(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu anten mảng và ứng dụng trong hệ thống internet vạn vật

Ổ T NG QUAN V IOT ỀTrong Chương 1, lu n văn ậ trình bày khái niệm v IoT, về lịch sử ra đời, các thuật ềngữ khác nhau được dùng trong IoT, những đặc điểm của mạng IoT, và về những ứng ởdụ

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠ O TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

-

PHẠM VĂN HIẾU

NGHIÊN CỨU ANTEN MẢNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ

THỐNG INTERNET VẠN VẬT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠ O TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

-

PHẠM VĂN HIẾU

NGHIÊN CỨU ANTEN MẢNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ

THỐNG INTERNET VẠN VẬT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯ Ờ I HƯ Ớ NG D N KHOA H C Ẫ Ọ TS.NGUYỄN THÀNH CHUYÊN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Phạm Văn Hiếu, mã số ọ h c viên CA170269 Người hướng d n là TS ẫNguyễn Thành Chuyên Tôi xin cam đoan toàn bộ ội dung được trình bày trong nluận văn Nghiên cứu anten m ng và ng d ng trong hả ứ ụ ệ ố th ng Internet vạn v t là kết ậ

qu quá trình tìm hi u và nghiên cả ể ứu của tôi Các d liữ ệu được nêu trong luận văn là hoàn toàn trung th c, phự ản ánh đúng kết quả đo đạc thực tế M i thông tin trích dọ ẫn

đều tuân th các quy đ nh v s h u trí tu ; các tài li u tham khủ ị ề ở ữ ệ ệ ảo được li t kê rõ ệràng Tôi xin ch u hoàn toàn trách nhi m v i nh ng nị ệ ớ ữ ội dung được viết trong luận văn này

Hà nội, ngày tháng năm 2019

Người cam đoan

Phạm Văn Hiếu

M C L C Ụ Ụ

LỜI CAM ĐOAN I

M C L C II Ụ ỤDANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU V DANH M C B NG BI U VI Ụ Ả ỂDANH M C KÝ HIỤ ỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VII

LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN V IOT 2 Ề1.1 Khái ni m 2 ệ1.2 Thuật ngữ 6 1.3 L ch s 7 ị ử1.4 Kh ả năng định danh độc nh t 9 ấ1.5 Xu hướng và tính ch t 10 ấ1.6 Ki n trúc d a trên s ki n ế ự ự ệ 11 1.7 Là một hệ ố th ng phức tạp 12 1.8 Kích thước 12 1.9 Vấn đề không gian, th i gian 13 ờ1.10 Luồng năng lượng m i 14 ớ1.11 Các h thệ ống phụ 16 1.12 ng d ng 17 Ứ ụ1.13 Qu n lý h tả ạ ầng 171.14 Y tế 18 1.15 Tự độ ng hoá các toà nhà 18 1.16 K t lu n 18 ế ậ

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC D NG ANTEN M NG VÀ NG D NG 20 Ạ Ả Ứ Ụ

2.1 Ki n thế ức cơ bản về anten mảng 20

2.2 Anten mảng tuy n tính 21 ế 2.2.1 Anten mảng hai ph n tầ ử 22

2.2.2 Anten mảng tuyến tính N ph n t ầ ử đồng dạng 24

2.2.3 Anten mảng có tr ng s và anten m ng lái búpọ ố ả 27

2.2.4 Anten mảng vòng 28

2.2.5 Anten mảng vòng lái búp 29

2.2.6 Anten mảng phẳng hình ch nh t.ữ ậ 31

2.2.7 Anten mảng búp cố đị nh 31

2.2.8 Anten mảng hướng Retro 32

2.3 ng d ng c a anten m ng 35 Ứ ụ ủ ả 2.3.1 H th ng Radarệ ố 35

2.3.2 Máy đo phóng xạ. 36

2.3.3 Làm nóng bằng điệ ừ trườn t ng. 37

2.4 K t lu n 38 ế ậ CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨ ỨU NG D NG C A ANTEN 39 Ụ Ủ M NG HÌNH NHẢ ẪN TRONG IOT 39

3.1 Nh n theo dõi s c kho 39 ẫ ứ ẻ 3.1.1 Gi i thi uớ ệ 39

3.1.2 Thiết kế ủ c a anten m ng.ả 41

3.1.3 Kh ả năng hoạt động trong không gian mở ở 42

3.1.4 Ảnh hưởng của người dùng. 46

3.1.5 H s ph n xệ ố ả ạ 47

3.1.6 Các m u quét và hi u qu bao ph ẫ ệ ả ủ 49

3.1.7 Mật độ ổn hao năng lượ t ng. 52

3.1.8 K t lu nế ậ 53

3.1.9 ng d ng cỨ ụ ủa nhẫn trong IoT. 54

3.2 Nh n c m bi n 56 ẫ ả ế 3.2.1 Gi i thi uớ ệ 56

3.2.2 Thiết kế và c u trúc c a anten.ấ ủ 57

3.2.3 Kh ả năng hoạt động. 61

3.3 K t lu n 63 ế ậ KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH MỤC HÌNH VẼ, B NG BI U Ả Ể

DANH M C HÌNH V Ụ Ẽ

Hình 2.1 Hai anten dipole cực nhỏ 22

Hình 2.2 (a) Đồ ị th bức xạ Dipole (b) Đồ thị ứ b c x anten mảng (c) Đồ bạ thị ức x tổngạ 23

Hình 2.3 Anten mảng truyến tính N phần tử 24

Hình 2.4 Anten mảng broadside 4 phầ ửn t với và và d = 0.25 , 0.5 và 0.75 26 Hình 2.5 Anten mảng end fire 4 ph- ần tử với và và d = 0.25 , 0.5 và 0.75 27

Hình 2.6 Mảng trọng số Kaiser-Bessel đã lái búp 28

Hình 2.7 Anten mảng vòng N phầ ử 29 n t Hình 2.8 Đồ thị mặt trước AF của anten mảng vòng lái búp ( 29

Hình 2.9 Đồ thị AF 3-D của anten m ng vòng lái búp (ả 30

Hình 2.10 Anten mảng phẳng vuông NxM 31

Hình 2.11 Tia 3 búp tạo b i một anten mảng ph ng 16x16.ở ẳ 32

Hình 2.12 Anten mảng có hướng Retro và hiệu ứng đa đường 33

Hình 2.13 Anten mảng có hướng Retro 34

Hình 2.14 Liên hợp pha trong quá trình trộn Heterodin 35

Hình 3.1 Thiết kế của anten mảng từng giai đoạ ởn trong (a) 3D, (b) m t phẳng xy và ặ (c) mặt phẳng xz 42

Hình 3.2 Hệ số phản xạ của các phần tử anten mảng trong nhẫn 43

Hình 3.3 ϕ ộ/đ với dB tại =900 44

Hình 3.4 Tổng các mẫu quét của mảng anten đư c đợ ề xuất 45

Hình 3.5 Các mẫu chuy n tia c a m ng anten được đề xuất 45 ể ủ ả Hình 3.6 Hệ số bao phủ ủa mảng anten trong không gian mở 46 c Hình 3.7 (a) ngón trỏ (b) ngón gi a (c) ngón áp útữ 47

Hình 3.8 Các hệ số phản xạ của tất cả các phầ ửn t anten 48

ở trong setup (a), (b) và (c) 48

Hình 3.9 Tổng các mẫu quét c a mủ ảng anten đư c đợ ề xuất cho (a) setup 1, (b) setup 2, (c) setup 3 50

Hình 3.10 Đồ thị của (a) hệ số bao p ủ của anten, (b) kết quảmậh t đ tổn hao năng ộ lượng được mô ph ng, đư c th hiệ ởỏ ợ ể n trên mô hình bàn tay 3D, và (c) mậ ột đ tổn hao năng lượng tối đa của m ng anten ả ở trong 3 setup với tay người dùng 52

Hình 3.11 Cơ ch đo nhế ịp tim 55

Hình 3.12 Mặt trên của chiếc anten nhẫn 58

Hình 3.13 Mặt cắt của chi c nhế ẫn 59

Hình 3.14 Phía bên cạnh và các kích thướ ủc c a chiếc nhẫn vàng 60

Hình 3.15 Hình ảnh 3D của chiếc nhẫn 60

Hình 3.16 Hệ số tổn hao ngượ ủc c a anten 61

Hình 3.17 Đồ thị bức xạ của anten t i m t phẳng ϕ = 0ạ ặ 0 và ϕ = 900 62

DANH M C B NG BI U Ụ Ả Ể B ng 3.1 Kh ả ả năng hoạt động c a anten tủ ở ần số 5GHz 63

DANH M C KÝ HIỤ ỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Thuật ng vi t t t ữ ế ắ Thuật ng ti ng Anh ữ ế Thuật ng ti ng Việt ữ ế

IoT Internet of Things Internet vạn vật

RFID Radio-Frequency Identification Định danh t n s vô tuy n ầ ố ế

DBF Digital Beamforming Định d ng búp sóng s ạ ố

EMF Electromotive Force Lực điện động

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, khi công ngh càng phát tri n, thì nhu cệ ể ầu trao đổi thông tin giữa con người với máy móc, cũng như là giữa các máy móc với nhau ngày càng tăng cao Do đó, việc hình thành m t m ng thông tin liên k t gi a các máy móc v i máy ộ ạ ế ữ ớmóc và với con người là điề ấ ếu của sự u t t y phát tri n Mể ột mạng kết nối như thế được g i là m t m ng IoT, Internet of Things, m ng v n v t k t n i Internet ọ ộ ạ ạ ạ ậ ế ố

Các nhà khoa học đã ch ỉ ra r ng IoT s có muôn vàn nhằ ẽ ững ng dụứ ng thiết

thực vào trong cuộc sống của chúng ta, và việc nghiên cứu những công nghệ để có

th bi n m ng IoT tr thành hi n thể ế ạ ở ệ ực là một nhu c u vô cùng c p bách hi n nay ầ ấ ệCũng chính từ ự ế th c t này, nên luận văn tốt nghi p này nghiên ệ v ề lĩnh vực IoT,

những định nghĩa, những đặc điểm và nh ng ng d ng cữ ứ ụ ủa nó

Ngoài ra,luận văn tôi nghiên cứu v ề các loại anten mảng, các đặc điểm c u tấ ạo

c a chúng, và nh ng ng d ng củ ữ ứ ụ ủa các loại anten đó trong cuộc sống thực ti n ễ

Cuối cùng luận văn tìm hi u ấu tạo, cũng như là về cơ chếế c hoạ ột đ ng của một chi c nhế ẫn thông minh được sử ụ d ng trong công ngh ở ệ IoT

CHƯƠNG 1 Ổ T NG QUAN V IOT ỀTrong Chương 1, lu n văn ậ trình bày khái niệm v IoT, về lịch sử ra đời, các thuật ềngữ khác nhau được dùng trong IoT, những đặc điểm của mạng IoT, và về những ứng ởdụng của mạng IoT ở trong các lĩnh vực quan trọng của cuộc sống như là y tế, xây dựng, và các ng dứ ụng của IoT trong việc quản lý các tài nguyên mạng nói chung 1.1 Khái ni m ệ

Internet of Thing, hay còn được viết tắt là IoT, được d ch ra ti ng Việị ế t là M ng ạ

luới vạn vật kết nối Internet là một khái niệm mới xuất hiện trong những năm gần đây Đây là là một m ng liên kạ ết, trong đó các thiế ị ẽ đượ ắp đặt b s c l t các b ph n ộ ậ

c m biả ến, thu phát để có th truy n d liể ề ữ ệu đến cho các thi t b ế ị khác, từ đó tấ ả các t c thi t b s ế ị ẽ có được sự hoạt động th ng nh t v i nhau ố ấ ớ

Các thiết bị, các toà nhà, và các thiế ị đeo đượt b c, sẽ được lắp đặt thêm các bộ

phận điện tử khác, ví dụ như cảm biến, cơ cấu vận hành, phần mềm xử lý, cùng với

kh ả năng kết nối với mạng internet, giúp các thiết bị này có thể thu thập dữ ệu và litruy n t i cho các thiề ả ết bị khác cùng x lý ử

Hình.1 Mạng lưới vạn vậ ết k t nối Internet

Vào năm 2013, tổ chức Global Standards Initiative on Internet of Things (IoT-GSI), tạm dịch là tổ chức sáng kiến toàn cầu về ạng kết nối vạn vật, đã định mnghĩa IoT là hạ ầng cơ sở t toàn c u ph c v cho xã h i thông tin, h tr các d ch ầ ụ ụ ộ ỗ ợ ị

v ụ điện toán đám mây chuyên sâu, thông qua các vật th ể thực ho c là v t th o ặ ậ ể ả

Chúng được kết nối với nhau nhờ vào công nghệ thông tin và kết nối, truyền thông tin cho nhau thông qua các bộ phận tích hợp, và với tiêu chí như vậy, thì m t vộ ật được xem là trong m ng k t n i v n v t, n u vạ ế ố ạ ậ ế ật đó có thể được đ nh ị

dạng và có thể được đi u khiển từ xa thông qua hệề thống mạng hiện có, tạo điều

kiện giúp cho thế ới thực tế được kết nối với nhau một cách trực tiếp hơn thông giqua h thệ ống điện toán đám mây

Điều này dẫn đến kết quả là hiệu năng, độ chắc chắn, và lợi ích về kinh tế mà những vật thể mang lại sẽ tăng lên, đồng thời sẽ giảm thiểu được sự can dự của con người

này được nhận định là có nhiều hơn rất nhi u nhữề ng ưu đi m so với kiểể u truy n t i t ề ả ừmáy sang máy trư c đây Đớ ồng thời, đa số các d ng tên miền, ứng dụng và các dạng ạgiao th c ứ ở trên mạng internet sẽ đề u được mạng lướ ại v n vật kết nối này hỗ trợ

S k t n i gi a muôn vàn các thi t b v i nhau này hự ế ố ữ ế ị ớ ứa hẹn s m ẽ ở ra được một

k ỷ nguyên mới, kỷ nguyên của sự ự động hoá trong hầu hết các lĩnh vực của cuộc t

sống, từ ệc ứng dụng trong việc chế ạo các mạng lưới thông minh, đến việc chế vi t

tạo các hệ thống thông minh như là thành phố thông minh, bãi đỗ xe thông minh, nhà hàng thông minh,

Mạng vạn vật kết nối là một viễn cảnh của thế ới, trong đó mỗ ồ gi i đ vật, mỗi

một con người sẽ mang cho mình một định dạng, danh tính riêng, và tất cả ẽ được s

k t n i v i nhau trong cùng mế ố ớ ột mạng lưới

Mỗi một định danh, một sự ật sẽ có khả năng truyền tải và trao đổi thông tin, v

d liữ ệu với nhau thông qua một mạng dữ ệu duy nhất mà không cần đến sự can lithi p cệ ủa con người để có th th c hiể ự ện ệc đó.vi

Mạng vạn vật kết nối đã được hội tụ và phát triển lên nhờ ự phát triển của s công ngh không dây, các lo i công nghệ ạ ệ vi mô, cũng như là sự m rở ộng của internet Nói một cách đơn giản thì m ng v n v t k t nạ ạ ậ ế ối đó chính là mộ ập hợp t tcác vật có kh nả ăng kết n i và truy n d li u vớố ề ữ ệ i nhau, ngoài ra nh ng v t trên có ữ ậ

kh ả năng tương tác với th giế ới bên ngoài để có th th c hiể ự ện một nhi m v ệ ụ nào đó

M t vộ ậ ằt n m trong h th ng vệ ố ạn v t kế ốậ t n i có th là trái tim nhân tể ạo đang hoạt

động trong m t b nh nhân, cũng có thể là m t con chó trong m t trang trộ ệ ộ ở ộ ại đư c ợđeo một bộ chip nh xíu ở ới da, hoặỏ dư c cũng có thể là m t chiếộ c xe ô tô được tích hợp bộ đị nh v và có th c nh báo tài x khi c m bi n phát hi n bánh xe b xì l p, ị ể ả ế ả ế ệ ị ố

hoặc là bất kỳ ộ m t v t th nhân tậ ể ạo hoặc trong thiên nhiên nào mà được g n mắ ột định danh và có khả năng truyền t i thông tin thông qua mả ạng lưới v n vạ ậ ết nố t k i.

Cho đến thời điểm hi n nay, m ng v n v t k t nệ ạ ạ ậ ế ối đang dừng lạ ở ứi m c kêt nối giữa máy với máy, thường được áp d ng trong các ngành s n xu t, công nghi p s n ụ ả ấ ệ ả

xuất năng lượng, lọc dầu, Với khả năng tích hợp các bộ ảm biến, vi điều khiển ctrong các hệ ố th ng máy với máy, được xem là nh ng h thữ ệ ống thông minh, và đang ngày càng được nghiên cứu để m r ng ra nhiở ộ ều hơn những h th ng thông minh ệ ốkhác V i s h tr c a các công ngh hiớ ự ỗ ợ ủ ệ ện nay, các thiết bị đã được gắn các bộ ả c m

biến để thu nhận thông tin từ th giế ới bên ngoài, rồi sau đó sẽ ự động truyền gử t i thông tin đó đến các thi t b khác ế ị

Các ví dụ ện đang có trên thị trường đó chính là nhà thông minh đượ hi c trang

b ị các tính năng như tự động đóng rèm, tự độ ng bật lò sưởi nếu nhiệ ột đ xu ng th p, ố ấ

h thệ ống đo đạc và thông gió, hệ thống điều ch nh không khí, các thi t b s y, giặt ỉ ế ị ấquần áo được kết nối, máy l c không khí, các lo i t l nh có s dọ ạ ủ ạ ử ụng wifi để người

s d ng có th ử ụ ể điều khi n t ể ừ nơi khác khi cần thiết

Sau này, khi được triển khai đến m c t ng hoá, thì m ng v n v t k t n i s ứ ự độ ạ ạ ậ ế ố ẽđược áp dụng đại trà trong nhiở ều lĩnh vực c a đ i sủ ờ ống Khi đó, mạng v n v t k t ạ ậ ế

nối sẽ ứa hẹn là sẽ ạo ra được một lượng khổng lồ các loại dữ ệu từ đa dạng các h t linguồn, dẫn đến là sự đòi hỏi một tốc độ truyền dữ ệu nhanh, một bộ lưu trữ li kh ng ổ

lồ, một hệ ố th ng các cách đánh chỉ mục, xử lý các dạng dữ ệu này một cách thông liminh hơn

Mạng vạn vật kết nối đang là một trong những cốt lõi quan trọng nhất của việc phát tri n thành ph thông minh và các h th ng quể ố ệ ố ản lý năng lượng thông minh

Khái niệm Mạng vạn vật k t n i lế ố ần đầu tiên được ra mắt thế giới nhờ Kevin Ashton, người lúc đó đang làm việc tại Proter và Gamble, sau đó được đ i tên thành ổcông ty MIT’s Auto-ID Ông gi i thi u khái ni m này v i th giớ ệ ệ ớ ế ới vào năm 1999.[1] 1.2 Thuật ng ữ

Thuật ngữ ạng vạn vật kết nối ( Internet of Things, IoT), là một khái niệm để mchỉ ộ m t mạng lướ ồi g m r t nhi u nh ng thi t b có kh ấ ề ữ ế ị ả năng nhận biết, cũng như là trao đổi thông tin đến các s v t khác trong mự ậ ạng lưới C m t ụ ừ này được đưa ra b i ởngài Kevin Ashton vào năm 1999

Ông là người đã sáng lập ra trung tâm Auto-ID Đây là một địa điểm n i ti ng ổ ế

th giế ới, nơi đã nghiên cứu và đưa ra những quy chuẩn toàn cầu dành cho RFID,

một phương thức giao tiếp không dây được áp dụng với sóng radio, cũng như một

s cố ảm biến khác Sau khi được ông đưa ra thế giới vào năm 1999, thì khái niệm mạng vạn vật kết nối đã dần dần được dùng nhiều hơn bởi các nhà phân tích và các hãng s n xuả ất điện tử

Vạn vậ ở đây có thể được hiểu theo nhiều nghĩa Đó có thể là một máy theo t dõi nh p tim và g i dị ử ữ ệ li u cho các thi t bế ị khác Đó có thểlà một con gia súc được

gắn chip sinh học đ theo dõi ức khoẻ và gửi dữ ệu về ạng thông tin của trang ể s li m

trại đó

Hoặc đó cũng có thể là một chiếc xe hơi vớ ải c m bi n v ế ề lượng hơi còn lạ ởi trong l p xe, và báo lố ại cho người sử ụ d ng bi t Hoế ặc đó cũng có thể là m t thi t bộ ế ị phân tích gen để quan sát môi tr ng, thườ ức ăn, mầm b nh cệ ủa môi trường xung quanh Hoặc cũng có thể là m t thi t b chuyên dộ ế ị ụng để ỗ ợ độ h tr i chữa cháy trong

hoạt động phát hiện ra ngườ ặi g p n n và giạ ải cứu

Các chuyên gia trong ngành g ý là có th coi Vợi ể ạn Vật ở đây nên là một tổng

th ể được kết hợp hài hoà giữa phần cứng, phần mềm, các loại dữ ệu, cũng như là li

k t n i d ch v m ng ế ố ị ụ ạ

1.3 L ịch sử

Vào năm 1999 thì nhà khoa học Kevin Ashton đã đưa ra cho thế ớ gi i m t thu t ộ ậ

ng mữ ới đó chính là Internet of Things, hay gọi cách khác là mạng vạn vật kết nối Internet, nhằm để ch các vỉ ật th có thể ể được gắn thêm các thi t bế ị để ế ớ th gi i có thể

nh n biậ ết đến s t n tự ồ ại của chúng

Vào năm 2016, thì khái niệm M ng v n v t k t nạ ạ ậ ế ối Internet đã khẳng định được v trí cị ủa mình trong bước phát tri n t t y u c a nhân lo i, nh vi c h i t ể ấ ế ủ ạ ờ ệ ộ ụđược nhi u công ngh thi t y u, c n thi t cho vi c v n hành mề ệ ế ế ầ ế ệ ậ ạng lưới này

Những công nghệ này bao gồm công nghệ truyền tải vô tuyến hiện đang có

mặt một cách phổ ến trên khắp thế ới, khả năng phân tích dữ ệu vào cùng ột bi gi li m

thời điểm tố ết đ n từ các siêu máy tính, các loại cảm biến đã được thu nhỏ ọn đế g n

mức tối thiếu, và các hệ ống nhúng đã đượ th c phát triển đến một mức nhất định Điều này đồng nghĩa với vi c là t t c nh ng công ngh truy n thông c a quá ệ ấ ả ữ ệ ề ủ

khứ, như là các ệ ố h th ng nhúng công ngh ệ cũ, các mạng c m bi n không dây, các h ả ế ệ

thống thao túng hành v , các loại hệi thống không cần con người can dự, bao gồm nhà thông minh và các toà nhà được trang b các h th ng t ng ị ệ ố ự độ

Tất cả những thứ ừa kể ở bên trên đều đã góp v phần tích cực vào sự hình thành cũng như là khả năng vận hành được c a h th ng M ng v n v t k t n i ủ ệ ố ạ ạ ậ ế ốInternet

Một suy nghĩ khai nguồn về ột hệ ống Internet của các thiết bị thông mi m th nh

đã được các nhà khoa h c th o lu n v i nhau t t n nhọ ả ậ ớ ừ ậ ững năm 1982, ớ ự ắv i s b t ngu n là t mồ ừ ột máy bán nước Coca-cola t ng tự độ ại đại học Carnegie Mellon Chiếc máy này đã được điều chỉnh, gắn thêm các bộ phận, thiết bị để ở tr thành thiết bị đầu tiên trên thế ới được kết nối Internet Chiếc máy này có khả năng gử gi i thông tin về trung tâm về các thông tin như còn bao nhiêu lon nước, cung cấp nhiệt

độ ủ c a máy bán hàng khi vừa được b ỏ thêm các chai nước m i vào máy ớ

T ừ năm 1991, đã có một bản báo cáo một cách chưa đầy đủ v mề ột khái niệm gọi là điện toán tổng quan, tiếng anh là ubiquitous computing, của nhà khoa học Mark Weiser Không chỉ ừ d ng l i ạ ở đó, các viện khoa học như UbiComp và PerCom cũng cho ra mắt th gi i nh ng báo các v Máy tính th k 19, cho th gi i th y ế ớ ữ ề ể ỷ ế ớ ấ

một tầm nhìn mới về IoT cũng như là về cách triển khai của Mạng vạn vật kết nối Internet này

Vào năm 1994, một nhà khoa học tên là Reza Raji đã mô tả ề v khái ni m ệ

Mạng vạn vật kết nối Internet một cách chuyên sâu hơn trên tờ IEEE Spectrum Tại

t ờ báo này, ông mô tảo đây là một quá trình chuy n các thông tin theo d ng gói v i ể ạ ớkích thước nh sang m t t p h p các nút m ng lỏ ộ ậ ợ ạ ớn, để có th truy n t i thông tin và ể ề ả

t ự động hoá mọi thứ, và có thể được ứng dụng từ các thiết bị dùng trong cuộc sống hàng ngày cho đến nguyên c m t nhà máy s n xu t l n ả ộ ả ấ ớ

Và giữa những những năm 90 của thế ỷ k 20, có một công ty tên là at Work, một công ty con c a Microsoft, và cùng vủ ới đó là công ty Nest của Novell, đã có một vài giải pháp đề xu t về ấấ v n đề M ng vạn vật kết nối Internet Tuy nhiên, cho đến mãi tận ạnăm 1999 thì lĩnh vực này mới bắ ầt đ u thu được nh ng k t quả khả ữ ế quan

Bill Joy đã tường tượng được trước phương pháp truyề ả ữ ệ ừn t i d li u t thi t b ế ị

tới thiết bị ở trong một bộ 6 trang web của ông Ông đã diễn thuyết trước mặt công chúng những ý tưởng này t i Diạ ễn đàn kinh tế ế ớ ở Davos vào năm 1999 th gi i

Cũng vào năm 1999, thì khái niệm M ng v n v t k t nạ ạ ậ ế ối Internet đã trở nên

ph biổ ến với thế giới hơn, nhờ vào trung tâm Auto ID thuộc viện công nghệMassachusetts và nhờ những nhà khoa học đã có những báo cáo liên quan đến phân tích th ị trường có liên quan đến lĩnh vực này

-RFID, ti ng anh là Radio frequency identification, hay d ch ra ti ng vi c là ế - ị ế ệđịnh nghĩa tần s ố radio, đã được nh n đ nh b i Kevin Ashton, m t trong nh ng ậ ị ở ộ ữngười sáng l p ra trung tâm Auto ID là có khậ - ả năng khở ại t o Mạng lướ ại v n v t k t ậ ế

nối Internet và thời điểm đó Ông đề xuất rằng cụm từ Mạng lưới vạn vật kết nối Internet ra v i toàn th gi i ớ ế ớ

Nếu tất cả mọi vật thể và con người trong cuộc sống thường ngày đều được

kết nối và trang bị những thiết bị định danh, các máy tính có thể quan lý và lưu trữ

nh ng thông tin v ữ ề những v t trên ậ

Bên cạnh dùng định danh t n s vô tuy n, viầ ố ế ệc đánh dấu các vật th có thể ể đạ t được nh nh ng công ngh ờ ữ ệ thông tin như là thông tin liên lạ ầc t m g n, mã hoá ô ầvuông, và d u n công ngh ấ ấ ệ cao

1.4 Kh ả năng định danh đ c nhấộ t

Một trong những điểm mấu ch t c a M ng v n v t k t nố ủ ạ ạ ậ ế ối Internet đó chính là

tất cả những vậ ở trong mạng lưới đều phảt i đư c nhận biết và có một phương thức ợ

nhận định danh tính riêng

Nếu tất cả các vật thể, bao gồm cả con người, đều mang trong mình một định danh riêng để có th phân bi t và quể ệ ản lý đối tư ng này v i đợ ớ ối tượng khác, thì máy tính hoàn toàn có th ể quản lý được một mạng lướ ồi g m t t c ấ ả các vật thể trên

Việc đ nh danh, hay tagging, có th ị ể được hi n th c hoá ngày nay, thông qua ệ ự

việc sử ụng những công nghệ ện đại, ví dụ như định danh bằng tần số ra đa, giao d hi

ti p thông tin tế ầm gần, mã vạch, mã QR, đánh dấu k thu t s , ỹ ậ ố

Việc liên k t các thiết bị ớế v i nhau có th ể được hi n th c hoá thông qua các ệ ựcông nghệ ủ c a ngày nay như là Wifi, mạng viễn thông băng thông rộng như là 3G

và 4G, các công ngh giao ti p tệ ế ầm gần như là Bluetooth, Zigbee, hồng ngo i, ạNgoài những phương pháp giao tiếp và kết nối các vật thể ới nhau như vừ v a

k ể ở trên, thì nếu nhìn từ ế ới Internet, chúng ta có thể gán cho từng vật thể ộ th gi m t

địa ch duy nhỉ ất để có th ể xác định t ng v t th mừ ậ ể ột, tương tự như là việc gán địa chỉ IP cho các trang web

Mỗi một thiết bị ẽ được gán cho một địa chỉ IP duy nh s ất và độc nh t, không ấ

b ị trùng lặp với bất kỳ một vật thể hay một con người nào khác Hiện nay, v i sớ ự

xuất hiện của công nghệ IPv6 với khả năng lưu trữ không gian địa chỉ ực kỳ ộ c r ng

lớn thì mọi thứ có thể ẽ ễ dàn được gán cho mộ s d t đ a chỉ IP duy nh t và không ị ấ

nhầm lẫn với bất kỳ ột vật thể nào khác Đây là một tiền đề quan trọng giúp cho m

mọi thứ có thể được dễ dàng kết nói với nhau cũng như là được kết nối vào Mạng lưới m ng v t k t n i vào Internet ạ ậ ế ố

1.5 Xu hướng và tính ch t ấ

Thực tế ra mà nói, thì các yêu cầu về ự thông minh cũng như là không cầ s n

đến s can d cự ự ủa con người trong quá trình điều khi n th c ch t không ph i là m c ể ự ấ ả ụtiêu b u trong quá trình phát tri n c a IoT trong nhan đầ ể ủ ững năm đầu tiên

Mục tiêu đặt ra của Mạng vạn vật kết nối Internet không là các máy móc có thểđược d dàng k t n i vễ ế ố ới nhau, để khi chúng nh n biậ ết được các thay đ i c a môi ổ ủtrường xung quanh, chúng s có th t ẽ ể ự điều ch nh b n thân và ph n ng lỉ ả ả ứ ại đố ới v i

những thay đổi đó mà không cần có s k t nự ế ối đến Internet

Trong những năm gần đây, người ta đang có những bước đi táo b o trong vi c ạ ệnghiên cứ để có thể ế k t hợp các khái niệm đó là Mạng lướ ại v n vậ ế ốt k t n i Internet

và điều khi n t ể ự động l i vạ ới nhau Trong tương lại, Mạng lưới v n v t k t n i ạ ậ ế ốInternet s có thẽ ể ở tr thành m t mộ ạng lưới những v t thậ ể thông minh được điều khiển và kết nối với nhau, và có khả năng tự đưa ra quyết định trong từng tình

huống đơn lẻ mà chúng gặp phải Không chỉ ừng lạ ở đó, chúng phải còn có khả d i năng kết n i vố ới nhau để có th ể trao đổi thông tin và cùng nhau tương tác với các thông tin đó để có th t ể ự điều ch nh m t cách t ng ỉ ộ ự độ

Việc giúp các thi t b tr nên t ế ị ở ự động và thông minh hơn, và tích hợp các thi t ế

b ị đó vào mạng vạn vật kết nối Internet có thể giúp các thiết bị theo dõi và thu thập các thông tin đế ừ ệc con người tương tác ớn t vi v i các thi t b thông minh T vi c ế ị ừ ệquan sát và thu thập các dữ ệu đó, các hệ ố li th ng s có th phát hiẽ ể ện ra các kiến thức

mới mà con người còn bỏ sót, liên quan đến thế ới xung quanh, đến môi trườ gi ng,

đến các m i quan h cố ệ ủa con người trong xã hội, cũng như là các hành vi ứng x ử

của con người [2]

1.6 Ki ến trúc dựa trên s ự kiện

Khi m i vi c diọ ệ ễn ra đúng theo những gì đã được thiế ết k , thì các thi t bế ị được

kết nối trong mạng lưới vạn vật kết nối Internet sẽ ghi nhận dữ ệu và gửi những dữ li

liệu đó trong lúc chúng đang hoạt động theo thời gian thực Một số những chuyên gia đầu ngành cho r ng m t h th ng các mằ ộ ệ ố ạng lướ ải c m bi n, các sensor, chính là ếmột trong những thành phần đơn giản, và là một dạng đơn giản hoá của mạng lưới

v n v t kạ ậ ết nối Internet

1.7 Là m t h thộ ệ ống phức tạp

Ở trong m t th gi i m , thì mộ ế ớ ở ạng lướ ại v n v t k t n i Internet s mang trong ậ ế ố ẽmình m t ki n trúc vô cùng phộ ế ức tạp, b i vì mở ạng lưới này bao g m mồ ột lượng lớn các liên kết gữa các thiết bị, các máy móc, các cảm biến, các dịch v v i nhau ụ ớ

Ngoài ra, hệ ống này còn phải đảm bảo các yếu tố như được kết nối với bộ lưu trữ th

d liữ ệu, các hệ ống cung cấp nguồn điện, các hệ ống điều khiển hành vi của các th ththiết bị Nói chung, đây là một hệ ống vô cùng phức tạp, bao gồm vô vàn nhữ th ng

k t n i t thiế ố ừ ết bị này đến thi t b khác, t b phế ị ừ ộ ận này đến b phộ ận khác

1.8 Kích thước

V ề lý thuyết, một mạng lưới vạn vật kết nối Internet có thể chứa được một số

vô hạn các thiết bị cũng như là đối tượng ở trong mạng lưới của mình Tuy nhiên,

với công nghệ như hiệ nay, thì mn ột mạng lướ ạn vật kết nối v i Internet có th ể được bao g m khoồ ảng 50 cho đến kho ng 100 nghìn tả ỷ các đối tượng được kết n i vố ới nhau và mạng lưới này có th theo dõi các thông tin cể ủa từng đối tượng, như là vị trí

hiện tại, cũng như là những thông tin được gửi về ệ ống từ các cảm biến mà các h ththi t b ế ị đó đang có

Một cá thể người sống ở trong một thành phố đông đúc có thể sẽ bị bao vây xung quanh bởi khoảng 1000 cho đến khoảng n a vử ạn các thiết bị có khả năng theo dõi Điều này v a có nh ng m t tích cừ ữ ặ ực cũng như là những m t tiêu c c ặ ự

V mề ặt tích cực, điều đó có nghĩa là hệ thống sẽ biết được nhiều hơn những thông tin liên quan đến con ngườ ấi y, đ t ể ừ đó có thể đưa ra những thông tin cũng như là những điều khi n t ng c n thi t đ giúp cu c s ng cể ự độ ầ ế ể ộ ố ủa người đó trở nên

tốt hơn

Ví dụ như vào giờ cao điểm, các thi t b theo dõi và báo vế ị ề ệ ống là ngườ h th i

đó đang đi ở trên đường A và s p chuắ ẩn bị đi vào đường B Tuy nhiên, các thi t bế ị theo dõi tại đoạn đường B g i vử ề thông tin là đoạn đường B hiệ đang bị ắc đườn t ng

m t cách nghiêm tr ng, và g i thông tin này v h th ng ộ ọ ử ề ệ ố

Biết được thông tin này, và đồng th i biờ ết được v trí hi n t i cị ệ ạ ủa người đó, hệ

th ng s t ố ẽ ự động thông báo cho người đó là đừng đi vào con đường B nữa, và đồng

th i cung c p cho ờ ấ người đó một con đường thay th không b tế ị ắc đ người đó đi.ể

Đó là một trong các ví d v nhụ ề ững ưu điểm c a vi c bao quanh m t cá th ủ ệ ộ ểcon ngườ ởi b i khoảng 1000 cho đến 5000 thi t b có kh ế ị ả năng theo dõi ở trong m t ộthành phố Về ặ m t tiêu c c, thì nhự ững kẻ ấ x u có th khai thác các thi t bể ế ị trên để có

th ể khai thác được các thông tin liên quan đến đ i tư của con ngườờ i trên H ọ đi đâu làm gì cũng bị người khác theo dõi H ọ nói gì làm gì cũng bị các thi t b ghi l i và ế ị ạ

những câu họ nói có thể ị lôi ra làm bằ g chứng để chố b n ng l i h b t c lúc nào ạ ọ ấ ứNói chung là có r t nhi u nhấ ề ững điều tiêu c c có thự ể ả x y ra khi một con ngườ ị i bbao quanh b i quá nhi u nh ng thi t b có khở ề ữ ế ị ả năng theo dõi và được kết n i vố ới nhau trong m t thành ph ộ ố

1.9 V ấn đề không gian, th i gian ờ

Trong m ng v n v t k t n i Internet, thì v trí chính xác cạ ạ ậ ế ố ị ủa mộ ật nào đó tại t vthời gian thực là rất quan trọng Trong thời điểm hi n t i, thì mệ ạ ạng internet đang được khai thác ch yủ ếu để có th x lý và qu n lý thông tin bể ử ả ởi con người Do v n ấ

đề trên, nên vi c qu n lý nhệ ả ững thông tin như thời gian, địa điểm, không gian c a ủ

một đối tượng không tạo ra được nhiều sự khác biệt và không tối quan trọng, do đ i ốtượng x ử lý các thông tin trên là con người, n u c n thì h có th h i và b xung ế ầ ọ ể ỏ ổthêm các thông tin trên

Tuy nhiên, thì v lý thuy t, thì mề ế ạng vạn v t k t n i Internet s thu th p r t rậ ế ố ẽ ậ ấ ất nhiều những dữ ệu, những thông tin, và trong đó có cả li những thông tin dư thừa như là địa điểm, và vi c g i nhệ ử ững thông tin đó về và x ử lý được h thệ ống coi như

là không quan tr ng và không hi u qu khi x lý Ngoài ra, thì viọ ệ ả ử ệc xử lý một lượng

lớn dữ ệu trong một khoảng thời gian ngắn để có thể đáp ứng được nhu ầu phả li c n

ứng ngay l p t c c a các v t th ậ ứ ủ ậ ể cũng đang là một thách thức đang được các nhà khoa học tìm phương án gi i quy t [3] ả ế

1.10 Luồng năng lượng m i ớ

Tại thời điểm hiện tại thì Mạng vạn vật kết nối Internet đang trải qua quá trình phát triển một cách bùng n , do có sổ ự góp s c của các nhân tốứ mới, trong đó có IPv6 và m ng 4G Ngoài 2 y u t trên ra thì còn có cáạ ế ố c yế ố khác cũng ảnh hưởu t ng không nhỏ đến s phát tri n bùng nự ể ổ ủ c a Mạng v n v t k t nạ ậ ế ối Internet, đó chính là chi phí, tính s n có c a các công nghẵ ủ ệ ầ c n thi t Nhà khoa h c Gary Atkinson, giám ế ọ

đốc ti p th s n ph m nhúng cế ị ả ẩ ủa ARM đã đưa ra các nhận đ nh cị ủa mình đó là, hiện nay, đã có rất nhi u nh ng thi t b đã ch ng t ề ữ ế ị ứ ỏ đượ ằc r ng có th thu nh p các lo i ể ậ ạthông tin và có thể truyền t i các loả ại thông tin này nhưng lại có giá rất rẻ, chỉ khoảng 30 đô la cho mộ ảt s n ph m ẩ

Hiện nay, chúng ta đã có thể được ch ng ki n các b ứ ế ộ vi điều khi n ph c t p ể ứ ạnhư là loại 32 bit được xây d ng trên n n tự ề ảng ARM đang có giá chỉ trên dưới 1 đô

la V i nh ng bớ ữ ộ vi điều khi n ki u này, thì b n có thể ể ạ ể làm được vô vàn những điều khác nhau Vi c thu th p và truy n t i dệ ậ ề ả ữ ệ li u đã tr ở nên rẻ hơn bao giờ ết Chỉ ớ h v i

50 xu là bạn đã có thể ở ữu đượ s h c cho mình m t b vi xộ ộ ử lý 32 bit được chế ạ t o

bởi ARM rồi

Công ty ARM đã đi trước các công ty khác trong việc nhận ra rằng, là các ổ đĩa

có xu hướng sử dụng các b vi điều khiểộ n đư c sản xuất bởợ i hãng này v i cấu tạo 32 ớbit có thể sẽ là m t phương pháp hoàn hảo cho những nhữộ ng ngư i có trách nhiệm thực ờhiện một vài những quy t đ nh riêng của họ một cách hoàn toàn tự động ế ị

Ông Gary tin răng, khả năng cũng như là những điều mà nh ng b vi ữ ộ điều khiển có thể làm được ngày một gia tăng theo thời gian, và điều đó cũng có nghĩa

rằng, theo thời gian, con người sẽ có thể làm được những điều mà trước đây được cho r ng là b t kh thi ằ ấ ả

Trong vòng 5 năm tiếp theo, các b n s có th thạ ẽ ể ấy được ngày càng nhi u ề

những thiết bị đáp ứng được những yêu cẩu của Mạng vạn vật kết nối Internet trên

th ị trường Một trong những yêu cầu và thách thức đang được đ t ra bây giờ là làm ặ

th ế nào để có thể lưu trữ và quản lý dữ ệu Vi c chuy n sang dùng h li ệ ể ệ ố th ng IPv6

là một trong những giải pháp được các chuyên gia đầu ngành đưa ra Hệ ống IPv6 th

hiện nay đã sẵn sàng, và hiện đang được cấp phát các đ a chỉ để các trang web sửị

dụng Hệ ống IPv4 đã cạn kiệt và cho đến năm 2011 thì những đị th a ch IPv4 cu i ỉ ốcùng cũng đã đượ ử ục s d ng

Ông Axel Pawlik, giám đốc qu n lý cả ủa RIPE NCC đã giải thích r ng t i sao ằ ạ

h thệ ống IPv6 lại là một trong những nhân tố vô cùng quan trọng trong việc phát triển của IoT V i s góp m t c a IPv6, chúng ta sớ ự ặ ủ ẽ ở ữu cho mình đượ s h c một lượng địa ch ỉ để định danh vô cùng phong phú và điều này s cho phép mẽ ạng lưới

có th ể gán một địa chỉ đị nh danh cho t ng thi t b m t thông qua các con chip ừ ế ị ộĐiều này s là m t giẽ ộ ải pháp vô cùng đơn giản và hi u qu , d dàng th c hi n ệ ả ễ ự ệ

và tri n khai, và vi c có thể ệ ể gán định danh cho t ng các thi t b riêng bi t, sừ ế ị ệ ẽ đem

lại tiềm năng phát triển vô cùng to lớn cho hệ thống Mạng lưới vạn vật kết nối Internet [4]

Ông Lan Pearson, m t trong nh ng nhà khoa h c chuyên nghiên cộ ữ ọ ứu về những bước phát tri n cể ủa tương lai, người đã đạt được nh ng thành tích vô cùng ữ ấn tượng khi còn làm việc tại các hãng BJ, Canon và Fujitsu đã đưa ra nhận định của mình,

đó là, những gì trong hi n tệ ại mà chúng ta đang thấy là do chúng ta hi n tệ ại chưa có đầy đủ nh ng tiữ ền đề ộ ụ h i t và phát tri n nhanh ể chóng Điều này s không gi ng v i ẽ ố ớ

bất kỳ một điều gì mà chúng ta đã từng thấy trước đó Để có thể áp dụng những điều này trong vi c xây d ng m t h th ng mệ ự ộ ệ ố ạng lướ ại v n v t k t nói Internet, thì ậ ếchúng ta c n ph i phát triầ ả ển để có thể hướng đến nh ng công nữ gh mệ ới, để giúp chúng ta có thể có được nh ng chi c máy tính có tữ ế ốc đ x ộ ử lý nhanh hơn, có những

ổ đĩa có khả năng lưu trữ và truy xuất thông tin nhanh hơn

1.11 Các h thệ ống phụ

Khi chúng ta nói đến mạng v n v t k t n i, thì không nh t thi t là chúng ta ạ ậ ế ố ấ ế

ph i ả cho tất cả các thiết bị đều phải được kết nối với internet Chúng ta có thể ạo ra tnhững mạng lưới nhỏ, và hoạt động đơn lẻ, mà không nhất thiết phải kết nối chúng

v i m ng toàn c u ớ ạ ầ

Ví dụ như một căn nhà thông minh, trong đó, các đồ ậ v t trong ngôi nhà có th ể

t ự tương tác và gửi dữ ệu cho nhau mà không cần phải kết nối vào internet, trừ li khi chúng ta cần điều khi n nó t m t v trí cách xa nhà ể ừ ộ ị

Ngôi nhà như vậy có th ể được coi là m t h th ng phộ ệ ố ụ, subsystem Điều này cũng tương tự như việc hi n nay chúng ta có các m ng LAN, WAN, mạng ngang ệ ạhàng n i b ộ ộ chứ không c n k t nầ ế ối trực ti p vào Internet ế

Mạng vạn vật kết nối Internet có vô vàn những ứng dụng, chúng ta có thể ể k

đến m t vài nh ng ng d ng cộ ữ ứ ụ ủa IoT như là: quản lý ch t th i, quấ ả ản lý đô thị, qu n ả

lý môi trường, ph n h i trong các tình hu ng kh n c p, mua s m thông minh, qu n ả ồ ố ẩ ấ ắ ả

lý các thiết bị cá nhân, đồng h ồ đo thông minh, và ngôi nhà thông minh

1.13 Qu n lý h tả ạ ầng

Một trong những ứng dụng quan trọng của Mạng vạn vật kết nối Internet đó chính là vi c theo dõi và kiệ ểm soát các hoạt động của cơ sở ạ ầng đô thị h t và nông thôn như là cầ , đườu ng ray, và các trang tr ại

Các cơ sở ạ ầng đượ h t c tích h p IoT có th ợ ể được theo dõi t xa các s ki n ừ ự ệ

ho c nhặ ững thay đổi trong cơ cấu một cách tự động, và gửi những thông tin quan

trọng đến cho những người qu n lý ả

Nó cũng có thể được dùng để có th l p nh ng k ho ch hoể ậ ữ ế ạ ạt động s a ch a ử ữ

và b o trì m t cách hi u qu , b ng cách phả ộ ệ ả ằ ối hợp các nhiệm vụ ữ gi a các nhà cung

c p d ch v ấ ị ụ khác nhau và ngườ ử ụi s d ng của các cơ s này.ở

Bằng cách theo dõi và quản lý các hoạt động của các cơ sở ạ ầ h t ng, IoT s ẽgiúp chúng ta có thể ải thiện quản lý sự ố và phối hợp ứng phó khẩn cấp, và năng c c cao chất lượng d ch v , và gi m chi phí hoị ụ ả ạt động trong t t cấ ả các lĩnh vực cơ s h ở ạ

tầng liên quan Ví dụ như các lĩnh vực như xử lý chất thải sẽ được hưởng lợi từ ệc vi

t ng hoá và tự độ ối ưu hoá được mạng lạ ừ ệc ứi t vi ng d ng IoT ụ

1.14 Y tế

Các thi t bế ị được kết nối với mạng v n vạ ật kết n i Internet có thố ể được sử

dụng để có thể theo dõi sức khoẻ ủ c a đối tượng từ xa, và có thể thông báo khẩn cấp đến người thân n u có vế ấn đề gì x y ra ả

Các thiết bị theo dõi s c kho có thứ ẻ ể theo dõi các thông tin như huyết áp, nhịp tim, và có khả năng theo dõi và điều khi n các thiể ết bị ỗ ợ ự ống khác như là h tr s smáy điều hoà nh p tim ho c tr thính tiên ti n ị ặ ợ ế

Các cảm bi n có th s ế ể ẽ được gắn tr c ti p vự ế ào trong cơ thể ủa ngườ c i bệnh để

có th ể theo dõi được sức kho cẻ ủa ngườ ệnh từi b xa

1.15 T ng hoá các toà nhà ự độ

Các thi t b trong m ng v n v t k t n i Internet có thế ị ạ ạ ậ ế ố ể được dùng để có thể giám sát và qu n lý các hả ệ ống cơ khí, điện và điệ th n tử được sử ụ d ng ở trong các toà nhà Các hệ thống trong toà nhà thường được ứng d ng công nghụ ệ IoT đ t ể ự

động hoá bao gồm: điều khi n chiể ếu sáng, sưở ấm, thông gió, điềi u hoà không khí, các loại thi t b , h thông thông tin liên l c, gi i trí và các thi t b an ninh gia ế ị ệ ạ ả ế ị đình

để có th ể năng cao được s ti n l i, tho i mái và hi u qu trong vi c s dự ệ ợ ả ể ả ệ ử ụng năng lượng và đảm b o an ninh ả

Các thi t bế ị phần c ng, giao thứ ức sử ụ d ng trong IoT là rất đa dạng và có ưu nhược điểm riêng, phù h p v i t ng yêu c u nhợ ớ ừ ầ ất định khi tri n khai h th ng Vi c ể ệ ố ệ

lựa chọn công nghệ ử ụng phụ s d thuộc rất lớn vào yêu cầ ứng dụng cụu th ể cũng như khả năng về ặt con ngườ m i, tài chính c a t ng công ty hay t chủ ừ ổ ức Nhưng tất

c nhả ững thành phầ ấy phải được ắp xếp lại với nhau theo một mô hình chung sao n scho có thể ậ t n dụng được lợi thế ủ c a từng thành phần cũng như mà vẫn đảm bảo

nh t quán ấ

CHƯƠNG 2 NGHIÊN C U CÁC D NG ANTEN M NG VÀ NG D NG Ứ Ạ Ả Ứ ỤTrong Chương 2, ậlu n văn trình bày nh ng ki n th c cơ b n v anten m ng, ữ ế ứ ả ề ảbao gồm định nghĩa, những lo i anten mạ ảng cơ bản và những đặc điểm, tính chất

của từng loại anten Sau đó, là nh ng ữ ứng dụng của anten mảng ở trong những lĩnh

vực có tính ứng dụng cao ở trong cuộc sống, đó là những ng d ng ứ ụ ở trong lĩnh vực

h thệ ống radar, máy đo phóng xạ, lò vi sóng,

2.1 Ki ến thức cơ ản về anten mảngb

Những anten lớn có thể phát hiện được tín hiệu bị ỗi tốt hơn nhiều so vớ l i

những anten nhỏ Một anten lớn thu được nhiều tín hiệu điện từ trường nhiều hơn,

giống như là một cái xô lớn thì thu được nhiều nước mưa hơn

Anten đơn có khẩu độ ớ l n nh t trên th gi i là Kính vi n v ng rada Arecibo ấ ế ớ ễ ọ

nằm tại thành phố Puerto Rico được xây dựng bên trong một toà tháp khổng lồ, Việc di chuy n anten này sang m t đ a đi m khác, ho c vi c quay anten là m t vi c ể ộ ị ể ặ ệ ộ ệ

gần như là không thể

Một cách khác để có th ể thu được nhiều nước mưa hơn ở ví dụ trên, đó chính

là vi c dùng nhi u nh ng chi c xô nh thay vì dùng m t chi c xô to L i ích cệ ề ữ ế ỏ ộ ế ợ ủa

việc dùng nhiều xô nhỏ như vậy đó chính là việc chúng ta có thể ễ dàng mang d

những chiếc xô đi từng chiếc từng chiếc mộ thay vì một chiếc xô lớn thì chúng ta t,

s không th ẽ ể nào mang đi đâu được

Việc thu sóng điệ ừ trườn t ng hoạt động theo một cách tương tự như vậy Nhiều anten nh có thỏ ể được dùng để thu các sóng điện từ trường Nếu đầu ra của các anten được k t h p v i nhau ế ợ ớ để tăng cường tín hi u nhệ ận được, thì anten đó được

gọi là anten mảng Một mảng anten như vậy thậm chí có thể làm ở trên quy mô cực

k lỳ ớn như là đài quan sát sóng rada Square Kilometer Array Anten này có khẩu đ ộ

xa hơn rất nhi u so v i b t k m t anten nào tề ớ ấ ỳ ộ ừng được xây d ng trên th gi i, th m ự ế ớ ậchí có khẩu độ ớn hơn hàng trăm lầ l n so v i anten Arecibo Anten này s có khớ ẽ ả năng phát hiện ra được nh ng tín hi u b suy y u cách r t xa so v i ngu n phát ữ ệ ị ế ấ ớ ồMột anten mảng thì có cấu tạo phức tạp hơn rất nhiều so với mộ ệ ốt h th ng các cái xô để đựng nước mưa Việc thu th p N chiếc xô đầy nước mưa và đổ chúng vào ậ

một chiếc xô lớn hơn dẫn đến việc lượng nước mưa mà chiếc xô to nhận được bằng với tổng lượng nước của N chiếc xô con, nếu chúng ta coi như là không có giọt nước nào b ra ngoài ị đổ

Do sóng điệ ừ trườn t ng có m t thông s g i là pha bên c nh vi c có c thông ộ ố ọ ạ ệ ả

s khố ẩu độ, nên chúng phải được kết hợp với nhau một cách đ ng thời, với tất cảồ

đều ph i cùng pha v i nhau, n u không thì t ng tín hiả ớ ế ổ ệu thu đượ ẽ ị ổc s b t n hao Điều này dẫn đến vi c là không ch t ng thành ph n trong anten m ng quan ệ ỉ ừ ầ ảtrọng, mà việc tổng hợp các tín hiệu sau khi các anten đã thu nhận được cũng vô cùng quan tr ng ọ

Một mảng anten có rất nhiều những điểm tích cực hơn so với một anten thành phần đơn lẻ Việc đo đạc tín hiệu trước khi kết hợp các tín hiệu đó cho phép tăng cường các tính năng của anten, ví d ụ như là bức xạ can thiệp và định hướng tia mà không ph i tr c ti p can thi p và m t v t lý c a khả ự ế ệ ặ ậ ủ ẩu độ

Điều này còn cho phép chúng ta tạo ra được m t anten m ng có kh ộ ả ả năng thay

đổi chức năng của nó dựa theo môi trường xung quanh Tuy nhiên, giá thành phải

tr ả cho những tính năng hấp dẫn trên sẽ ngày càng cao và đòi hỏi một hệ th ng ốanten phức tạp hơn [5]

2.2 Anten mảng tuyến tính

Anten m ng tuy n tính là d ng anten mả ế ạ ảng đơn giản nh t trong các lo i anten ấ ạmảng Trong đó, các phần t ử anten được s p x p d c theo mắ ế ọ ột đường th ng và ằ

thường có kho ng cách liên ph n t ả ầ ử là đều nhau Anten m ng tuy n tính là anten d ả ế ễphân tích và d hiễ ểu nhất trong s ố các loại anten m ng Anten m ng tuy n tính có s ả ả ế ốlượng m ng nh nh t là m ng 2 ph n t ả ỏ ấ ả ầ ử

2.2.1 Anten mảng hai phần tử

Đây là loại anten đơn giản và cơ bản nhất, đó chính là anten mảng bao g m 2 ồ

phần tử Nó có thể đại diện cho các anten mảng lớn hơn vì do có cùng đặc tính và là điểm xuất phát để ta có th hiể ểu được m i quan v v các lo i pha gi a các ph n t ố ệ ề ạ ữ ầ ửthuộc các mảng liền kề

Trong Hình 2.1, chúng ta có thể ấy đượ th c 2 anten dipole r t nh phân c c theo ấ ỏ ựchi u dề ọc đã được sắp đặt theo tr c y và có kho ng cách v i nhau là d ụ ả ớ

Điểm t ừ được đ t cách g c to m t kho ng cách là r v i r lặ ố ạ độ ộ ả ớ ớn hơn rất nhi u ề

so với d Do đó chúng ta có thể coi như là các vecto khoảng cách 1,

Hình 2.1 Hai anten dipole cực nhỏNguyên lý quan trọng nhất được chứng minh từ ảng có 2 phần tử đó là ta có m

th ể tách biệt hệ ố s phần tử và hệ ố ảng Hệ ố ảng có thể được chúng ta tính ra s m s m

t bừ ất kỳ ột anten mảng nào mà không cần phải quan tâm đến phần tử nào được mchọn, mi n là ch c n tấễ ỉ ầ t c các phần tử đềả u gi ng nhau Vì v y, việc phân tích ố ậ

anten m ng trong các ph n tả ầ ử đẳng hướng sẽ ễ hơn Sau khi đã thiế d t kế xong anten

m ng, chúng ta có th d a vào nh ng yêu c u thả ể ự ữ ầ ực tế để có th b xung thêm nh ng ể ổ ữ

ph n t ầ ử anten mảng đặc trưng cần thi vào ết

Các phần tử anten có th ể bao gôm m t cách không h n chộ ạ ế các anten như dipole, vòng, anten hình s ng, ng d n sóng, và anten d ng b ng ừ ố ẫ ạ ả

Để có th di n d i mể ễ ả ột cách chính xác hơn về ứ b c x anten m ng thì chúng ta ạ ả

cần phải khảo sát thêm về ảnh hưởng của sự liên kết giữa các phần tử anten lân cận

với các phầ ửn t anten thêm kia

Hình 2.2 (a) Đồ thị ức xạ Dipole (b) Đồ ị ức xạ anten mả b th b ng (c)

Đồ ị ứ th b c x t ng ạ ổ

2.2.2 Anten mảng tuyến tính N phần tử đồng dạng

Anten mảng tuyến tính thì s bao quát nhi u thẽ ề ứ hơn là so với anten m ng N ả

phần tử Để cho mục đích nghiên cứu, chúng ta sẽ coi như là tất cả các phần tửanten là cách đều nhau và có cùng góc c c ự

Sau đó, ta sẽ ế ti n hành khảo sát các trường h p có góc c c tu ý b t k ợ ự ỳ ấ ỳ

Hình 2.3 cho ta thấy một anten mảng tuy n tính N ph n tế ầ ử không đồng nhất

với nhau, trái ngược với các phầ ửn t anten bức xạ đẳng hướng

Hình 2.3 Anten mảng truyến tính N phần tửChúng ta đưa ra tình huống là ph n t th n l ch v i (n 1) bầ ử ứ ệ ớ - ằng m t phép d ch ộ ịpha thêm radiant Chúng ta có thể ễ dàng thực hiện phép dịch pha này bằng cách d

d ch pha cị ủa anten đang được kh o sát vả ới mỗi ph n t ầ ử

2.2.2.1 Anten m ng tuy n tính Broadside ả ế

Thông thường, các anten m ng tuy n tính s hoả ế ẽ ạt động ch ở ế độ broadside Anten mảng mà được gọi là broadside là b i vì bở ức xạ ự c c đại ngang v i c u trúc ớ ấhình học của mảng

Hai búp sóng chính được bi u th trên hình vì anten mể ị ảng broadside đối x ng ứ

qua đường Do khoảng cách phầ ử ảng tăng lên, anten mản t m ng kéo theo

đó cũng sẽ ở lên dài hơn, do đó sẽ tr làm giảm độ ộ r ng búp sóng chính Nguyên t c ắchung cho bức xạ anten mảng là độ ộ r ng búp sóng chính tỉ ệ l nghịch với độ dài anten m ng ả

2.2.2.2 Anten m ng tuy n tính End-fire ả ế

Dựa theo tên gọi của loại anten này, chúng ta có thể ểu đượ hi c rằng bức xạ ự c c

đạ ủi c a anten m ng n m d c theo tr c ch a các ph n t anten mả ằ ọ ụ ứ ầ ử ảng Do đó, bức x ạ

cực đạ ằ ởi n m phía cu i cùng c a anten m ng ố ủ ả

Chú ý rằng độ ộng búp sóng chính cho trườ r ng h p end fire gợ - ốc sẽ ớ l n hơn độ

rộng búp sóng trong trường hợp broadside Cho nên, các anten mảng thuộc dạng end-fire góc không cho cùng hiệu quả ề độ ộng búp sóng như anten mả v r ng broadside

Hiệu quả độ ộng búp sóng trong trường hợp này sẽ là mối quan hệ liên quan r

giữa độ ộ r ng búp sóng có th ể đạt được vớ ổng đội t dài c a anten m ng ủ ả

Hình 2.4 Anten mảng broadside 4 phần tử với và và d = 0.25 , 0.5 và 0.75 2.2.2.3 Anten m ng tuy n tính lái búp ả ế

Một anten mảng tuyến tính lái búp là một anten mảng mà có độ ịch pha là mộ d t giá tr biị ến thiên, do đó làm cho búp sóng chính hướng tới bấ ỳ hướt k ng nào có ích Các điều ki n c a anten broadside và end-ệ ủ fire là các trường hợp đặc bi t c a ệ ủanten mảng lái búp tổng quát hơn

Hình 2.5 Anten mảng end-fire 4 phần tử với và và d = 0.25 , 0 5 và 0 75 2.2.3 Anten mảng có trọng số và anten m ng lái búp ả

Như chúng ta đã thảo lu n v anten m ng lái búp có tr ng s u trên, ta có ậ ề ả ọ ố đề ở

th ể điều khiển được búp chính đến nhiều hướng khác nhau Tuy nhiên, thì búp sóng chính này v n s b ẫ ẽ ị chị ảnh hưởu ng của các búp phụ ớ l n

Anten mảng có trọng số không đ u cũng có th đưề ể ợc chỉnh để có th lái búp sóng ểtới b t kấ ỳ một hư ng nào mong muốớ n, và kèm theo các ch tri t tiêu búp ph ế độ ệ ụ

Thông thường, bất kỳ anten m ng nào cũng có thể ả được đ ều ch nh t i bi ỉ ố ất kỳ hư ng ớnào bằng cách sử dụng hoặc phương pháp dịch pha bằng phần cứng hoặc phương pháp dịch pha số cho dữ liệu Việc này được thực hiệ ạn t i phía cuố ủa máy thu i c

Nếu tín hiệu thu được tại máy là số, và đã được xử lý, thì quá trình xử ý tín hiệ l u

s ố này sẽ được gọi là quá trình lái búp số (DBF) Các kỹ thuật hiện nay đang dần có

kh ả năng thực hiện quá trình DBF này, và do đó làm cho người thi t k anten m ng ế ế ả

có thể ỏ b qua b dộ ịch pha b ng ph n cằ ầ ứng Người dùng có th dùng kể ỹ thuật DBF

này để có th lái búp anten theo b t k ể ấ ỳ hướng nào mà mình mu n ố

Hình 2.6 Mảng trọng số Kaiser-Bessel đã lái búp

2.2.4 Anten mảng vòng

Anten mảng tuy n tính có r t nhiế ấ ều tác dụng và có thể được dùng làm t i liạ ệu

để ọ h c tập Tuy nhiên, nó l i có nhi u trạ ề ở ngại làm nó không thích h p trong các ợcông trình, ki n trúc, hoế ặc xe cộ

Các cấu trúc m ng khác có th không c n thi t, nh ng s thích hả ể ầ ế ữ ẽ ợp để ứ ng

d ng mụ ột cách thích đáng vào một chiến lược cho trước nào đó

Các anten m ng b sung này có bao g m anten mả ổ ồ ảng ở trong đó Cũng giống như anten mảng tuyến tính dùng để tăng độ ợ l i và lái búp, anten mảng vòng cũng