Luận văn Thạc sĩ Máy tính: Xây dựng hệ thống thông minh giám sát điều kiện môi trường và an ninh phòng máy quy mô lớn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:80

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trên cơ sở được phân công nhiệm vụ quản lý hạ tầng kỹ thuật phòng máy và định hướng của PGS.TS Trần Văn Lăng, đề tài luận văn "Xây dựng hệ thống thông minh giám sát điều kiện môi trường và an ninh phòng máy quy mô lớn" với kì vọng sẽ xây dựng được một sản phẩm thiết thực để tối ưu công tác quản lý phòng máy tại Công ty. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Máy tính: Xây dựng hệ thống thông minh giám sát điều kiện môi trường và an ninh phòng máy quy mô lớn

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- TRẦN TẤN LỘC XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG MINH GIÁM SÁT ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ AN NINH PHÒNG MÁY QUY MÔ LỚN LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH MÁY TÍNH Thành phố Hồ Chí Minh - 2021
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- TRẦN TẤN LỘC XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG MINH GIÁM SÁT ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ AN NINH PHÒNG MÁY QUY MÔ LỚN Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 8480104 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN VĂN LĂNG Thành phố Hồ Chí Minh - 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nội dung trình bày trong luận văn là những kiến thức của tôi tích lũy trong quá trình học tập, làm việc, nghiên cứu. Trong nội dung của luận văn có những phần tôi nghiên cứu, trích dẫn đều nêu trong phần các tài liệu tham khảo, có nguồn gốc, tên tuổi của các tác giả, nhà xuất bản rõ ràng. Những điều tôi cam kết trên đây hoàn toàn là sự thật, nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức xử lý theo quy định. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 06 năm 2021 Học viên thực hiện Trần Tấn Lộc
LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS. Trần Văn Lăng, thầy đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn này. Em cũng xin cảm ơn đến các thầy, cô trong khoa Công nghệ thông tin – Viễn thông của Học viện Khoa học và Công nghệ, các quý thầy cô đã giảng dạy, truyền đạt cho em những hệ thống kiến thức quý báu trong suốt những năm học. Xin gửi lời cảm ơn đến tất cả mọi người bao gồm gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện môi trường, hỗ trợ cũng như đóng góp các ý kiến và động viên tinh thần để tôi có thể hoàn thành được luận văn này. Xin chân thành cảm ơn!
i MỤC LỤC MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT ........................................................................ 2 1.1 LỊCH SỬ VÀ XU THẾ CỦA IOT TRÊN THẾ GIỚI: ...................................... 2 1.2 KHÁI NIỆM IOT: .............................................................................................. 4 1.3 TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG IOT:....................................................................... 7 1.3.1 Công nghiệp và sản xuất:................................................................................ 7 1.3.2 Tiêu dùng: ....................................................................................................... 7 1.3.3 Bán lẻ, tài chính và tiếp thị: ............................................................................ 9 1.3.4 Y tế: .............................................................................................................. 10 1.3.5 Giao thông vận tải và chuỗi cung ứng hàng hóa: ......................................... 10 1.3.6 Nông nghiệp và môi trường: ......................................................................... 11 1.3.7 Thành phố thông minh: ................................................................................. 11 CHƯƠNG 2: CÁC GIAO THỨC TỪ THIẾT BỊ CẠNH BIÊN ĐẾN CLOUD .... 12 2.1 BỘ GIAO THỨC LIÊN MẠNG TCP/IP: ........................................................ 12 2.2 CÁC GIAO THỨC ỨNG DỤNG CHO IOT: .................................................. 13 2.2.1 Giao thức MQTT: ......................................................................................... 13 2.2.2 Giao thức MQTT-SN:................................................................................... 20 2.2.3 Giao thức CoAP:........................................................................................... 22 2.3 TỔNG KẾT: ..................................................................................................... 27 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ............... 28 3.1 TỔNG QUAN: ................................................................................................. 28 3.1.1 Sự cần thiết: .................................................................................................. 28 3.1.2 Các giải pháp giám sát phòng máy: .............................................................. 31 3.2 XÂY DỰNG GIẢI PHÁP: ............................................................................... 37 3.2.1 Sơ bộ phần cứng các khối ............................................................................. 39 3.2.2 Kết nối các giao diện phần cứng, thiết bị:..................................................... 53 3.3 XÂY DỰNG LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ LẬP TRÌNH ................................ 56 3.3.1 Module thu thập dữ liệu từ các cảm biến môi trường .................................. 56 3.3.2 Module kết nối nhận sự kiện từ khối Giám sát ra vào .................................. 56 3.3.3 Module Giám sát an ninh, phát hiện chuyển động ....................................... 57 3.3.4 Module báo cáo trạng thái về Server qua giao thức MQTT ......................... 58 3.3.5 Website cho phép xem và thiết lập thông số để hệ thống kết nối vận hành . 58 3.4 TRIỂN KHAI VÀ THEO DÕI KẾT QUẢ: ..................................................... 62
ii CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN ............................................................. 64 4.1 ĐÁNH GIÁ: ..................................................................................................... 64 4.1.1 Đánh giá kết quả thử nghiệm: ....................................................................... 64 4.1.2 Ưu điểm của hệ thống:.................................................................................. 64 4.1.3 Hạn chế của hệ thống:................................................................................... 64 4.2 KẾT LUẬN: ..................................................................................................... 64 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 71
iii DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG 1: Bảng 1.1. Một số tổ chức, sự kiện, sự vật kết nối với Internet trên thế giới ...............2 Bảng 1.2. Một số thiết bị, sự kiện của Việt Nam ........................................................4 CHƯƠNG 2: Bảng 2.1. Cấu trúc gói tin Connect do client gửi ........................................................18 Bảng 2.2. Cấu trúc gói tin phản hồi Connect do server gửi ........................................18 Bảng 2.3. Cấu trúc gói tin Publish ..............................................................................19 Bảng 2.4. Cấu trúc gói tin Subcribe ............................................................................19 Bảng 2.5. Kết quả thử nghiệm vài thông số giữa hai giao thức CoAP và HTTP .......22 CHƯƠNG 3 Bảng 3.1. Tính năng và thông số kỹ thuật của giải pháp EEM-RTU-01 ....................32 Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của board mạch Raspberry Pi 3B+ ...............................40 Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật bộ điều khiển F18 .........................................................47 Bảng 3.4. Thông số kỹ thuật đầu ghi H264 ................................................................48 Bảng 3.5. Thông số kỹ thuật DHT22 ..........................................................................50 Bảng 3.6. Kết nối chân Pi và DHT22 .........................................................................54 Bảng 3.7. Kết nối chân Pi và DS18B20 ......................................................................54 Bảng 3.8. Kết nối chân PI, AMS1117 và module MQ2 .............................................54 Bảng 3.9. Kết nối chân PI, rờ le và adapter 5VDC .....................................................55
iv DANH MỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG 1 Hình 1.1: Thống kê ứng dụng IoT tại Mỹ ...................................................................4 Hình 1.2: Thống kê chủ đề tìm kiếm trên google liên quan đến IoT ..........................4 Hình 1.3: IoT từ quan điểm nhìn các hệ thống nhúng ................................................5 Hình 1.4: Sự chênh lệch giữa tăng trưởng dân số của con người và tăng trưởng các thứ được kết nối .................................................................................................................7 Hình 1.5: Đồng hồ cho biết vị trí người nhà Weasley trong phim Harry Potter.........8 Hình 1.6: Thiết bị WhereDial của nhà phát triển Jc McKerrell ..................................8 Hình 1.7: Gương thông minh sử dụng board Raspberry Pi ........................................9 Hình 1.8: Ứng dụng IBeacon trong bán lẻ, marketing ................................................9 Hình 1.9: Bảng thông tin tuyến xe bus trực tuyến tại Việt Nam.................................10 CHƯƠNG 2 Hình 2.1: Chồng giao thức mạng TCP/IP ...................................................................13 Hình 2.2: Mô hình MQTT publish-subcribe ...............................................................15 Hình 2.3: Cấu trúc gói tin MQTT ...............................................................................17 Hình 2.4: Mô hình giao tiếp của MQTT-SN ...............................................................21 Hình 2.5: Vai trò của MQTT-SN Gateway ghép và trong suốt ..................................22 Hình 2.6: Mô hình giao tiếp của CoAP .......................................................................24 Hình 2.7: Quá trình gửi lại gói CON trong CoAP ......................................................25 Hình 2.8: RESTful request/reponse nằm trong nội dung của thông điệp CoAP ........25 Hình 2.9: Cấu trúc gói tin CoAP .................................................................................26 Hình 2.10: Ví dụ CoAP Observer ...............................................................................26 CHƯƠNG 3 Hình 3.1: Nhiệt độ trong ngày ở TP. HCM thấp nhất không dưới 23 oC ..................28 Hình 3.2: Điều kiện môi trường của hệ thống CMTS Casa C100G ...........................29 Hình 3.3: Các tủ Rack thiết bị trong phòng máy phân phối tín hiệu mạng HFC........29 Hình 3.4: Sơ đồ mạng cáp HFC .................................................................................30 Hình 3.5: Công tác xử lý sự cố outdoor và chăm sóc khách hàng .............................31 Hình 3.7: Khối sản phẩm EEM-RTU-01 của EMS Việt Nam ....................................32 Hình 3.8: Cấu trúc hệ thống giám sát toàn diện ..........................................................34 Hình 3.9: Giao diện chức năng giám sát Camera IP của Universal Alarm System ....35 Hình 3.10: Mô hình hệ thống giám sát và cảnh báo phòng server ATSCADA ..........36 Hình 3.11: Sản phẩm tủ giám sát và cảnh báo phòng server ATSCADA ..................37 Hình 3.12: Sơ đồ kết nối các khối chức năng trong hệ thống .....................................38 Hình 3.13: Dòng sản phẩm Compute Module 3+ Development Kit ..........................40 Hình 3.14: Board mạch Raspberry Pi 3 B+ ................................................................41 Hình 3.15: Sơ đồ chân cắm board mạch Raspberry Pi 3 B+ ......................................41 Hình 3.16: Giao diện ứng dụng Win32 Disk Imager trên Windows 10 .....................42 Hình 3.17: Giao diện desktop của Pi OS ....................................................................43
v Hình 3.18: Giao diện tương tác dòng lệnh thông qua giao thức SSHvới Putty ..........43 Hình 3.19: Tiện ích cấu hình Raspberry Pi đính kèm trong Pi OS .............................44 Hình 3.20: Cấu hình nâng cao mở rộng bộ nhớ ..........................................................44 Hình 3.21: Mức độ quan tâm các ngôn ngữ lập trình dựa trên từ khóa tìm kiếm Google trends 01/2016-01/2021 ..............................................................................................46 Hình 3.22: Sơ đồ kết nối hệ thống kiểm soát cửa ra vào ............................................47 Hình 3.23: Sơ đồ kết nối hệ thống camera analog ......................................................48 Hình 3.24: Sơ đồ chân các dòng IC DS18B20............................................................49 Hình 3.25: Cảm biến DHT22 ......................................................................................50 Hình 3.26: Minh họa quá trình chuẩn bị gửi dữ liệu giữa MCU với DHT22 .............51 Hình 3.27: Minh họa toàn bộ quá trình truyền dữ liệu giữa MCU và DHT22 ...........52 Hình 3.28: Sơ bộ đặc điểm cấu tạo module MQ-2 .....................................................52 Hình 3.29: Module chuyển mức điện áp 3V3 .............................................................53 Hình 3.30: Module rờ le kích mức thấp 5V DC..........................................................53 Hình 3.31: Kết nối mạch Raspberry Pi với DHT22 ....................................................54 Hình 3.32: Kết nối giao tiếp giữa Raspberry Pi và DS18B20 ....................................54 Hình 3.33: Giao diện trang đăng nhập ........................................................................60 Hình 3.34: Giao diện trang xem thông tin thiết bị ......................................................61 Hình 3.35: Giao diện trang xem trạng thái..................................................................61 Hình 3.36: Giao diện trang cấu hình thông tin phòng máy .........................................62 Hình 3.37: Giao diện trang cấu hình thông tin các thiết bị an ninh ............................62 Hình 3.38: Giao diện trang cấu hình các điều kiện kích hoạt chuông báo .................62
1 MỞ ĐẦU Những năm trước 2009, để thực hiện kết nối Internet tại nhà, công nghệ ADSL được cung cấp bởi nhà mạng VNPT cho phép dữ liệu truyền tải trên đường dây điện thoại hai lõi RJ11 tốc độ chỉ từ vài chục đến vài trăm kbps, cước phí được tính theo lưu lượng sử dụng trên tháng. Từ năm 2009 đến nay, công nghệ truyền dẫn có sự tiến bộ vượt bậc dẫn đến việc nở rộ các dịch vụ Internet cáp quang tốc độ cao với cước phí trọn gói cho cả tháng rẻ hơn rất nhiều so với trước đây. Các công nghệ truyền dữ liệu không dây cũng phát triển từ các thế hệ GPRS đơn thuần đến 2G, 3G và tại thời điểm viết luận văn này, công nghệ 5G đã được phê duyệt thử nghiệm tại TP. Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh. Về công nghệ vi cơ điện, một chiếc máy tính để bàn cồng kềnh sử dụng chip Pentium III tốc độ xử lý 800 MHz, bộ nhớ RAM 256 GB, không có kết nối không dây, có giá nửa lượng vàng vào năm 2008; ngày nay, hàng loạt các máy tính nhúng kích thước gần bằng chiếc thẻ tín dụng như Raspberry Pi, Beagle Bone, … chỉ có giá bằng 20% chỉ vàng; hay các board mạch tích hợp như ESP8266 chỉ vài chục ngàn cũng có đầy đủ các giao diện có dây và không dây như Bluetooth, Wifi cho phép kết nối Internet. Tất cả các công nghệ trên phát triển, kết hợp, hội tụ hình thành nền tảng công nghệ Internet of Things (IoT, vạn vật kết nối), một nền tảng công nghệ cốt lõi trong ba nền tảng thúc đẩy cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 trên thế giới. Công tác tại Công ty TNHH Truyền hình cáp Saigontourist (SCTV), liên doanh giữa Đài truyền hình Việt Nam (VTV) và Tổng công ty Du lịch Sài Gòn (Saigontourist). Đến nay, SCTV là công ty hàng đầu về cung cấp đa dịch vụ truyền thông viễn thông với độ phủ sóng lên đến 57 tỉnh thành, số lượng phòng máy đến thời điểm hiện tại là 174. Thực tế, các khối giám sát điều kiện môi trường và an ninh các phòng máy của SCTV được đầu tư nhỏ lẻ, không đồng bộ giữa các phòng máy trực thuộc chi nhánh SCTV phân vùng quận hay tỉnh. Ngoài ra, các phòng máy cũng thường xuyên không có nhân sự trực do đặc thù công việc xử lý sự cố cũng như khi thực hiện các chiến dịch bảo trì, chăm sóc dịch vụ cho khách hàng. Trên cơ sở được phân công nhiệm vụ quản lý hạ tầng kỹ thuật phòng máy và định hướng của PGS.TS Trần Văn Lăng, đề tài luận văn "Xây dựng hệ thống thông minh giám sát điều kiện môi trường và an ninh phòng máy quy mô lớn" với kì vọng sẽ xây dựng được một sản phẩm thiết thực để tối ưu công tác quản lý phòng máy tại Công ty.
2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT 1.1 LỊCH SỬ VÀ XU THẾ CỦA IOT TRÊN THẾ GIỚI: Thuật ngữ Internet of Things (IoT) có từ năm 1999, được đặt ra bởi những người sáng lập trung tâm Auto-ID ban đầu của MIT, Kevin Ashton vào năm 1999 và sau đó là David L. Brock vào năm 2001 [1]. Tuy nhiên trước đó cũng đã có những mường tượng, hình dung về các vật thể giao tiếp, thông minh ngay cả khi mạng Internet chưa ra đời. Mãi cho đến năm 2000, các thiết bị, things được kết nối với Internet ở hình dạng các máy tính có kích cỡ khác nhau. Ta có bảng sơ lược lịch sử kết nối things với Internet [1] [2], từ đó cho chúng ta thấy Internet không phải chỉ của con người sử dụng (of Person) mà của cả mọi thứ (of Things) (xem Bảng 1.1) Bảng 1.1. Một số tổ chức, sự kiện, sự vật kết nối với Internet trên thế giới Năm Thiết bị/Sự kiện Nguồn tham khảo 1973 Mario W. Cardullo nhận bằng sáng chế cho thẻ US Patent US 3713148 A nhận dạng tần số vô tuyến đầu tiên (RFID) Máy bán nước ngọt của khoa Khoa học máy https://www.cs.cmu.edu/~coke/ 1982 tính trường đại học Carnegie Mellon được kết history_long.txt nối Internet Một chiếc máy nướng bánh mì tại hội nghị IEEE Consumer Electronics 1989 Interop được kết nối Internet Magazine (Volume: 6, Issue: 1, Jan. 2017) HP giới thiệu máy in HP LaserJet IIISi có http://hpmuseum.net/display 1991 khả năng kết nối mạng IP qua giao diện _item.php?hw=350 Ethernet https://www.cl.cam.ac.uk/cof 1993 Máy pha cà phê của Đại học Cambridge fee/qsf/coffee.html được kết nối Internet Công ty General Motors Onstar cho ra đời https://en.wikipedia.org/wiki/ 1996 OnStar dịch vụ chuẩn đoán từ xa https://www.bluetooth.com/a 1998 Tổ chức phi lợi nhuận Bluetooth được hình thành bout-us/our-history LG cho ra đời chiếc tủ lạnh có kết nối https://www.telecompaper.co 1999 Internet đầu tiên (Internet Digial DIOS) m/news/lg-unveils-
3 internetready-refrigerator-- 221266 Những giao diện đầu tiên của dự án Cooltown về máy tính phổ biến ở mọi nơi, https://www.youtube.com/wa 2000 khi đó công nghệ điện toán và truyền thông tch?reload=9&v=U2AkkuIV kết hợp tạo nên trải nghiệm web kết nối V-I cho mọi người, mọi nơi và mọi đối tượng Sản phẩm Bluetooth đầu tiên được giới http://edition.cnn.com/2001/ BUSINESS/asia/04/17/tokyo 2001 thiệu là chiếc điện thoại di động cho phép kết nối Bluetooth của KDDI .kddibluetooth/index.html http://www.itu.int/osg/spu/pu Báo cáo của ITU lần đầu tiên về sự trỗi dậy blications/internetofthings/In 2005 của IoT ternetofThings_summary.pdf Liên minh IP cho các vật thể thông minh (IPSO, năm 2018 đã sát nhập với OMA tạo https://www.ipso- 2008 nên OMA SpecWorks) được thành lập, tập alliance.org trung vào IoT đầu tiên https://omaspecworks.org Định nghĩa về Smart Lighting hình thành https://www.bu.edu/smartlig 2010 sau thành công của bóng đèn LED bán dẫn hting/files/2010/01/BobK.pdf hay LED trạng thái rắn (Solid-State Led). https://developer.apple.com/i beacon/Getting-Started-with- Apple tạo ra giao thức iBeacon cho việc iBeacon.pdf 2014 báo hiệu https://en.wikipedia.org/wiki/ IBeacon Các ứng dụng IoT ngày nay được quan tâm nhiều thông qua các ứng dụng trong các lĩnh vực tăng vọt (https://www.ipwatchdog.com) cũng như từ khóa này được quan tâm nhiều trên Google (https://trends.google.com) những năm gần đây (Hình 1.1, 1.2).
4 Hình 1.1: Thống kê ứng dụng IoT tại Mỹ Hình 1.2: Thống kê chủ đề tìm kiếm trên google liên quan đến IoT Tại Việt Nam, tuy chưa thể theo kịp những nước đã phát triển nhưng IoT cũng đã có những bước tiến đáng kể trong nghiên cứu và ứng dụng với một số sự kiện đáng lưu ý [3] như Bảng 1.2. Bảng 1.2. Một số thiết bị, sự kiện của Việt Nam Nguồn tham khảo Năm Thiết bị/Sự kiện Bộ Thông tin và Truyền thông đã xây dựng 2019 bản dự thảo về "Thuật ngữ và định nghĩa https://mic.gov.vn cho Internet vạn vật" Nền tảng IoT thương mại của Việt Nam có 2019 tên iNut cho thiết bị ESP8266 giúp kết nối https://inut.vn/ các cảm biến, thiết bị ra Internet. 1.2 KHÁI NIỆM IOT: Internet of Things (IoT), còn được gọi là Internet vạn vật hay Internet công nghiệp, là một mô hình công nghệ mới được hình dung như một mạng lưới toàn cầu gồm các
5 máy móc và thiết bị có khả năng tương tác với nhau. IoT là một trong những lĩnh vực quan trọng nhất của công nghệ tương lai bên cạnh trí tuệ nhận tạo và dữ liệu lớn, thúc đẩy cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 trên thế giới. "Thing" hiện diện trong thế giới thực, ở trong nhà, trong xe hơi, đeo trên người hay ở nơi làm việc của ta. "Thing" nhận thông tin từ thế giới, chuyển thành dữ liệu gửi lên Internet để thu thập, xử lý. Và, "Thing" cũng có thể hình thành phản ứng tác động ngược trở ra thế giới thực thông qua các bộ truyền động. Tóm lại, IoT là khái niệm biến các thiết bị bình thường trở nên thông minh nhờ vào bộ xử lý, cảm biến, bộ truyền động và các kết nối dữ liệu để tạo thành một mạng lưới mà ở đó các thiết bị có thể tương tác với nhau mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người (Hình 1.3). Hình 1.3: IoT từ quan điểm nhìn các hệ thống nhúng Kiến trúc IoT trải rộng trên rất nhiều công nghệ nhưng vẫn có bốn thành phần chính cấu thành nên hệ thống, bao gồm: 1. Thing: Là các vật thể, đại diện cho vật thể chính là các sensor, cảm nhận, thu thập thông tin từ thế giới thực chuyển đổi thành dữ liệu, hay chuyển đổi dữ liệu thành tác động ngược lại thế giới thông qua thiết bị thực thi như còi hú, đèn báo…. 2. Giao tiếp dữ liệu: Việc kết nối giữa thiết bị, các dịch vụ điện toán đám mây để thực hiện giải mã dữ liệu và thực thi hoạt động dựa trên dữ liệu bao gồm các kết nối tầm gần trong phạm vi mạng cá nhân (PAN – Personal Area Networks) và kết nối ra Internet thông qua thiết bị chuyển tiếp mạng (Gateway device). Các công nghệ mạng không dây cho PAN có thông điệp truyền tải không dựa trên nền IP, như Bluetooth 5.0, Zigbee, Z-wave hay dựa trên nền IP, như IEEE 802.11 Wi-Fi, 6LoWPAN.
6 3. Internet: Để đưa dữ liệu từ các cảm biến ra Internet cần hai công nghệ là các Gateway và các giao thức tối ưu cho IoT trên nền IP như MQTT, AMPQ và CoAP thay cho các giao thức truyền thống chẳng hạn như SNMP, HTTP. 4. Backend services: Một khi dữ liệu được thu thập, nó được chuyển lên server doanh nghiệp hoặc cloud và được xử lý thông qua các dịch vụ. Các dịch vụ này có thể là lưu trữ dữ liệu hay phân tích, khai phá các thông tin từ dữ liệu để ra quyết định thực thi, hay giao diện giám sát hệ thống dành cho con người khi cần. Ở thành phần này, tùy vào quy mô cũng như giải pháp được thiết kế, có thể cần đến các công nghệ lưu trữ dữ liệu lớn cũng như việc phân tích, khai phá dữ liệu sử dụng các mô hình học máy. Còn nếu dữ liệu cần xử lý, phân tích đơn giản như nhiệt độ vượt ngưỡng nào đó được quy định trước có thể thực hiện bằng các giao thức if this, then that (IFTTT) và có thể dịch chuyển các công đoạn tính toán, xử lý từ server xuống các thiết bị cạnh biên, việc này hình thành nên thuật ngữ edge computing và fog computing. IoT còn có một số phiên bản tên gọi khi các công ty và tổ chức cố gắng thu hút sự chú ý, mỗi từ nêu bật các khía cạnh khác nhau của cùng một vấn đề cơ bản. Ví dụ: Web of Things (WoT) liên quan đến các công nghệ dựa trên web cho IoT, hay Internet of Everything là một cách nói quá của IoT vì không có cách nào để kết nối cảm xúc, mùi vị mà không có thứ gì sinh ra cảm giác đó, hay làm sao để kết nối được không gian hay nước? Còn Machine-to-Machine (M2M) là một khái niệm chung liên quan đến giao tiếp giữa một thiết bị với một thiết bị khác mà không cần sự can thiệp của con người. Nhiều loại giao thức và công nghệ khác nhau có thể được sử dụng trong các giải pháp M2M có thể bao gồm cả giao thức IP. Tuy nhiên, IP hay Internet ở đây chỉ đóng vai trò kênh giao tiếp giữa các thiết bị, máy móc chứ không phải một nền tảng mở cho khả năng tương tác. Bằng việc chuyển dữ liệu của các cảm biến, bộ xử lý biên và các thiết bị thông minh lên Internet, các dịch vụ đám mây có thể được áp dụng cho những thiết bị đơn giản nhất. Trước khi công nghệ đám mây và truyền thông di động trở thành xu hướng và tiết kiệm chi phí, các cảm biến và các thiết bị điện toán nhúng trong lĩnh vực này không có phương tiện tốt để truyền dữ liệu trên toàn cầu trong vài giây, được lưu trữ thông tin vĩnh viễn và phân tích dữ liệu để tìm ra xu hướng và mô hình. Khi công nghệ đám mây phát triển, các hệ thống truyền thông không dây trở nên phổ biến, các công nghệ năng lượng mới trở nên hiệu quả hơn về chi phí và các mô hình học máy phát triển để tạo ra các thông tin đáng giá. Tất cả các điều này kết hợp lại tạo nên giá trị của một hệ thống IoT. Nếu không có những công nghệ này chúng ta vẫn chỉ biết đến các hệ thống M2M mà thôi [1].
7 1.3 TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG IOT: IoT sẽ tiếp cận vào gần như mọi phân khúc trong các sản phẩm công nghiệp, doanh nghiệp, y tế, tiêu dùng.v.v… Tỉ lệ số lượng thiết bị kết nối vào Internet được dự báo vượt xa mức tăng trưởng của con người như Hình 1.4 Hình 1.4: Sự chênh lệch giữa tăng trưởng dân số của con người và tăng trưởng các thứ được kết nối Việc ứng dụng IoT sẽ mang lại nhiều lợi ích khi giảm thiểu các chi phí, thời gian vận hành sản xuất hay hạn chế tổn thất, hư hỏng. Ta sẽ đi xem xét sự ảnh hưởng của IoT đến từng lĩnh vực cụ thể. 1.3.1 Công nghiệp và sản xuất: Đây là phân khúc mà IoT phát triển nhanh và mạnh mẽ nhất dựa vào số lượng kết nối trong lĩnh vực và giá trị mà dịch vụ mang lại trong việc tự động hóa sản xuất. Phân khúc này có truyền thống về các công nghệ vận hành, tức là áp dụng các công nghệ phần cứng và phần mềm để giám sát các thiết bị vật lý phục vụ các chỉ số về lợi nhuận, hoạt động thu thập và phản hồi dữ liệu theo thời gian thực cũng như sự an toàn của hệ thống. Ngoài ra giao diện phần cứng và phần mềm của phân khúc này thường không hiện đại, các công nghệ như RS232/485… Ứng dụng IoT vào lĩnh vực này có thể ở một số trường hợp như sau: - Bảo trì, phòng ngừa trên máy móc. - Tiết kiệm năng lượng. - Hệ thống an toàn như cảm biến nhiệt, cảm biến áp suất, rò rỉ khí. - Các hệ thống chuyên gia. 1.3.2 Tiêu dùng: Tiêu dùng là phân khúc đầu tiên có vật thể được kết nối mạng internet, là chiếc máy pha cà phê vào những năm 1990. Đây là thị trường mà các công nghệ mới được áp dụng, tuy nhiên lại là hạn chế khi có nhiều tiêu chuẩn, giao thức như WPAN, Bluetooth,
8 Zigbee, Z-wave. Phân khúc này bao gồm cả thị trường chăm sóc sức khỏe, khi các thiết bị đeo được có các tính năng theo dõi các chỉ số sức khỏe. Ứng dụng IoT vào lĩnh vực này có thể ở một số trường hợp như sau: - Nhà thông minh: Hệ thống tưới nước thông minh, cửa nhà xe thông minh, khóa thông minh, đèn thông minh, bộ điều nhiệt thông minh, và an ninh thông minh. - Thiết bị đeo được: Theo dõi nhịp tim, khoảng cách di chuyển, các thiết bị theo dõi vị trí… Nhiều sản phẩm IoT được lấy cảm hứng từ các đồ vật ma thuật. Xuất phát từ chiếc đồng hồ treo tường cho biết vị trí hay trạng thái người nhà Weasley trong bộ truyện nổi tiếng Harry Potter (Hình 1.5), thiết bị "Where Dial" được John McKerrell phát triển có tính năng tương tự (Hình 1.6) Hình 1.5: Đồng hồ cho biết vị trí người nhà Weasley trong phim Harry Potter Hình 1.6: Thiết bị WhereDial của nhà phát triển Jc McKerrell Hay từ chiếc gương ma thuật của bà phù thủy trong phim Bạch Tuyết và bảy chú lùn, các biến thể của chiếc gương ma thuật cũng được hiện thực hóa khi tích hợp thiết bị vi xử lý có khả năng truy cập các dịch vụ qua Internet như Hình 1.7.
9 Hình 1.7: Gương thông minh sử dụng board Raspberry Pi 1.3.3 Bán lẻ, tài chính và tiếp thị: Một vài trường hợp sử dụng như sau: - Thiết bị Beacon, để xác định khách hàng lân cận, mật độ khách hàng… (Hình 1.8) - Theo dõi tài sản, kiểm soát hàng tồn kho, tổn thất và chuỗi cung ứng. - Giám sát kho lạnh, phân tích kho lạnh của hàng tồn dễ hư hỏng. - Áp dụng các phân tích dự đoán để tối ưu cung cấp thực phẩm. Hình 1.8: Ứng dụng IBeacon trong bán lẻ, marketing
10 1.3.4 Y tế: Y tế cũng là lĩnh vực có thể ứng dụng IoT mạnh mẽ khi hỗ trợ cải thiện chất lượng cuộc sống và giảm thiểu chi phí y tế. IoT cho phép theo dõi bệnh nhân từ xa và linh hoạt từ bất cứ đâu. Kết hợp các công cụ phân tích và máy học sẽ quan sát bệnh nhân, chuẩn đoán và kê đơn cũng như đề xuất liệu trình điều trị. Hạn chế với các thiết bị trong lĩnh vực này là việc tuân thủ nghiêm ngặt tính bảo mật dữ liệu, sự an toàn, tin cậy (một vài trường hợp có thể phải hoạt động 24/7 và zero downtime) như các công cụ, thiết bị của bệnh viện. Một vài trường hợp sử dụng IoT như sau: - Chăm sóc sức khỏe tại nhà. - Dự đoán và phòng ngừa sức khỏe. - Theo dõi, nghiên cứu thuốc… 1.3.5 Giao thông vận tải và chuỗi cung ứng hàng hóa: Lĩnh vực giao thông vận tải và chuỗi cung ứng hàng hóa cũng là động lực ứng dụng hàng đầu trong IoT. Các cảm biến trên xe hỗ trợ cho người lái xe, hoặc khuyến nghị phòng ngừa thay mặt cho người lái. Các loại xe tự lái đầy rẫy các cảm biến để có thể kết nối giao tiếp với nhau. Trong chuỗi cung ứng hàng hóa thì vị trí của các phương tiện vận chuyển đơn hàng có thể được theo dõi đơn giản như sử dụng thông tin GPS để xác định hướng di chuyển dựa trên các dịch vụ xác định mật độ giao thông dựa trên phương tiện vận chuyển…(Hình 1.9) Hình 1.9: Bảng thông tin tuyến xe bus trực tuyến tại Việt Nam
11 1.3.6 Nông nghiệp và môi trường: Hiệu quả sản xuất của nông nghiệp có thể tăng lên đáng kể khi áp dụng IoT. Việc sử dụng ánh sáng thông minh để điều chỉnh tần số quang phổ dữa trên tuổi của gia cầm có thể làm tăng tỷ lệ tăng trưởng và giảm tử lệ tử vong do căng thẳng ở các trang trại gà đồng thời giúp tiết kiệm điện năng hơn so với sử dụng hệ thống sợi đốt thông thường. Hay ứng dụng phát hiện sức khỏe vật nuôi dựa trên chuyển động, thân nhiệt. Một trang trại chăn nuôi gia súc có thể tìm thấy các con vật có khuynh hướng đau ốm trước khi lây nhiễm cho cả đàn kết hợp các loại cảm biến và phương pháp phân tích dữ liệu hoặc máy học. Về môi trường, IoT có thể hỗ trợ phân tích, dự đoán vi khí hậu, dự đoán thảm họa trong các trường hợp thiên tai liên quan đến địa chất và thời tiết. 1.3.7 Thành phố thông minh: Là cụm từ ám chỉ việc kết nối thông minh cho các thứ thuộc thành phố mà trước nay chưa hề được thông minh. Như việc triển khai các bảng thông tin tuyến xe bus trực tuyến như đã nêu ở lĩnh vự giao thông, việc giám sát thùng rác để cải thiện hiệu quả thu gom rác, triển khai các cảm biến nhiệt độ, sử dụng điện năng, chất lượng không khí, mức độ tiếng ồn, chỗ đậu xe, camera an ninh trong qui mô và phạm vi một thành phố. Việc triển khai IoT mang lại lợi ích đáng kể đồng thời tác động tích cực đến cuộc sống người dân thông qua sự cảm thấy an toàn, được quan tâm và tiện nghi cuộc sống. Nhìn chung, IoT mang đến lợi ích cho tất cả các ngành nghề. Tuy nhiên, qui mô và việc triển khai IoT có thể đơn giản cho đến phức tạp với mức chi phí khác nhau.