạy
PPDU Physical layer Protocol Data Unit Đơn vị gói dữ liệu giao thức lớp vật lý
PV Protocol Version Phiên bản giao thức
RC Retransmission Counter Bộ đếm số lần truyền lại
RMI Remote Method Invocation Gọi phương thức từ xa
Rx/Tx Receiver/Transmitter Khung nhận/Khung phát
SDU Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ
SP Service Priority Mức độ ưu tiên dịch vụ
STX/ETX Start/End of Interface data Trường bắt đầu/Kết thúc của dữ liệu giao diện
TMN Telecommunications Management Network Mạng quản lý viễn thông
UML Unified Modeling Language Ngôn ngữ mô hình hoá thống nhất
UPnP Universal Plug and Play Giao thức cắm là chạy phổ quát
URL Uniform Resource Locator Chuỗi định vị tài nguyên duy nhất
UTD The University of Texas at Dallas Trường đại học của Texas tại Dallas
XML Extension Makup Language Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng
Trang 8- 5 - danh mục các hình vẽ
Danh mục các hình vẽ
Hình 1.1 Khái niệm kết nối mạng máy tính gia đình 13
Hình 1.2 Mô hình hoạt động của các mạng máy tính gia đình 15
Hình 2.1 Kiến trúc mạng gia đình 20
Hình 2.2 Kiến trúc multi - master của HNCP 21
Hình 2.3 Mô hình giao thức của HNCP 22
Hình 2.4 SDU trong phân lớp con MAC của HNCP 23
Hình 2.5 NPDU của lớp mạng trong giao thức HNCP 24
Hình 2.6 Khuôn dạng APDU của lớp ứng dụng trong giao thức HNCP 25
Hình 2.7 Phân loại hệ thống địa chỉ 26
Hình 2.8 Lưu đồ cấu hình mạng 27
Hình 2.9 Ví dụ về hệ thống tự động điều khiển thiết bị nhà 28
Hình 2.10 Khuôn dạng dữ liệu của giao diện device - modem 29
Hình 2.11 Kiến trúc của HNCP 30
Hình 2.12 Qúa trình truyền khung HNCP Tx 31
Hình 2.13 Quá trình truyền khung HIP Tx 32
Hình 2.14 Quá trình nhận khung HNCP Rx 33
Hình 2.15 Quá trình nhận khung HIP Rx 34
Hình 2.16 Cấu trúc toàn bộ hệ thống tự động điều khiển thiết bị nhà 35
Hình 2.17 Sơ đồ khối chức năng của máy chủ gia đình 35
Hình 2.18 Một ví dụ về XML file của điều hoà không khí 37
Hình 3.1 Mô hình tổng quan của hệ thống HACS 41
Hình 3.2 Biểu đồ thiết kế HACS 42
Hình 3.3 Các sơ đồ use case của hệ thống HACS 43
Hình 3.4 Lưu đồ trình tự đăng nhập 44
Hình 3.5 Lưu đồ trình tự yêu cầu xử lý 45
Hình 3.6 Lưu đồ trình tự điều khiển thiết bị 46
Hình 3.8 Lưu đồ trình tự báo cáo 47
Hình 3.9 Lưu đồ trình tự thực thi cơ sở dữ liệu 48
Hình 3.10 Lưu đồ trình tự các thiết lập cho hệ thống giải trí 49
Hình 3.11 Lưu đồ trình tự các thiết lập cho lò vi sóng 50
Hình 3.12 Lưu đồ trình tự các thiết lập cho hệ thống bảo mật 51
Hình 3.13 Lưu đồ trình tự các thiết lập cho hệ thống điều khiển nhiệt độ 53
Hình 3.14 Lưu đồ trình tự lập biểu 54
Hình 3.15 Lưu đồ trình tự sửa đổi lập biểu 55
Hình 3.16 Lưu đồ trình tự xóa lập biểu 57
Hình 3.17 Lưu đồ trình tự thêm thiết bị 58
Hình 3.18 Lưu đồ trình tự xóa thiết bị 59
Hình 3.19 Lưu đồ trình tự hiển thị thông tin 60
Hình 3.20 Lưu đồ trình tự thiết lập các trường hợp khẩn cấp 61
Hình 3.21 Biểu đồ lớp 62
Trang 9- 6 - danh mục các hình vẽ
Hình 3.22 Biểu đồ triển khai 63
Hình 4.1 Cấu trúc file của gói phần mềm 65
Hình 4.2 Giao diện chủ của hệ thống 68
Hình 4.3 Giao diện để login vào hệ thống 68
Hình 4.4 Các tùy chọn của chương trình 69
Hình 4.5 Tạo tài khoản mới cho hệ thống 70
Hình 4.6 Các thiết lập mới cho thiết bị Temperature 70
Hình 4.7 Các thiết lập mới cho thiết bị Security 71
Hình 4.8 Các thiết lập mới cho thiết bị Microwave 71
Hình 4.9 Các thiết lập mới cho thiết bị Entertainment 72
Hình 4.10 Hiển thị các thiết lập hiện tại của thiết bị Temperature 72
Hình 4.11 Hiển thị các thiết lập hiện tại của thiết bị Security 73
Hình 4.12 Hiển thị các thiết lập hiện tại của thiết bị Microwave 73
Hình 4.13 Hiển thị các thiết lập hiện tại của thiết bị Entertainment 74
Hình 4.14 Xóa bỏ các thiết lập hiện tại của thiết bị Temperature 74
Hình 4.15 Xóa bỏ các thiết lập hiện tại của thiết bị Microwave 75
Hình 4.16 Xóa bỏ các thiết lập hiện tại của thiết bị Security 75
Hình 4.17 Xóa bỏ các thiết lập hiện tại của thiết bị Entertainment 76
Phụ lục 1.1 Sơ đồ nguyên lý toàn mạng 81
Phụ lục 1.2 Thiết bị PLC 81
Phụ lục 1.3 Sơ đồ kết nối thiết bị DVR 84
Phụ lục 1.4 Sơ đồ kết nối các thiết bị NAC-3000 86
Phụ lục 1.5 Truyền dẫn IP qua đường E1 sử dụng bộ chuyển đổi E1/IP 86
Phụ lục 1.6 Truyền dẫn IP qua vòng ring sử dụng switch quang 2 cổng GBIC 86
Phụ lục 1.7 Giao diện giám sát các đối tượng logic 88
Phụ lục 1.8 Giao diện giám sát toàn cảnh (dạng bảng) 88
Phụ lục 1.9 Giao diện giám sát trên sơ đồ mặt bằng 89
Phụ lục 1.10 Giao diện giám sát trên lưu đồ điều khiển 89
Phụ lục 2.1 Các hướng nhìn trong UML 91
Phụ lục 2.2 Biểu đồ use case của một công ty bảo hiểm 94
Phụ lục 2.3 Biểu đồ lớp cho một giao dịch tài chính 94
Phụ lục 2.4 Biểu đồ lớp và biểu đồ đối tượng thể hiện của lớp 95
Phụ lục 2.5 Một ví dụ về biểu đồ trạng thái 96
Phụ lục 2.6 Một biểu đồ trình tự cho Print Server 97
Phụ lục 2.7 Một biểu đồ cộng tác của một Print Server 98
Phụ lục 2.8 Một biểu đồ hoạt động cho một Print Server 98
Phụ lục 2.9 Một biểu đồ thành phần và sự phụ thuộc giữa các thành phần mã 99
Phụ lục 2.10 Một biểu đồ triển khai chỉ ra kiến trúc vật lý của hệ thống 100
Trang 10- 7 - mở đầu
Mở đầu
Tôi muốn có một “ngôi nhà thông minh”, như bạn biết, nơi mà tủ lạnh có thể nói chuyện với máy rửa bát và tự động đặt thêm rau quả tại cửa hàng rau trên mạng khi hết rau Vấn đề là, tôi muốn điều này xảy ra ngay lập tức chứ không phải là trong tương lai xa
Với một vài người, hoạt động của một ngôi nhà thông minh chỉ là việc điều khiển một số bóng đèn từ xa, có thể chỉ cần sử dụng công nghệ X10 thông thường Với một số người khác, an ninh sẽ là ứng dụng trung tâm Còn một số thì lại chọn việc cài đặt các bộ điều khiển tiên tiến hay sử dụng hệ thống nhận dạng âm thanh để
điều khiển căn nhà của họ
Với một hệ thống HACS, người ta nói với tôi rằng, tôi có thể điều khiển các thiết bị trong nhà qua mạng mà không phải tốn nhiều chi phí Có lẽ đó là lý do khiến tôi đau đầu để tìm cách kết nối ngôi nhà của mình với một hệ thống cho phép tôi
điều khiển các thiết bị điện gia dụng qua Web Lúc đó, tôi có thể nướng món thịt mà tôi yêu thích tại nơi làm việc xa nhà và khi về đến nhà thì bữa tối đã sẵn sàng Thậm chí, tôi có thể đảm bảo là bếp không bị cháy bằng cách quan sát quá trình nướng qua một camera đặc biệt Việc cài đặt toàn bộ hệ thống “thông minh” này đòi hỏi phải có một giao thức chuẩn HNCP
Còn nhiều cách khác, tuy nhiên tốn kém hơn, có thể làm cho ngôi nhà của bạn trở thành một ngôi nhà “thông minh” Ví dụ, hãng Smart America đã chế tạo ra Thinkbox, cho phép các thiết bị kết nối trong nhà hoạt động được dưới sự điều khiển của “hệ trung ương thần kinh”, nhưng chi phí cho hệ thống như này là hàng ngàn USD Theo nhà phân tích hàng đầu của Forrester Research - Tom Rhinelander thì, những thứ như vậy chỉ dành cho các khách hàng giàu có, còn đối với phần đông dân
số, đó chỉ là những lời quảng cáo xa vời
Việc thêm một hệ thống tự động vào ngôi nhà sẵn có của bạn hiện nay có tính khả thi cao và đơn giản một cách đáng ngạc nhiên Và thị trường về “nhà thông
Trang 11- 78 - tμi liÖu tham kh¶o
Tμi liÖu tham kh¶o
Tiếng Việt
1 TS Dương Khoa Kiều, Tôn Thất Hòa An, Phân tích và thiết kế hệ thống
thông tin theo UML, Giáo trình môn học, ch 3, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí
Minh
Tiếng Anh
2 Abhishek Gupta, Amol Chopra, Syed Waseem Haider (2004), Home
appliance control system - Phase 3, University of Texas at Dallas
3 Abhishek Gupta, Amol Chopra, Syed Waseem Haider (2004), Object oriented
analysis and design of home appliance control system - Phase 1, University of
Texas at Dallas
4 Abhishek Gupta, Amol Chopra, Syed Waseem Haider (2004), Object oriented
analysis and design of home appliance control system - Phase 2, University of
Texas at Dallas
5 Dong-Sung Kim, Jae-Min Lee, Wook Hyun Kwon, and In Kwan Yuh (2002),
"Design and implementation of home network systems using UPnP
middleware for networked appliances", IEEE Transactions on Consumer
Electronics, pp 963-972
6 Dr Lawrence Chung (2003), Home appliance control system diagrams
(HACS) - Project phase I, University of Texas at Dallas
7 Dr Lawrence Chung (2003), Home appliance control system diagrams
(HACS) - Project phase II, University of Texas at Dallas
8 Dr Lawrence Chung (2003), Home appliance control system user manual
(HACS) - Project phase III, University of Texas at Dallas
9 J Jeony, J.M Leey, K.J Myoungy, K.R Leey, W.H Kwony, and B.S Ko,
Design and implementation of the HNCP - UPnP bridge using a virtual device, Seoul National University, LG Electronics Inc., Korea
10 J.M Lee, K.J Myoung, K.R Lee, D.S Kim, and W.H Kwon (2002), “A new home network protocol for controlling and monitoring home appliances -
HNCP”, Proceedings of ICCE 2002, Vol.1, pp 312-313