Master's Thesis

Distributed Sensor and User Control System in a Smart Home

Final Thesis 4.15 MB

Author of thesis: Bc. Martin Vašička

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Václav Kaczmarczyk, Ph.D.

Reviewer: Ing. Matěj Turinský

Abstract:

This thesis describes the design of an easily expandable, customizable, and secure ecosystem for use in smart homes, capable of connecting both existing and new sensors and control devices. The theoretical section discusses commonly used solutions such as Loxone, the KNX standard, voice assistants, and open-source platforms used to implement modern smart homes. The local wireless communication protocols BLE, Zigbee, and ESP-NOW are described in detail, as well as the MQTT and HTTP protocols used in the application layer. Based on the theoretical analysis, a design was created and a prototype architecture was implemented using the ESP-NOW protocol at the lowest layer of end devices. Furthermore, MQTT is used for data transmission from the local control unit to the master system, and HTTPS is used for remote access via a mobile application, implemented through the master system. The entire ecosystem is designed with an emphasis on security and potential threats, which are described using the STRIDE method.

Keywords:

Smart home, security, Loxone, KNX, open-source platforms, BLE, Zigbee, ESP-NOW, MQTT, HTTPS, STRIDE, mobile apps, sensors, control unit

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student obhájil diplomovou práci s výhradami. V rámci obhajoby dokázal přesvědčit komisi o správnosti svých postupů a navrženého řešení. V průběhu odborné rozpravy reagoval na dotazy: Na jakou částku vychází Vámi navrhované řešení? V čem je přidaná hodnota Vašeho řešení. Provedl jste analýzu, zda má toto řešení potenciál z hlediska využití baterií?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Cybernetics, Control and Measurements (MPC-KAM)

Composition of Committee

prof. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc. (předseda)
doc. Ing. Václav Kaczmarczyk, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Jakub Dokoupil, Ph.D. (člen)
Ing. Zdeněk Havránek, Ph.D. (člen)
Ing. Karel Horák, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Jirgl, Ph.D. (člen)

V rámci své diplomové práce se student zabýval návrhem a realizací distribuovaného systému pro sběr dat ze snímačů a ovládání prvků inteligentní domácnosti. Na základě analýzy existujících řešení a komunikačních standardů navrhl vícevrstvou architekturu systému, která zahrnuje koncová zařízení, lokální řídicí jednotku, nadřazený systém a uživatelské rozhraní, přičemž se věnoval také bezpečnostním aspektům řešení s využitím metodiky STRIDE. Součástí práce byla i praktická implementace prototypu s využitím mikrokontrolerových platforem ESP32 a vytvoření uživatelského ovládání jak na lokální řídicí jednotce, tak prostřednictvím mobilní aplikace.

Student dobře zvládl praktickou část, kde navrhl a zprovoznil funkční prototyp propojující snímače prostředí, čidlo přítomnosti a intenzity osvětlení, lokální řídicí jednotku i mobilní aplikaci. Pozitivně hodnotím  snahu o systematický návrh architektury, začlenění bezpečnostního pohledu do návrhu systému, realizaci komunikace mezi jednotlivými vrstvami a ověření funkčnosti včetně provozních a chybových stavů. Dále student navrhl mobilní aplikaci. Celkově je z práce zřejmá snaha navrhnout řešení jako modulární a dále rozšiřitelné.

Z pohledu nedostatků je potřeba zmínit zejména slabší úroveň některých částí teoretické a rešeršní části práce. Místy jsou využity nepřesné nebo terminologicky nevhodné formulace, práce obsahuje také  faktické chyby vzniklé pravděpodobně nepřesnou interpretací zdrojů, méně přesvědčivé zhodnocení vybraných existujících řešení a slabší práci s literaturou a citacemi v některých pasážích. Určitým nedostatkem je rovněž nižší přehlednost části implementace z hlediska struktury programového kódu a některé formální nedostatky textu.

Student pracoval samostatně, přiměřeně využíval konzultací. Při řešení postupoval aktivně, připomínky vedoucího průběžně reflektoval a zapracovával do dalšího postupu řešení. Zadání práce považuji za splněné.

Práci a přístup studenta hodnotím známkou C, 78 bodů. Points proposed by supervisor: 78

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Ing. Matěj Turinský

Práce se zabývá návrhem a realizací platformy umožňující sběr dat ze snímačů a ovládání prvků v rámci inteligentní domácnosti.
První kapitola textu práce popisuje existující řešení pro automatizaci budov. Konkrétně komerční řešení firmy Loxone, otevřený certifikovatelný standard KNX, možnosti využití hlasových asistentů (např. Amazon Alexa) a jejich open-source alternativy pro domácí automatizace pomocí platforem jako Home Assistant a Node-RED. V závěru první kapitoly pak student tyto přístupy porovnává. Hodnocení shrnuté v tabulce 2 však působí neobjektivně, kvůli chybějícím definicím hodnotících kritérií a relevantním zdrojům. Samotný popis jednotlivých systémů místy obsahuje faktické nedostatky způsobené špatným překladem citovaných zdrojů (např. parita vs. kontrolní součet u KNX telegramu) a nijak blíže nenavazuje na zbytek práce.
Druhá kapitola popisuje komunikační standardy využívané v rámci inteligentních domácností. Popis se věnuje výhradně bezdrátovým technologiím, kterými jsou Bluetooth Low Energy, Zigbee a ESP-NOW. Následuje popis protokolů MQTT a HTTP a celkové srovnání popsaných standardů. Popis ale opět obsahuje faktické chyby (např. označení „advertising“ BLE paketů jako reklamní). Tato část rešerše je pro práci relevantnější, ale mohla by obsahovat širší přehled komunikačních standardů a technologií vhodných pro IoT jako například Thread či LoRa/LoRaWAN.
V následujících kapitolách již práce definuje požadavky na systém na jejichž základě následně navrhuje architekturu systému. Tento návrh následně v souladu se zadáním podrobuje analýze bezpečnostních hrozeb za pomocí metodiky STRIDE, pomocí které jsou popsány nejkritičtější místa z pohledu kybernetické bezpečnosti systému. Lehce zavádějící je v této části práce nejednoznačný význam zkratek MAC (Media Access Control address vs. Mandatory Access Control vs. Message Authentication Code). Další text práce se již věnuje samotné implementaci a otestování funkčnosti na prototypu s využitím mikrokontrolerů ESP-C6 pro obsluhu jednotlivých snímačů (teploty, relativní vlhkosti, atmosférického tlaku, intenzity osvětlení a pohybové PIR čidlo) a ESP-S3 pro vizualizaci a ovládání systému skrze dotykový displej. V této části je práce věcná a jako mírný nedostatek lze považovat pouze chybějící vývojový diagram pro program mikrokontroleru ESP-S3. Samotné implementaci programů pro mikrokontrolery lze vytknout struktura a přehlednost kódu, kdy je veškerá funkcionalita implementovaná v souborech “main.cpp“ až na vizualizaci, ke které bylo použita knihovna LVGL. Druhou možností vizualizace a ovládání systému je mobilní aplikace, kterou lze považovat za práci nad rámec zadání.
Po formální stránce je text práce spíše průměrný. Důvodem jsou už uvedené nedostatky v překladu a místy nevhodný slovosled (např. kapitoly 2 a 2.1). Vytknout by se také dal způsob citování a práce s literaturou (např. kapitola 1.3.1 a 1.3.2).
I přes uvedené nedostatky se student dokázal dostatečně zorientovat v dané problematice a prezentovat výsledky implementace na zjednodušeném prototypu navržené architektury inteligentní domácnosti. Do obhajoby doporučuji zahrnout ukázku funkčnosti vytvořeného prototypu.
Celkově práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení 76 bodů (C). Topics for thesis defence:
  1. 2) Nebylo by vhodnější pro programování mikrokontrolerů ESP32 použití frameworku ESP-IDF namísto Arduino?
  2. 1) Byli pro práci uvažovány i jiné platformy jako například STM32WB nebo Nordic nRF, které mají obecně nižší spotřebu než ESP32?
  3. 3) Je pro detekci pohybu a měření intenzity osvětlení opravdu nutné neuspávat mikrokontroler, jak uvádíte v kapitole 6.1.2, i když použitý PIR čip STHS34PF80 podporuje generování signálu přerušení a intenzita osvětlení negeneruje žádné pro řízení kritické změny?
  4. 4) Jakým způsobem je připojený dělič napětí pro měření stavu baterie a nemůže jeho zapojení ovlivnit její výdrž?
Points proposed by reviewer: 76

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová