intTypePromotion=3

Xây dựng gateway đa giao thức cho hệ thống IoT

Chia sẻ: ViVatican2711 ViVatican2711 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

0
9
lượt xem
1
download

Xây dựng gateway đa giao thức cho hệ thống IoT

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết này đề xuất một IoT gateway có cấu hình mới với 3 ưu điểm: (1) có thể cắm được các module có giao thức truyền thông khác nhau của các mạng khác nhau; (2) có các giao diện bên ngoài hợp nhất để phát triển phần mềm linh hoạt; (3) có giao thức linh hoạt để chuyển dữ liệu từ các cảm biến khác nhau thành một định dạng thống nhất.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Xây dựng gateway đa giao thức cho hệ thống IoT

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN SAIGON UNIVERSITY TẠP CHÍ KHOA HỌC SCIENTIFIC JOURNAL ĐẠI HỌC SÀI GÒN OF SAIGON UNIVERSITY Số 61 (01/2019) No. 61 (01/2019) Email: tcdhsg@sgu.edu.vn ; Website: https://tapchikhoahoc.sgu.edu.vn XÂY DỰNG GATEWAY ĐA GIAO THỨC CHO HỆ THỐNG IOT Implementation of a multi-protocol IoT gateway ThS. Trần Quang Thuận Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Tóm tắt Sự phát triển nhanh chóng của Internet vạn vật (IoT) hiện nay kéo theo nhu cầu ngày càng tăng về việc kết nối các thiết bị phổ biến với các giao thức khác nhau như BLE, Wi-fi, RFID, Zigbee, LAN, v.v., thành một mạng thống nhất. Một số ứng dụng điển hình như giao thông thông minh, nhà thông minh, điều khiển công nghiệp.., cần có cổng kết nối (gateway) thông minh cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao, các thiết bị đầu cuối sử dụng băng thông rộng với các giao thức khác nhau trong các mạng không đồng nhất. Bài báo này đề xuất một IoT gateway có cấu hình mới với 3 ưu điểm: (1) có thể cắm được các module có giao thức truyền thông khác nhau của các mạng khác nhau; (2) có các giao diện bên ngoài hợp nhất để phát triển phần mềm linh hoạt; (3) có giao thức linh hoạt để chuyển dữ liệu từ các cảm biến khác nhau thành một định dạng thống nhất. Từ khóa: cổng kết nối, internet vạn vật, IoT, giao thức. Abstract With rapid development of Internet of Things (IoT), there exists an ever-growing demand for ubiquitous connectivity to integrate multiple heterogeneous networks, such as BLE, Wi-fi, RFID, Zigbee, LAN, etc. Some typical applications, namely intelligent transportation, smart home, industry control, etc., require a smart gateway to provide high data rate, end-to-end connectivity utilizing the higher bandwidth of multi-hop networks among those heterogeneous networks. This paper proposes a novel configurable IoT gateway which has three important benefits. Firstly, the gateway has pluggable architecture, whose modules with different communication protocols can be customized and plugged in. Secondly, it has unified external interfaces which are fit for flexible software development. Finally, it has flexible protocol to transfer data from different sensors into a unified format. Keywords: gateway, internet of Things, IoT, protocol. 1. Giới thiệu IoT - mạng kết nối tất cả mọi vật đã trở nên Internet of Things (IoT) đang thúc đẩy phổ biến cùng với các khái niệm như Smart sự đổi mới trong gần như mọi khía cạnh City (thành phố thông minh), Smart Grid cuộc sống. Việc kết nối những đối tượng (lưới điện thông minh), Smart Building chưa từng được kết nối trước đây đang cho (tòa nhà thông minh), Smart Home (ngôi phép thu thập những thông tin dữ liệu đầy nhà thông minh)… đã dần trở thành hiện đủ và chuyên sâu dẫn đến sự thay đổi có ý thực và đi vào cuộc sống. nghĩa trong cuộc sống. Hiện nay, khái niệm Hệ thống IoT bao gồm các module cảm Email: thuantq@ptithcm.edu.vn 24
  2. TRẦN QUANG THUẬN TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN biến, gateway và máy chủ trung tâm. Các chủ cảm biến phụ thuộc vào mạng khác module cảm biến đại diện cho đối tượng hơn là một gateway thông minh. Điều này (things), thể hiện như các node trong mạng. làm cho chi phí phần cứng quá cao. Gateway là thiết bị làm chức năng chuyển Năm 2011, nhóm nghiên cứu của tác đổi giữa các loại mạng hoặc các ứng dụng giả Anurag Bansal ứng dụng công nghệ khác nhau, thực hiện kết nối các node của Bluetooth để thiết kế một thiết bị kết nối mạng với máy chủ. Máy chủ với ứng dụng đến internet trung tâm. Thiết bị này sử công nghệ đám mây (cloud) thực hiện điều dụng mô hình IGAP [2] với ý tưởng xây hành và quản lý toàn bộ mạng IoT. dựng một lớp ứng dụng phần mềm chạy Đối với IoT gateway, việc kết nối trên điện thoại di động và một lớp phần nhiều loại giao thức (protocol) hiện có và mềm chạy trên PC có kết nối với Internet truyền tải lưu lượng thông tin lớn là một và Bluetooh, từ đó điện thoại di động có thách thức. Ngoài ra, yêu cầu bảo mật cao thể kết nối vào Internet thông qua kết nối cho hệ thống IoT cũng là một khó khăn. với máy tính thông qua Bluetooth. Tuy Với sự tồn tại của nhiều kỹ thuật kết nối nhiên, giải pháp này phụ thuộc nhiều vào đang được sử dụng như LAN, WiFi, ứng dụng phần mềm và chưa tập trung vào 3G/4G, Bluetooth, Z-Wave, ZigBee, giảm thiểu năng lượng tiêu thụ của thiết bị LoRA, việc tổ chức một Gateway đáp ứng cảm biến. Một trong những nhược điểm đầy đủ các giao thức kết nối là vấn đề hết của công trình [2] là không phát triển một sức phức tạp. Để giải quyết những vấn đề thiết bị Gateway độc lập mà sử dụng máy này, tác giả bài báo đề xuất một gateway tính thu thập dữ liệu từ các thiết bị cảm thông minh với các tính năng có thể cấu biến sử dụng công nghệ Bluetooth. hình, đa chức năng và tiết kiệm chi phí. Lin Wu và các tác giả của công trình Ngoài giới thiệu trên đây, bài báo có [6] đã thiết kế gateway định hướng dịch vụ phần 2 khái quát các nghiên cứu liên quan, có thể cấu hình plug-play, nhằm làm cho phần 3 trình bày cấu trúc của Smart IoT nó nhanh hơn và dễ sử dụng các ứng dụng gateway, phần 4 trình bày việc thực hiện mạng cảm biến bên ngoài khác nhau. IoT gateway (phần cứng và phần mềm) và Gateway này cho phép kết nối dữ liệu và phần cuối là kết luận cùng với hướng phát thông tin của các mạng cảm biến không triển. đồng nhất. Nó cung cấp các ứng dụng bên 2. Các nghiên cứu liên quan ngoài với quyền truy cập các tài nguyên Công trình [4] và [7] đề xuất các tương ứng thông qua các giao diện thân gateway kết nối các mạng với nhiều giao thiện và đồng nhất, độc lập với các loại thức khác nhau như ZigBee, Bluetooth, mạng cảm biến. Nhưng đây là gateway GPRS, Ethernet, nhưng những gateway không dành cho các loại mạng hoặc ứng này không linh hoạt vì không thể tùy chỉnh dụng cảm biến cụ thể, tính năng plug- được cho các ứng dụng khác nhau. configurable-play đạt được bằng cách tách Jong-Wan cùng các tác giả của công chương trình tổng quát khỏi thông tin cụ trình [5] đã đề xuất một hệ thống gồm một thể của mạng cảm biến, nhược điểm của nó máy chủ chính và một số máy chủ cảm là chạy trên PC và đòi hỏi môi trường phần biến kết nối với các mạng cảm biến khác cứng cao nên những lợi thế trong các ứng nhau. Nhưng trong hệ thống đó, hầu hết dụng IoT thực tế là không rõ ràng. các tác vụ được hoàn thành bởi các máy Tổng quan trên đây về phát triển hạ 25
  3. SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 61 (01/2019) tầng và giải pháp ứng dụng đố với IoT cho Master gateway là cầu nối giữa mạng thấy, hiện nay hầu hết các Công ty lớn truyền thống và mạng cảm biến; ở trung (Intel, Taxas Instrument, NXP, …) và các tâm là IoT gateway chịu trách nhiệm nhóm nghiên cứu từ các trường đại học chuyển đổi giao thức và kết hợp dữ liệu trên thế giới tập trung vào các bài toán của các cảm biến. Máy chủ hỗ trợ toàn bộ quan trọng như: hạ tầng thiết bị và kết nối hệ thống, chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu IoT (IoT Platform), lưu trữ và phân tích dữ quá khứ và hiển thị trực quan. Các thẻ liệu (Data Analysis), bảo mật và phòng người dùng (user card) thông qua một giao chống tấn công (Security). diện chung để phù hợp với các giao thức Nhìn chung, các giải pháp hiện có trên kết nối khác nhau. Nhiệm vụ cụ thể của thị trường đáp ứng yêu cầu riêng rẽ cho IoT gateway được cho trong Hình 2. nhà thông minh nhưng chưa ứng dụng được hạ tầng theo định nghĩa của IoT. Tuy nhiên, các giải pháp đó chưa đồng bộ hoá và đảm bảo cho việc quản lý của các cơ quan, khu công nghiệp, hay rộng hơn đối với nhà nước trong lĩnh vực an ninh năng lượng, an ninh thông tin. 3. Cấu trúc của IoT gateway Mô hình hệ thống IoT được đề xuất như Hình 1. Mô hình này sử dụng gateway để kết Hình 2. Vai trò của gateway trong hệ thống nối các cảm biến không dây và thiết bị với IoT trung tâm quản lý bằng ứng dụng công Để đáp ứng yêu cầu băng thông khác nghệ đám mây. Việc sử dụng điện thoại thông minh, máy tính bảng cho phép người nhau, IoT gateway cung cấp các giao tiếp điều hành một lĩnh vực như kiểm soát an mạng như Ethernet, 3G/LTE hoặc RS485. ninh, kiểm soát môi trường và có thể giám Gateway không chỉ có thể truyền dữ liệu sát công việc ở mọi nơi, mọi lúc. tốc độ cao như dữ liệu âm thanh và video, Trung tâm quản lý mà còn truyền cả dữ liệu tốc độ thấp như dữ liệu cảm biến nhiệt độ và độ ẩm. Đối Tích hợp chuẩn kết nối Software với các ứng dụng có giao diện khác nhau, WiFi, Ethernet, 3G, 4G/LTE có thể giảm sự phức tạp và cả chi phí hệ thống, đạt được sự phát triển thân thiện với người dùng. IoT Gateway đề xuất cung cấp Master Gateway Quản lý di động 8 giao diện người dùng hợp nhất. Trong các ứng dụng thực tế, chúng tôi đã thiết kế các thẻ người dùng khác nhau dưới dạng giao diện PCI-E. Các giao diện hợp nhất này có 2 ưu điểm: thứ nhất, thiết kế phần Thiết bị/ Devices Cảm biến/sensors cứng của IoT gateway có thể được đơn giản hóa để tạo thuận lợi cho việc truy cập Hình 1. Mô hình hệ thống IoT 26
  4. TRẦN QUANG THUẬN TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN các nhu cầu ứng dụng khác nhau.; thứ hai, thẻ người dùng. Tất cả các khe cắm thẻ có thể thay đổi tự do số lượng thẻ người người dùng đều hỗ trợ giao diện Ethernet dùng theo các môi trường ứng dụng khác và giao diện USB. Chip chuyển mạch nhau. Ví dụ: với một số ứng dụng cần 3 thẻ Ethernet RTL8309 được sử dụng để mở người dùng ZigBee, trong khi với ứng rộng giao diện Ethernet một chiều trong dụng khác lại cần 3 thẻ người dùng RS485. CPU ARM Cortex A8 thành các giao diện IoT Gateway của chúng tôi có thể đáp ứng Ethernet 8 chiều. Giao diện Ethernet có thể được các yêu cầu này. Nó có thể tạo điều đáp ứng hầu hết các ứng dụng truyền thông kiện thuận lợi cho việc truy cập các loại thẻ tốc độ cao. Đồng thời, 2 chip USB2514 người dùng khác nhau, và trong các môi được sử dụng để mở rộng 2 cổng USB trường ứng dụng khác nhau. Trong thực tế, thành 8 cổng USB. Điều này giúp tăng chúng tôi thiết kế nhiều giao diện truyền cường khả năng mở rộng của hệ thống. thông giữa IoT và thẻ người dùng, như Chúng tôi sử dụng 2 chip VK3224 để cho giao diện SPI, giao diện UART, Ethernet phép 8 khe thẻ người dùng cùng một lúc (RJ45), USB, giao diện âm thanh và video hỗ trợ giao diện UART 8 chiều. Khe cắm và giao diện I2C. Đến nay, IoT Gateway thẻ người dùng cũng hỗ trợ giao diện của chúng tôi có thể hỗ trợ cho nhiều loại Audio/Video. thẻ người dùng như: thẻ người dùng định IoT gateway này có thể hỗ trợ 3 loại vị UWB; thẻ người dùng ZigBee; thẻ giao tiếp dữ liệu với mạng chung, đó là vào/ra tương tự/số; thẻ người dùng RFID Ethernet, 3G và RS485. Người dùng có thể 2.4GHz & 915MHz; thẻ người dùng chọn các giao diện truyền dữ liệu khác RS485 và thẻ thu thập dữ liệu cảm biến. nhau theo nhu cầu cụ thể. Ngoài ra, có thể sử dụng cho các loại thẻ người dùng khác với một số ứng dụng đặc biệt mà không cần thay đổi cấu trúc của IoT gateway. 4. Thực hiện IoT gateway 4.1. Giới thiệu phần cứng 4.1.1. Mô tả gateway Để đáp ứng các yêu cầu của IoT gateway được đề cập trên đây, chúng tôi sử dụng bộ vi xử lý Samsung S5PV210 cho bộ điều khiển chính của gateway. CPU có xung clock đạt tới 1 GHz, hỗ trợ 32KB I- Hình 3. Cấu trúc phần cứng của IoT Cache, 32KB D-Cache, 512KB L2 Cache, gateway 64KB ROM và 96KB SRAM. Bộ xử lý hỗ trợ các giao diện ngoài phong phú như 4.1.2. Giới thiệu thẻ người dùng USB, SD/SDIO, UART, CMOS/CCD, Để phù hợp với các ứng dụng khác SPI,... nhau, giao diện của tất cả các thẻ người Theo yêu cầu của các ứng dụng thực dùng phải giống nhau. Chúng tôi chọn giao tế, cấu trúc phần cứng của gateway IoT diện chuẩn PCI-E, với cấu trúc chi tiết của được hiển thị trong Hình 3, gồm 8 khe cắm thẻ người dùng được minh họa như Hình 4. 27
  5. SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 61 (01/2019) Hình 5. Cấu trúc khung dữ liệu Các chức năng của các phần khác nhau của khung được giải thích như sau: Hình 4. Cấu trúc phần cứng của user card • Preamble sequence: byte đồng bộ hóa gói dữ liệu truyền thông, bao gồm ký Để chuẩn hóa thiết kế gateway, tất cả tự đầu và ký tự khoảng thời gian bắt đầu các thứ tự dây của giao diện đều giống khung. nhau, loại thẻ người dùng được phân biệt • TYPE: cho biết dữ liệu là đường lên bằng phần mềm chạy trên gateway. Trong (0x01) hoặc đường xuống (0x02). thực tế, chúng tôi đã phát triển 6 loại thẻ • Dest_ID: địa chỉ đích, 2 byte. người dùng như được giới thiệu trong phần • Source_ID: địa chỉ nguồn, 2 byte. 3. Trong số các thẻ người dùng, thẻ UWB • SN (Message nember): số tin nhắn và thẻ RFID sử dụng giao diện USB, thẻ (phân biệt đúng thông điệp đến), 1 byte. ZigBee, thẻ I/O tương tự/số và thẻ RS485 • Len: chiều dài của toàn bộ tin nhắn. sử dụng giao diện UART, thẻ thu thập dữ • Pkt_Type: loại gói, bao gồm Pkt liệu cảm biến sử dụng giao diện Ethernet Type Ind và Pkt SubType Ind, 1 byte. và UART. • Reserved: dự phòng, 1 byte. Người dùng có thể sử dụng thẻ theo • FCS: CRC16, kiểm tra tính toàn vẹn yêu cầu vì cùng giao diện với thẻ của mình. của dữ liệu trong các gói. Một EEPROM 1K bit (chip 24LC01) được 4.2.2 Nhận dạng loại thẻ người dùng sử dụng để xác định loại thẻ người dùng. IoT gateway của chúng tôi yêu cầu độ 4.2. Giới thiệu phần mềm tương thích cao, chẳng hạn: nó có thể kết Chức năng chính của phần mềm chạy nối với cảm biến của bên thứ ba mà không trên gateway là chuyển đổi giữa các giao thay đổi định dạng dữ liệu cảm biến. Vì thức khác nhau và nhận dạng loại thẻ vậy, không thể phân biệt các loại thẻ người người dùng. dùng bằng cách điều chỉnh định dạng dữ 4.2.1. Chuyển đổi giao thức liệu của chúng [3]. Ở đây, chúng tôi đề Kiểu dữ liệu đến từ các giao diện khác xuất giải pháp cho vấn đề này như sau: nhau thường không giống nhau, và bản Sử dụng chip EEPROM 24LC01 để thân dữ liệu cũng khác nhau. Điều này có ghi lại các loại thẻ người dùng trong một thể làm tăng độ khó của việc giao tiếp giữa byte. máy chủ và các cảm biến. Vì vậy, cần phải Đầu tiên, chip được cấu hình thông đóng gói dữ liệu khác nhau trên gateway. qua cổng IIC; sau đó chỉ cần đọc nội dung Thực tế, cấu trúc khung dữ liệu được định của chip để lấy thông tin loại thẻ người nghĩa như trong Hình 5. dùng. 28
  6. TRẦN QUANG THUẬN TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN Chip đọc ngẫu nhiên được thể hiện 5. Kết luận và hướng phát triển như trong Hình 6. IoT gateway là cầu kết nối giữa các mạng truyền thống và mạng cảm biến. Bài báo này trình bày một IoT gateway có thể được cấu hình linh hoạt để thích nghi với các yêu cầu ứng dụng khác nhau, có thể làm giảm những khó khăn, chi phí cũng Hình 6. Chip đọc ngẫu nhiên như dễ dàng và nhanh chóng áp dụng cho 4.2.3. Cấu hình của IoT gateway các ứng dụng mới. Trong đề xuất của Trong [6], hầu hết các IoT gateway chúng tôi, gateway có giao diện bên ngoài đều thích nghi với cấu trúc C/S. Một trong thống nhất, khả năng mạnh mẽ để thích những thiếu sót của cấu trúc C/S là phần ứng với các nhu cầu khác nhau, người sử mềm phải được cập nhật khi gateway được dụng có thể phát triển thẻ (người dùng) phù thêm vào các chức năng mới. Điều này có hợp theo các ứng dụng khác nhau. thể gây ra nhiều bất tiện cho việc phát triển Trong tương lai, chúng tôi sẽ bổ sung dự án và hạn chế tính tương thích của chính sách bảo mật và chiến lược phòng gateway. Để khắc phục nó, chúng tôi áp chống lỗi vào gateway đã đề xuất để đảm dụng chế độ B/S, trong đó người dùng có bảo cho nó hoạt động ổn định và đáng tin thể cấu hình gateway bằng PC hoặc các cậy hơn, từ đó có thể áp dụng cho hệ thống thiết bị di động khác và chức năng này quản lý các khu công nghiệp và khu công được thực hiện bởi một máy chủ web. nghệ cao. Trong chế độ B/S, khách hàng chạy LỜI CẢM ƠN phần mềm trình duyệt để gửi yêu cầu truy Công trình này nhận được sự tài trợ từ đề cập đến máy chủ Web thông qua siêu văn tài khoa học công nghệ cấp Học viện Công bản. Chế độ yêu cầu bao gồm phương thức nghệ Bưu chính Viễn thông, mã số 09-HV- POST và phương thức GET. 2018-RD_ĐT2. Đối với phương thức GET, trình duyệt nhận yêu cầu URL bao gồm tên và nội TÀI LIỆU THAM KHẢO dung các biến. Đối với phương thức POST, trình Amiruddin Amiruddin, Anak Agung Putri duyệt sẽ tạo gói dữ liệu để làm gọn biến thể Ratna, Ruki Harwahyu, Riri Fitri Sari (2018), “Secure Multi-protocol Gateway for Internet of và nội dung của nó, sau đó gửi gói đến máy Things”, IEEE Wireless Telecommunications chủ. Sau khi nhận được yêu cầu, máy chủ Symposium (WTS), Phoenix, AZ, USA. web sẽ gửi các trang tĩnh hoặc trang động 1. Amol Kawade, Ishan Bhaskarwar, cho khách hàng. Tiếp đến phần mềm tương Yashodhan Joshi, Anurag Bansal (2011), ứng sẽ bắt đầu truy cập mô-đun, cơ sở dữ “Implementation of Bluetooth hotspots liệu và gửi kết quả đến máy chủ web. Phản using IGAP”, IJCSET, Vol.1 (Issue 11). hồi từ máy chủ web thường bao gồm dòng 2. Dong Min; Zeng Xiao; Bi Sheng; Guo trạng thái, dòng trống và tài liệu. Trình Shiya (2012), “Design and duyệt của khách hàng sẽ phân tích phản hồi implementation of the multi-channel và hiển thị nội dung lên web. RS485 IoT gateway”, Cyber Technology 29
  7. SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 61 (01/2019) in Automation, Control, and Intelligent pages 979-982. Systems (CYBER), IEEE International 5. L.Wu, Y. Xu, C. Xu, and F.Wang (2013), Conference on, pp.366-370. “Plug-configure-play service oriented 3. Emara, K. A., Abdeen, M., & Hashem, M. gateway for fast and easy sensor network (2009), “A gateway-based framework for application development”, Proceedings of transparent interconnection between WSN the 2nd International Conference on Sensor and IP network”, EUROCON '09, pages Networks (SENSORNETS ’13). 1775-1780. 6. Qian, Z., Ruicong, W., Qi, C., Yan, L., & 4. Jong-Wan, Y., Yong-ki, K., Choon-Sung, Weijun, Q. (2010), “IoT Gateway: N., & Dong-Rye, S. (2009), “Sensor Bridging Wireless Sensor Networks into Network Middleware for Distributed and Internet of Things”. IEEE/IFIP 8th Heterogeneous Environments”, International Conference on the International Conference on New Trends in Embedded and Ubiquitous Computing Information and Service Science (NISS '09), (EUC’2010), pages 347-352. Ngày nhận bài: 05/07/2018 Biên tập xong: 15/12/2018 Duyệt đăng: 20/01/2019 30

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản