HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------
Lê Tùng Giang
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG ỨNG DỤNG TRÊN NỀN TẢNG
NODE RED PHỤC VỤ NHÀ THÔNG MINH
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 8.52.02.08
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI-2021
Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học: TS. NGÔ ĐỨC THIỆN
Phản biện 1: TS. NGUYỄN CHIẾN TRINH
Phản biện 2: PGS. TS. BẠCH NHẬT HỒNG
Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học
viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lục: .......... giờ .......... ngày 15 tháng 02 năm 2022
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn Thông
1
MỞ ĐẦU
Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư đã tác động sâu rộng đến tất cả các lĩnh
vực trong đời sống xã hội, nếu đối với cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất, đã
biến xã hội từ đại bộ phận là nông thôn trở thành công nghiệp và đô thị hóa. Đánh dấu
bằng sự có mặt của động cơ hơi nước đã làm thay đổi toàn bộ hình thái của các nghành
công nghiệp khi đó, đặc biệt là công nghiệp khai khoáng và dệt may. Ngày nay, thế
giới đã trải qua ba cuộc cách mạng như thế và đặt một chân vào cuộc cách mạng lần
thứ tư, các công nghệ điển hình để có thể minh chứng cho một quốc gia tham dự vào
cuộc cách mạng này chính là: trí thông minh nhân tạo (Artificial Intelligence-AI), hệ
thống vật lý ảo (Cyber Physical System-CPS), công nghệ nano và công nghệ sinh học
(Nano technology and Bio technology-NanoTech, BioTech), Robotics, in 3D, xe tự lái,
và Internet vạnvật (Internet of Things-IoT)... Có thể thấy các nhóm công nghệ kể trên
phủ khắp các lĩnh vực nghiên cứu phức tạp nhất của giới khoa học. Đặc biệt với sự
bùng nổ của mạng internet tốc độ cao, thế giới không chỉ “phẳng ra” mà còn “giao
thoa” với nhau, biểu hiện bằng sự kết nối của vạn vật. Mạng lưới vạn vật kết nối
internet cho phép thế giới ảo (các mạng ảo và mạng xã hội) có thể tích hợp ngữ nghĩa
với thế giới thực và tích hợp dữ liệu với các thiết bị IoT, đồng thời các thiết bị IoT có
thể tích hợp sự vật (trao đổi, tương tác) với thế giới thực.
Chính vì những yếu tố kể trên, học viên đã quyết định lựa chọn đề tài "Nghiên
cứu xây dựng ứng dụng trên nền tảng Node RED phục vụ nhà thông minh". Sau quá
trình tìm hiểu và nghiên cứu cũng như thực hiện các thử nghiệm nhất định, học viên đã
xây dựng luận văn với kết cấu gồm 3 phần chính như sau:
Chương 1: Tổng quan về nhà thông minh
Chương 2: Xây dựng mô hình hệ thống nhà thông minh trên nền tảng
Node Red
Chương 3: Thiết kế chế tạo thử nghiệm
Do hạn chế về kiến thức của bản thân cũng như thời gian nghiên cứu, trong luận
văn không thể tránh khỏi những điểm thiết xót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý
kiến của Thầy Cô giáo cũng như các bạn Học viên quan tâm đến đề tài để luận văn
được hoàn thiện hơn.
2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH
1.1 Khái quát bối cảnh phát triển IoT
Viện tư vấn quản lý toàn cầu của Mckinsey đưa ra dự đoán sẽ có 75 tỷ thiết bị
IoT được lắp đặt vào năm 2025, gấp 5 lần so với năm 2015, đồng thời tỷ lệ sử dụng
thiết bị IoT tăng từ 13% lên 25% trong giai đoạn từ năm 2014-2019, chi phí cho hệ
sinh thái liên quan đến IoT được dự báo sẽ tăng từ 726 tỷ USD vào năm 2019 lên 1,1
nghìn tỷ USD vào năm 2023[6]. Sự hình thành và phát triển của IoT gắn liền với cuộc
cách mạng công nghệ lần thứ tư. Cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư là sự kết hợp
của công nghệ trong các lĩnh vực vật lý, công nghệ số và sinh học, tạo ra những khả
năng sản xuất hoàn toàn mới và có tác động sâu sắc đến đời sống kinh tế, chính trị, xã
hội của thế giới. Có thể khái quát bốn đặc trưng chính của Cách mạng công nghiệp lần
thứ như sau: dựa trên nền tảng của sự kết hợp công nghệ cảm biến mới, phân tích dữ
liệu lớn, điện toán đám mây và kết nối internet vạn vật sẽ thúc đẩy sự phát triển của
máy móc tự động hóa và hệ thống sản xuất thông minh. Các công nghệ in 3D để sản
xuất sản phẩm một cách hoàn chỉnh nhờ nhất thể hóa các dây chuyền sản xuất không
phải qua giai đoạn lắp ráp các thiết bị phụ trợ - công nghệ này cũng cho phép con
người có thể in ra sản phẩm mới bằng những phương pháp phi truyền thống, bỏ qua
các khâu trung gian và giảm chi phí sản xuất nhiều nhất có thể.
1.1.1 Định nghĩa internet vạn vật (IoT)
Internet vạn vật (IoT-Internet of Things) được định nghĩa là mạng kết nối các
đồ vật và thiết bị thông qua cảm biến, phần mềm và các công nghệ khác, cho phép các
đồ vật và thiết bị thu thập và trao đổi dữ liệu với nhau.
Hình 1.1: Cơ chế hoạt động của hệ thống IoT
Tiềm năng ứng dụng của internet vạn vật (IoT) trải rộng trên mọi lĩnh vực. Tuy
nhiên, mọi hệ thống IoT hoàn chỉnh đều có đủ 4 bước: thu thập dữ liệu, chia sẻ dữ liệu,
xử lý dữ liệu, và đưa ra quyết định. Phần thu thập dữ liệu chính là bước tiền xử lý, nơi
mà các cảm biến hoặc thiết bị tiến hành thu thập dữ liệu từ môi trường, ở bước này
công nghệ cảm biến được phát huy, cảm biến càng hoạt động chính xác càng làm tăng
3
chất lượng của dữ liệu thu thập được. Dữ liệu có thể đơn giản là nhiệt độ, độ ẩm, ánh
sáng…
1.1.2 Hệ sinh thái IoT
Hệ sinh thái là một khái niệm có tính bao phủ rộng, không ám chỉ một đối
tượng cụ thể nào. Hệ sinh thái có thể được hiểu như một cộng đồng kinh tế dựa trên
nền tảng của sự tương tác giữa tổ chức và các cá nhân. Cộng đồng này sẽ sản sinh ra
các sản phẩm và dịch vụ có giá trị cho khách hàng và họ chính là một phần của hệ sinh
thái này. IoT được cấu thành từ nhiều thành phần tạo nên một hệ sinh thái IoT với mô
hình phức tạp, đa dạng. Dựa trên cấu trúc của mô hình IoT, hệ sinh thái IoT bao gồm
bốn cấu phần chính: phần cứng/hạ tầng kết nối, phần mềm nền tảng/phần mềm phân
tích dữ liệu lớn, dịch vụ và chính sách.
Phần cứng/hạ tầng kết nối: thiết bị IoT bao gồm các thiết bị phần cứng có khả
năng giao tiếp theo các chuẩn IoT được định nghĩa sẵn. Các thiết bị này rất đa dạng
tùy theo mục đích sử dụng như: thiết bị thông minh cá nhân (máy tính, điện thoại,
đồng hồ…), thiết bị gia dụng (tủ lạnh, đều hòa nhiệt độ), hay các thiết bị quan trắc,
cảm biến đo các điều kiện của môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng)…
Phần mềm nền tảng/phần mềm phân tích dữ liệu lớn: phần mềm nền tảng IoT
được coi là trái tim của hệ sinh thái IoT có các chức năng quản lý kết nối, tổng hợp,
lưu trữ và xử lý dữ liệu gửi về từ các thiết bị. Phần mềm được yêu cầu phải kết hợp tất
cả mọi thứ với nhau hoặc làm cho có thể sử dụng được và sự kết nối là cần thiết để
chia sẻ thông tin hoặc giao tiếp với toàn bộ hệ thống. Trong kiến trúc hệ thống IoT,
phần mềm IoT được cấu thành bởi ba nhóm chính: nhóm phần mềm ở lớp thiết bị,
nhóm phần mềm ở lớp chuyển tiếp gateway, nhóm phần mềm ở lớp ứng dụng.
Nhóm phần mềm của lớp thiết bị chạy trên MCU (Micro Controller Unit) nhằm
hỗ trợ các tác vụ cụ thể, các tính năng chính của phần mềm chạy trên một thiết bị gồm
bốn tính năng chính: một là chứa hệ điều hành nhúng chẳng hạn như FreeRTOS trên
các kiến trúc ARM hay Tizen
Nhóm phần mềm ở lớp chuyển tiếp gateway hay các IoT gateway hoạt động
như một điểm tập hợp cho một nhóm các cảm biến và hay các thiết bị chuyển tiếp của
lớp mạng, nhiệm vụ của phần mềm ở lớp chuyển tiếp gateway là điều phối kết nối của
các thiết bị với nhau và với mạng bên ngoài. IoT gateway có thể là một phần cứng vật
lý hoặc một nhóm chức năng được tích hợp vào một “Things” lớn hơn và được kết nối
