Nghiên cứu thiết bị thông minh trong hệ thống internet của vạn vật

dụng trong internet của vạn vật, từ đó có thể áp dụng những kiến thức đã học trong nhà trường vào thực tế, tôi đã quyết định lựa chọn luận văn với đề tài “Nghiên cứu thiết bị thông minh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là nghiên cứu của chính bản thân Các nghiên cứu trong luận văn này dựa trên những tổng hợp lý thuyết và mô phỏng thực tế của mình, không sao chép từ bất kỳ một luận văn nào khác Mọi thông tin trích dẫn đều đƣợc tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung đƣợc viết trong luận văn này

Tác giả luận văn

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và sự kính trọng của mình tới

TS Trương Thu Hương - người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện cho tôi trong quá trình tìm hiểu học tập và nghiên cứu tại Viện Điện tử- Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô Viện Điện tử- Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi được học hỏi thông qua các môn học cũng như hoàn thành khoá học

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến gia đình, người thân và bạn

bè đồng nghiệp đã khích lệ và động viên tôi hoàn thành luận văn này

Tác giả

LỜI MỞ ĐẦU

Với sự phát triển của Internet, smartphone và đặc biệt là các thiết bị cảm biến, Internet of Things đang trở thành xu hướng mới của thế giới Internet of Things được định nghĩa là những vật dụng có khả năng kết nối Internet Bạn vào nhà, mở khóa cửa, đèn sẽ tự động sáng chỗ bạn đứng, điều hòa sẽ tự động điều chỉnh nhiệt độ, nhạc sẽ tự động bật để chào đón bạn… những điều chỉ có trong phim khoa học viễn tưởng, đang dần trở thành hiện thực với công nghệ Internet of Things

Nhờ Internet of Things, có nhiều ý tưởng độc đáo đã trở thành hiện thực Không chỉ phát huy tốt hơn cho công dụng vốn có của thiết bị, Internet of Things còn góp phần đem lại cuộc sống tốt đẹp hơn cho con người Có thể kể đến như Boogio - đôi giày thông minh có lắp một cảm biến cực mỏng và máy tính Artik siêu nhỏ để lưu trữ lại dữ liệu của người dùng và kết nối với với smartphone và đồng hồ thông minh Thông qua đôi giày này, người dùng có thể tính toán được hôm nay mình đã chạy bao nhiêu bước, luyện những bài tập nào, đốt cháy bao nhiêu calo, đo chỉ số sức khỏe của bản thân và có được một cơ thể dẻo dai hơn

Lợi ích chính trong việc tăng trưởng Internet của vạn vật sẽ là tăng hiệu suất, giảm chi phí Internet của vạn vật hứa hẹn sẽ tăng cao hiệu suất cho các hộ gia đình, cho thành phố, cho nơi làm việc bằng cách mang lại khả năng kiểm soát, quản lý cho người dùng Internet of Things hứa hẹn sẽ là một nhân tốt quyết định thúc đẩy sự phát triển của khoa học công nghệ, tạo ra một thế giới mới thông minh hơn và thân thiện với con người

Tiềm năng phát triển của Internet of Things là rất lớn, tuy nhiên trong quá trình phát triển thì còn gặp nhiều khó khăn như thiếu một bộ tiêu chuẩn và công nghệ chung, thiếu chuẩn chung để kết nối giữa các thiết bị… Điều đó làm giảm độ tương thích và trải nghiệm người dùng Với mong muốn tìm hiểu rõ hơn về thế giới Internet of Things, tìm hiểu khái niệm, mô hình tham chiếu, kiến trúc cũng như các giao thức sử

dụng trong internet của vạn vật, từ đó có thể áp dụng những kiến thức đã học trong nhà

trường vào thực tế, tôi đã quyết định lựa chọn luận văn với đề tài “Nghiên cứu thiết bị thông minh trong hệ thống Internet của vạn vật.”

Nội dung bao gồm các chương:

Chương 1: Tổng quan về Internet of Things

Chương 2: Kiến trúc phần mềm và phần cứng của Internet of Things

Chương 3: Giao thức kết nối trong Internet of Things

Chương 4: Xây dựng thử nghiệm hệ thống IoT với ứng dụng điều khiển đèn thông minh cho hội trường lớn

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hiện nay, Internet of Things đang trở thành một xu hướng của thế giới kỹ thuật

số và xuất hiện len lỏi vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau Tuy nhiên, xu hướng này đang gặp những khó khăn nhất định như vấn đề xây dựng bộ tiêu chuẩn chung cho Internet

of Things

Internet of Things có rất nhiều cách định nghĩa khác nhau, nhiều các hiểu khác nhau và nó bao gồm rất nhiều khía cạnh của cuộc sống từ việc kết nối các thiết bị trong ngôi nhà ( smart home), đến kết nối các ôtô, đường phố đến các việc kết nối các thiết bị đeo trên người để phục vụ chăm sóc sức khỏe…

Trong phạm vi luận văn này, tôi tập trung tìm hiểu về các định nghĩa, mô hình, kiến trúc và giao thức kết nối trong hệ thống Internet of Things Điều này sẽ giúp chúng ta có cái nhìn và sự hiểu biết về hệ thống Internet of Things cũng như có thể tham gia đề xuất xây dựng bộ tiêu chuẩn chung cho Internet of Things Ngoài ra, trong luận văn tôi có xây dựng thử nghiệm một mô hình điều khiển thông minh hệ thống đèn trong hội trường lớn dựa trên mô hình Internet of Things Điều này cho thấy khả năng ứng dụng vào thực tế của Internet of Things là rất khả thi và tiềm năng

ABSTRACT

Nowadays, Internet of Things has become a hot trend in the digital era and appeared in most of the fields However, IoT standardization is the root of problems;

we need a standard architecture for the whole IoT ecosystem

The Internet of Things (IoT) is defined in many different ways, and it encompasses many aspects of life from connected homes and cities to connected cars and roads, roads to devices that track an individual s behaviour and use the data collected for push services…

This thesis go deep in understanding concepts, reference models, architectures and protocols used in the Internet of things It as a reference giving an overview of the Internet of things, as well as help the beginners can build Internet of things applications

of their own Moreover, we use this architecture to create an application named “Smart controller light system for meeting-hall” The results demonstrate that IoT architecture has fulfilled our defined functions and is applicable in reality

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

DANH SÁCH HÌNH VẼ 10

DANH SÁCH BẢNG 12

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS 13

1.1 Định nghĩa về Internet của vạn vật 13

1.2 Các thành tố của Internet of Things 15

1.3 Xu hướng của Internet of Things 17

1.3.1 Xu hướng chung 17

1.3.2 Xu hướng về tính chất của Internet of Things 18

1.4 Kết luận chương 22

CHƯƠNG 2 : KIẾN TRÚC HỆ THỐNG IOT 23

2.1 Vì sao cần có kiến trúc tham chiếu cho IoT? 23

2.2 Phân loại thiết bị Internet of Things và phương thức kết nối 23

2.2.1 Mô hình tham chiếu của Internet of Things 23

2.2.2 Phân loại thiết bị IoT và phương thức kết nối 25

2.2.3 Các yêu cầu của kiến trúc tham chiếu cho Internet of Things 26

2.3 Kiến trúc tham chiếu Internet of Things 29

2.4 Các thành phần trong Internet of Things 34

2.4.1 Phần cứng 34

2.4.2 Các hệ điều hành cho IoT 38

2.5 Kết luận chương 44

CHƯƠNG 3 : GIAO THỨC KẾT NỐI TRONG IOT 45

3.1 Giao thức vô tuyến 45

3.1.1 WIFI 45

3.1.2 Bluetooth 49

3.1.3 Zigbee 51

3.2 Giao thức mạng 53

3.2.1 CoAP 53

3.2.2 Restful HTTP 55

3.2.3 MQTT 56

3.2.4 So sánh giữa hai giao thức MQTT và CoAP 58

3.3 Kết luận chương 59

CHƯƠNG 4 : XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM MỘT HỆ THỐNG IOT VỚI ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN THÔNG MINH CHO HỘI TRƯỜNG 60

4.1 Kịch bản mô hình 60

4.2 Yêu cầu 63

4.3 Xây dựng mô hình kiểm thử 65

4.3.1 Smart device 65

4.3.2 Gateway 66

4.3.3 Cloud Server 67

4.3.4 Giao thức kết nối giữa Smart Device với GateWay 68

4.3.5 Giao thức kết nối giữa GateWay và Server/Cloud 69

4.4 Triển khai mô hình hệ thống 71

4.5 Kết luận chương 75

KẾT LUẬN 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

6LoWPAN IPv6 protocol over low-power

BLE Bluetooth Low Energy Bluetooth năng lƣợng thấp

CoAP Constrained Application

FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tập tin

GSM The Global System for Mobile

Communication

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản

IBSG Internet Business Solution

Group

Nhóm Giải pháp Kinh doanh Internet Cisco

IoT Internet of things Internet của vạn vật

IPv4/IPv6 Internet Protocol version 4/6 Giao thức internet phiên bản 4/6

MQTT Message Queuing Telemetry

Transport

Giao thức gửi tin nhắn dạng publish/subcriber

NFC Near Field Communication Kết nối tầm ngắn

OEM Original Equipment

PLC Programmable Logic Controller Thiết bị điều khiển lập trình

đƣợc REST Representation State Transfer

Dịch vụ web mà máy khách truyền đi trạng thái của tất cả giao dịch

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Ứng dụng Nest dành cho ngôi nhà thông minh 13

Hình 1.2: Internet của vạn vật được ra đời khoảng giữa năm 2008 và 2009 15

Hình 1.3: Một mô hình của Internet of Things 15

Hình 1.4: Con người cũng sẽ trở thành "things" trong thế giới IoT 17

Hình 2.1: Mô hình tham chiếu của Internet của vạn vật 13

Hình 2.2: Kiến trúc Internet of Things của ITU 15

Hình 2.3: Kiến trúc Internet of Things của WSO2 15

Hình 2.4: Kit phát triển Arduino Uno R3 17

Hình 2.5: Một ví dụ sử dụng Pinoccio 13

Hình 2.6: Raspberry Pi 3 Model B 15

Hình 2.7: Intel Galileo thế hệ thứ 2 15

Hình 2.8: Kit phát triển Arduino Yun 17

Hình 2.9: Hệ điều hành IoT 13

Hình 2.10: Riot OS 15

Hình 2.11: Window 10 for IoT 15

Hình 2.12: VxWorks OS 17

Hình 2.13: Google Brillo OS 15

Hình 2.14: ARM Mbed OS 15

Hình 2.15: Apple dành cho IoT 17

Hình 2.16: Nucleus RTOS 15

Hình 3.1: Mô hình các phương thức kết nối trong hệ thống IoT 15

Hình 3.2: 802.11ad hứa hẹn thay thế hoàn toàn cáp nối mà không phải hi sinh tốc độ 17 Hình 3.3: Internet of Things đòi hỏi gia t ăng phạm vi của Wi-Fi 15

Hình 3.4: Tổng kêt về các tham số của các công nghệ không dây 15

Hình 3.5: Mô hình 3 client và Broker trung tâm 17

Hình 3.6: Mô hình gửi bản tin giữa các client 15

Hình 4.1: Tiết kiện điện năng là ƣu tiên hàng đầu của quốc gia 15

Hình 4.2: Kiến trúc hệ thống 17

Hình 4.3: Cảm biến khí CO2 15

Hình 4.4: Mô hình kết nối Arduino với Bluetooth và cảm biến 15

Hình 4.5: Kết nối hai Arduino 17

Hình 4.6: Kết nối cho Raspberry Pi3 17

Hình 4.7: Kết nối Bluetooth và dữ liệu hiển thị trên Gateway 15

Hình 4.8: Platform NodeRed 15

Hình 4.9: Đèn sáng khi nhận lệnh ON 17

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 3.1: So sánh Zibgee – Wifi - Bluetooth 13 Bảng 4.1: Phân công nhiệm vụ thành viên thực hiện sản phẩm 15 Bảng 4.2: Các linh kiện đƣợc sử dụng trong mô hình 15

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF

THINGS 1.1 Định nghĩa về Internet của vạn vật

Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton [1] vào năm 1999 Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID (một phương thức giao tiếp không dây dùng sóng radio) cũng như một

số loại cảm biến khác IoT sau đó cũng được dùng nhiều trong các ấn phẩm đến từ các hãng và nhà phân tích

Vào tháng 6 năm 2009, Ashton từng cho biết rằng "hiện nay máy tính - và do đó, Internet - gần như phụ thuộc hoàn toàn vào con người để chuyển tải dữ liệu Gần như tất cả trong số 50 petabyte dữ liệu đang có trên Internet (vào thời điểm đó) đều được ghi lại hoặc tạo ra bởi con người chúng ta, thông qua các các thức như gõ chữ, nhấn nút, chụp ảnh, quét mã vách " Con người chính là nhân tố quyết định trong thế giới Internet hiện nay Thế nhưng con người lại có nhiều nhược điểm: chúng ta chỉ có thời gian hạn chế, khả năng tập trung và độ chính xác cũng ở mức thấp so với máy móc Điều đó có nghĩa là chúng ta không giỏi trong việc thu thập thông tin về thế giới xung

quanh, và đây là một vấn đề lớn Ví dụ đơn giản như sau: chiếc tủ lạnh thông thường của bạn không được kết nối với thiết bị nào khác Nếu chúng ta muốn ghi lại nhiệt độ ở từng thời điểm của tủ, chúng ta chỉ có cách ghi lại thủ công rồi nhập vào một máy tính hay thiết bị lưu trữ nào đó Hay như bóng đèn neon ở nhà chẳng hạn, chúng ta muốn thu thập, điều chỉnh độ sáng của nó thì phải đo thủ công rồi ghi lại Còn nếu như máy tính có khả năng giúp con người thu thập tất cả những dữ liệu về mọi thứ xung quanh, chúng ta có thể "theo dõi và đếm mọi thứ, giúp giảm hao phí, chi phí và lỗ Chúng ta sẽ biết chính xác khi nào các vật dụng cần phải sửa chữa, thay thế, khi nào chúng còn mới

và khi nào thì chúng hết hạn sử dụng Chưa kể đến việc chúng ta có thể kiểm soát chúng mọi lúc mọi nơi Internet of Things có tiềm năng thay đổi thế giới, giống như cách mà Internet đã thay đổi cuộc sống của chúng ta Ngôi nhà thông minh với các bóng đèn thông minh, máy giặt thông minh, tủ lạnh thông minh, có thể xem là bước đầu của IoT bởi chúng đều được liên kết với nhau và/hoặc liên kết vào Internet Một chi nhánh của Auto-ID tại Châu Âu từng nói về IoT như sau: "Chúng tôi có một tầm nhìn rất rõ ràng - tạo ra một thế giới nơi mà mọi thứ - từ những chiếc máy bay phản lực khổng lồ cho đến từng cây kim khâu - đều được kết nối vào Internet Mục tiêu này chỉ có thể đạt được khi và chỉ khi tất cả mọi người áp dụng nó ở tất cả mọi nơi" Việc trang bị những công nghệ theo dõi, nhận biết vào những vật thông dụng trong đời sống sẽ làm thay đổi rất nhiều cách chúng ta tương tác với đồ vật cũng như cách tương tác giữa người với người Theo ước tính của công ty ABI Research, đến năm 2020, toàn thế giới sẽ có 30 tỉ thiết bị được kết nối không dây vào mạng lưới IoT

Vào tháng Giêng năm 2009, một nhóm các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đã nghiên cứu dữ liệu định tuyến Internet trong mỗi khoảng thời gian sáu tháng, từ tháng

12 năm 2001 đến tháng 12 năm 2006 Tương tự như các tính chất của định luật Moore, phát hiện của họ cho thấy rằng kích thước Internet tăng gấp đôi mỗi 5.32 năm Sử dụng con số này trong kết hợp với số lượng thiết bị kết nối internet trong 2003 (500 triệu đơn vị, như xác định bởi Forrester Research), và dân số thế giới theo thống kê Hoa Kỳ Văn phòng, Cisco IBSG ước tính số lượng các thiết bị kết nối mỗi người

Hình 1.2: Internet của vạn vật được ra đời khoảng giữa năm 2008 và 2009

1.2 Các thành tố của Internet of Things

Kiến trúc IoT đƣợc đại diện cơ bản bởi 4 phần: Vạn vật (Things), trạm kết nối (Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud) và các lớp tạo

và cung cấp dịch vụ (Services-creation and Solutions Layers)

Hình 1.3: Một mô hình của Internet of Things

 Vạn vật (Things): Ngày nay có hàng tỷ vật dụng đang hiện hữu trên thị trường

gia dụng và công nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của người dùng Chẳng hạn như xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối trực tiếp thông qua băng tầng mạng không dây và truy cập vào Internet Giải pháp Internet of Things giúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ, còn các thiết bị chưa thông minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối

 Trạm kết nối (Gateways): Một rào cản chính khi triển khai IoT đó là gần 85%

các vật dụng đã không được thiết kế để có thể kết nối với Internet và không thể chia sẻ dữ liệu với điện toán đám mây Để khắc phục vấn đề này, các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý

 Hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud):

 Cơ sở hạ tầng kết nối: Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng

IP được kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính Cơ sở hạ tầng mạng này bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ

 Trung tâm dữ liệu/ hạ tầng điện toán đám mây: Các trung tâm dữ liệu và

hạ tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối

 Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers):

Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (Application Progmraming Interface) là Mashery* và Aepona* để giúp đưa các sản phẩm và giải pháp IoT ra thị trường một cách chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ hệ thống và tài sản đang có sẵn

1.3 Xu hướng của Internet of Things

1.3.1 Xu hướng chung

IoT không chỉ là những máy "giao tiếp" với nhau mà còn nhiều thứ khác nữa, gồm khả năng thay đổi hoàn toàn thế giới, cả trong cuộc sống và cách chúng ta cảm nhận trong thực tế Tuy nhiên, ngoài cung cấp lợi thế đáng kể cho nhân loại, thế giới kết nối này cũng có các rủi ro.Ngày nay, trong số nhiều giải pháp đang được sử dụng trong nghiệp vụ cảnh sát và cộng đồng, các máy móc tự động ngày càng thông minh hơn, vì thế một số người cho rằng những thứ giả tưởng như Skynet (hay Terminator) không chỉ là hình ảnh tưởng tượng

Vậy, chính xác IoT là gì? Hội đồng - một nhóm chuyên gia cố vấn Internet of Things định nghĩa rằng: "… Một thế giới nơi mà mọi thứ có thể được tiếp cận bằng cả tín hiệu tương tự (analogue) và số (digital) - đó là cách chúng ta trình bày mối quan hệ giữa các đối tượng – cũng như các đối tượng với chính nó Bất kỳ đối tượng nào mang thẻ RFID (RFID tag) sẽ có liên quan đến không chỉ bạn mà còn đến các đối tượng khác, các quan hệ và các giá trị trong một sơ sở dữ liệu Trong thế giới này, bạn không còn lẻ loi, dù ở bất kỳ nơi nào" Ngoài công nghệ RFID (Radio-frequency dentification), Internet of Things còn có thể sử dụng cảm biến hay smartphone

Hình 1.4: Con người cũng sẽ trở thành "things" trong thế giới IoT

Một quan điểm khác lại cho rằng, IoT gồm các đối tượng thông minh có thể điều khiển và tương tác với những đối tượng có thể đáp ứng tương tác từ xa, hay có thể làm việc độc lập nhằm cung cấp các dịch vụ và giải pháp mà không cần sự can thiệp của con người Nicolas Nova, một nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm và truyền thông của Viện công nghệ Thụy Sĩ và là thành viên sáng lập của hội đồng, kết luận: nói theo cách đơn giản, IoT là khi các đối tượng hàng ngày của bạn được nhận biết và có được "trí thông minh" trong thực tế vì chúng có thể giao tiếp thông tin về bản thân chúng và truy cập thông tin đã được tổng hợp bởi những thứ khác Chẳng hạn, chiếc đồng hồ báo cho bạn thức dậy sớm để khởi hành vì nó có thể "biết" vấn đề kẹt xe, các

hũ thuốc sẽ cảnh báo khi bạn quên uống thuốc Dù mô tả công nghệ này như IoT, truyền thông M2M hay Tera-play, quá trình phát triển này trong công nghệ và dữ liệu, kết nối và truyền thông có một tiềm năng rất lớn

1.3.2 Xu hướng về tính chất của Internet of Things

 Thông minh

Sự thông minh và tự động trong điều khiển thực chất không phải là một phần trong ý tưởng về IoT Các máy móc có thể dễ dàng nhận biết và phản hồi lại môi trường xung quanh (ambient intelligence), chúng cũng có thể tự điều khiển bản thân (autonomous control) mà không cần đến kết nối mạng Tuy nhiên, trong thời gian gần đây người ta bắt đầu nghiên cứu kết hợp hai khái niệm IoT và autonomous control lại với nhau Tương lai của IoT có thể là một mạng lưới các thực thể thông minh có khả năng tự tổ chức và hoạt động riêng lẻ tùy theo tình huống, môi trường, đồng thời chúng cũng có thể liên lạc với nhau để trao đổi thông tin, dữ liệu.Việc tích hợp trí thông minh vào IoT còn có thể giúp các thiết bị, máy móc, phần mềm thu thập và phân tích các dấu vết điện tử của con người khi chúng ta tương tác với những thứ thông minh, từ đó phát hiện ra các tri thức mới liên quan tới cuộc sống, môi trường, các mối tương tác xã hội cũng như hành vi con người

 Kiến trúc dựa trên sự kiện

Các thực thể, máy móc trong IoT sẽ phản hồi dựa theo các sự kiện diễn ra trong lúc chúng hoạt động theo thời gian thực Một số nhà nghiên cứu từng nói rằng một

mạng lưới các sensor chính là một thành phần đơn giản của IoT

 Là một hệ thống phức tạp

Trong một thế giới mở, IoT sẽ mang tính chất phức tạp bởi nó bao gồm một lượng lớn các đường liên kết giữa những thiết bị, máy móc, dịch vụ với nhau, ngoài ra còn bởi khả năng thêm vào các nhân tốc mới

 Kích thước

Một mạng lưới IoT có thể chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối

và mạng lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng Một con người sống trong thành thị có thể bị bao bọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối tượng có khả năng theo dõi

 Vấn đề không gian, thời gian

Trong IoT, vị trí địa lý chính xác của một vật nào đó là rất quan trọng Hiện nay, Internet chủ yếu được sử dụng để quản lí thông tin được xử lý bởi con người Do đó những thông tin như địa điểm, thời gian, không gian của đối tượng không mấy quan trọng bởi người xử lí thông tin có thể quyết định các thông tin này có cần thiết hay không, và nếu cần thì họ có thể bổ sung thêm Trong khi đó, IoT về lý thuyết sẽ thu thập rất nhiều dữ liệu, trong đó có thể có dữ liệu thừa về địa điểm, và việc xử lí dữ liệu

đó được xem như không hiệu quả Ngoài ra, việc xử lí một khối lượng lớn dữ liệu trong thời gian ngắn đủ để đáp ứng cho hoạt động của các đối tượng cũng là một thác thức hiện nay

1.3 4 Những vẫn đề ngăn cản IoT phát triển

 Chưa có một ngôn ngữ chung

Ở mức cơ bản nhất, Internet là một mạng dùng để nối thiết bị này với thiết bị khác Nếu chỉ riêng có kết nối không thôi thì không có gì đảm bảo rằng các thiết bị biết cách nói chuyện nói nhau Ví dụ, bạn có thể đi từ Việt Nam đến Mỹ, nhưng không đảm bảo rằng bạn có thể nói chuyện tới với người Mỹ

Để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau, chúng sẽ cần một hoặc nhiều giao thức (protocols), có thể xem là một thứ ngôn ngữ chuyên biệt để giải quyết một tác vụ nào

đó Chắc chắn bạn đã ít nhiều sử dụng một trong những giao thức phổ biến nhất thế giới, đó là HyperText Transfer Protocol (HTTP) để tải web Ngoài ra chúng ta còn có SMTP, POP, IMAP dành cho email, FTP dùng để trao đổi file, vân vân và vân vân

Những giao thức như thế này hoạt động ổn bởi các máy chủ web, mail và FTP thường không phải nói với nhau nhiều, khi cần, một phần mềm phiên dịch đơn giản sẽ đứng ra làm trung gian để hai bên hiểu nhau Còn với các thiết bị IoT, chúng phải đảm đương rất nhiều thứ, phải nói chuyện với nhiều loại máy móc thiết bị khác nhau Đáng tiếc rằng hiện người ta chưa có nhiều sự đồng thuận về các giao thức để IoT trao đổi dữ liệu Nói cách khác, tình huống này gọi là "giao tiếp thất bại", một bên nói nhưng bên kia không thèm (và không thể) nghe

 Hàng rào subnetwork

Như đã nói ở trên, thay vì giao tiếp trực tiếp với nhau, các thiết bị IoT hiện nay chủ yếu kết nối đến một máy chủ trung tâm do hãng sản xuất một nhà phát triển nào đó quản lí Cách này cũng vẫn ổn thôi, những thiết bị vẫn hoàn toàn nói được với nhau thông qua chức năng phiên dịch của máy chủ rồi Thế nhưng mọi chuyện không đơn giản như thế, cứ mỗi một mạng lưới như thế tạo thành một subnetwork riêng, và buồn thay các máy móc nằm trong subnetwork này không thể giao tiếp tốt với subnetwork khác

Lấy ví dụ như xe ô tô chẳng hạn Một chiếc Ford Focus có thể giao tiếp cực kì tốt đến các dịch vụ và trung tâm dữ liệu của Ford khi gửi dữ liệu lên mạng Nếu một bộ phận nào đó cần thay thế, hệ thống trên xe sẽ thông báo về Ford, từ đó hãng tiếp tục thông báo đến người dùng Nhưng trong trường hợp chúng ta muốn tạo ra một hệ thống cảnh báo kẹt xe thì mọi chuyện rắc rối hơn nhiều bởi xe Ford được thiết lập chỉ để nói chuyện với server của Ford, không phải với server của Honda, Audi, Mercedes hay BMW Lý do cho việc giao tiếp thất bại? Chúng ta thiếu đi một ngôn ngữ chung Và để thiết lập cho các hệ thống này nói chuyện được với nhau thì rất tốn kém, đắt tiền

Một số trong những vấn đề nói trên chỉ đơn giản là vấn đề về kiến trúc mạng, về kết nối mà các thiết bị sẽ liên lạc với nhau (Wifi, Bluetooth, NFC, ) Những thứ này thì tương đối dễ khắc phục với công nghệ không dây ngày nay Còn với các vấn đề về giao thức thì phức tạp hơn rất nhiều, nó chính là vật vản lớn và trực tiếp trên còn đường phát triển của Internet of Things

 Có quá nhiều "ngôn ngữ địa phương"

Bây giờ giả sử như các nhà sản xuất xe ô tô nhận thấy rằng họ cần một giao thức chung để xe của nhiều hãng có thể trao đổi dữ liệu cho nhau và họ đã phát triển thành công giao thức đó Thế nhưng vấn đề vẫn chưa được giải quyết Nếu các trạm thu phí đường bộ, các trạm bơm xăng muốn giao tiếp với xe thì sao? Mỗi một loại thiết bị lại

sử dụng một "ngôn ngữ địa phương" riêng thì mục đích của IoT vẫn chưa đạt được đến mức tối đa Đồng ý rằng chúng ta vẫn có thể có một trạm kiểm soát trung tâm, thế nhưng các thiết bị vẫn chưa thật sự nói được với nhau

 Tiền và chi phí

Cách duy nhất để các thiết bị IoT có thể thật sự giao tiếp đó là khi có một động lực kinh tế để mạnh khiến các nhà sản xuất đồng ý chia sẻ quyền điều khiển cũng như

dữ liệu mà các thiết bị của họ thu thập được Hiện tại, các động lực này không nhiều

Có thể xét đến ví dụ sau: một công ty thu gom rác muốn kiểm tra xem các thùng rác có đầy hay chưa Khi đó, họ phải gặp nhà sản xuất thùng rác, đảm bảo rằng họ có thể truy

cập vào hệ thống quản lí của từng thùng một Điều đó khiến chi phí bị đội lên, và công

ty thu gom rác có thể đơn giản chọn giải pháp cho một người chạy xe kiểm tra từng thùng một

 Các "hầm chứa" tập trung hay những "hòn đảo Internet"?

Nếu xu hướng hiện nay tiếp tục, dữ liệu được các thiết bị gửi và nhận sẽ nằm trong các "hầm chứa" mang tính chất tập trung (centralized silo) Các công ty, nhà sản xuất có thể kết nối đến các hầm này để thu thập dữ liệu, từ đó tạo ra các bộ giao thức của riêng mình Tuy nhiên, nhược điểm của mô hình này đó là dữ liệu sẽ trở nên khó chia sẻ hơn bởi người ta cứ phải tạo ra các đường giao tiếp mới giữa các silo Dữ liệu

sẽ phải di chuyển xa hơn và làm chậm tốc độ kết nối Chưa kể đến các nguy cơ bảo mật

và nguy cơ về quyền riêng tư của người dùng nữa

Trái ngược với hướng đi trên, nếu như các nhà sản xuất có thể thống nhất được các bộ giao tiếp chung thì sẽ tạo ra các "hòn đảo Internet" (Internet of Islands) Thiết bị trong một căn phòng có thể giao tiếp với nhau, giao tiếp với các máy móc khác trong nhà và thậm chí là cả nhà hàng xóm Dữ liệu sẽ được phân bố trong một khu vực hẹp hơn nên đảm bảo các vấn đề bảo mật, đồng thời tăng tốc độ hoạt động Dữ liệu cũng nhờ đó mà linh hoạt hơn, các thiết bị có thể phản hồi nhanh hơn

1.4 Kết luận chương

Qua chương này, tác giả đã đưa ra tổng quan lý thuyết về Internet cho vạn vật Tóm lại, IoT sẽ là một xu thế tất yếu nhưng hiện tại nó đang phải đối mặt với không ít rào cản Để hướng tới một xã hội thông minh, một thành phố thông minh hay một cộng đồng thông minh thì vai trò của các nhà hoạch định chính sách, các quan chức từ cấp địa phương đến trung ương, thậm chí cả những người đứng đầu các quốc gia là cực kỳ quan trọng Họ cần phải ý thức được xu thế phát triển để có những quyết sách quản lý, phát triển phù hợp với mục tiêu chiến lược phát triển kinh tế-xã hội của mình, sẵn sàng hội nhập quốc tế một cách chủ động và hiệu quả

CHƯƠNG 2 : KIẾN TRÚC HỆ THỐNG IOT

2.1 Vì sao cần có kiến trúc tham chiếu cho IoT?

Các nhà kiến trúc hệ thống đưa ra bốn lý do chính về sự cần thiết nên có kiến trúc tham chiếu cho IoT như sau:

 Thiết bị IoT có bản chất kết nối mạng liên tục nên cần có phương thức tương tác 24x7 với các thiết bị này như qua tường lửa (firewall), NAT và một số cách khác

 Đã có hàng tỷ thiết bị IoT xuất hiện trên thế giới và con số này tiếp tục tăng nhanh nên chúng ta cần kiến trúc có thể mở rộng (scalable)

 Các thiết bị IoT có thể không có giao diện người dùng (UI), sử dụng hàng ngày nên cần hỗ trợ cập nhật tự động và quản lý được từ xa

 Hầu hết thiết bị IoT dùng để thu thập và phân tích dữ liệu cá nhân Vì vậy, cần

có mô hình quản lý định danh và điều khiển truy nhập cho các thiết bị IoT cũng như cách xuất bản, sử dụng những dữ liệu này

2.2 Phân loại thiết bị Internet of Things và phương thức kết nối

2.2.1 Mô hình tham chiếu của Internet of Things

Tháng 10 năm 2014, tại diễn đàn Internet của vạn vật thế giới tổ chức tại Chicago, Cisco, IBM, Intel và trình bày một mô hình tham chiếu Internet của vạn vật

Mô hình này là một trong nhiều bằng chứng rằng các thành viên công nghiệp lớn đang kết hợp chặt chẽ với nhau để biến Internet vạn vật trở thành hiện thực Diễn đàn nhấn mạnh sự cần thiết của một phương pháp tiếp cận Internet của vạn vật theo tiêu chuẩn

và mở Mô hình này là sự nỗ lực hợp tác của 28 thành viên của nhóm công tác kiến trúc, quản lý và phần tích của diễn đàn internet của vạn vật thế giới, với sự tham gia của Intel, GE, Itron, SAP, Oracle và các thành viên khác

Hình 2.1: Mô hình tham chiếu của internet của vạn vật [10]

Thiết bị gửi và nhận dữ liệu tương tác với các mạng nơi dữ liệu được truyền đi qua lớp kết nối, chuẩn hóa và lọc sử dụng tính toán biên trước khi được lưu trong cơ sở

dữ liệu, có thể truy cập bởi các ứng dụng xử lý nó và cung cấp nó cho những người sẽ thực hiện hoạt động và cộng tác

Cisco giải thích rằng sử dụng mạng truyền thống, tính toán, ứng dụng và kiến trúc quản lý dữ liệu sẽ không đủ để hỗ trợ khối lượng và nhu cầu kết nối cần cho Internet của vạn vật Nó được dự định như là "một bước đầu tiên quyết định , giúp chuẩn hóa các khái niệm và thuật ngữ xung quanh Internet of Things." Mô hình tham chiếu cung cấp một thuật ngữ phổ biến, mang đến sự rõ ràng đến thế nào các luồng thông tin và được xử lý, và tiến triển hướng tới một ngành công nghiệp internet của vạn vật thống nhất

Mô hình tham chiếu Internet of Things đóng vai trò như mô ̣t n ền tảng “mở

”giúp đẩy nhanh sự phát triểnvà triển khai rô ̣ng rãi công nghê ̣ này với các thách thức

đă ̣t ra như khả năng mở rô ̣ng (scalability), khả năng tương tác (interoperability), khả năng tương thích với cô ng nghê ̣ cũ (agility and legacy compatibility ) khi hê ̣ thống Internet of Things được triển khai từ nhiều tổ chức, các nhà cung cấp khác nhau

2.2.2 Phân loại thiết bị IoT và phương thức kết nối

Các thiết bị IoT rất đa dạng nhưng có thể phân thành ba loại chủ yếu, xét theo kích cỡ:

 Những thiết bị IoT có kích thước nhỏ nhất dùng bộ điều khiển 8 bit nhúng, kiểu

cả hệ thống trên chip SoC (System on Chip) và thường không có hệ điều hành

Ví dụ điển hình là nền tảng phần cứng nguồn mở Arduino 8 bit

 Mức cao hơn là hệ thống dựa trên chip ARM và Arthero có kiến trúc 32 bit rút gọn (limited) Những thiết bị này thường là các bộ router nhỏ dành cho gia đình

và những biến thể khác Hệ thống thường chạy trên nền tảng nhúng Linux rút gọn hoặc hệ điều hành nhúng dành riêng Một số trường hợp không sử dụng hệ điều hành như Arduino Zero hoặc Arduino Yun

 Hệ thống IoT lớn nhất là loại sử dụng nền tảng 32 hoặc 64 bit đầy đủ Những hệ thống như Raspberry Pi hay BeagleBone có thể chạy hệ điều hành Linux đầy đủ hoặc Android Nhiều trường hợp chính là điện thoại di động hoặc dựa trên công nghệ điện thoại di động Những thiết bị này có thể đóng vai trò gateway hoặc cầu (bridge) cho các thiết bị nhỏ hơn Ví dụ: thiết bị đeo kết nối qua Bluetooth công suất thấp với điện thoại di động hay Raspberry Pi, để sau đó làm cầu nối với mạng Internet

Có một số giải pháp kết nối giữa thiết bị với Internet hoặc gateway:

 Kết nối Ethernet hoặc Wi-Fi trực tiếp qua giao thức TCP hoặc UDP

 Bluetooth công suất thấp

 Kết nối trường gần (NFC)

 Zigbee hoặc các mạng vô tuyến khác

 SRF và kết nối vô tuyến điểm-điểm

 UART hoặc kênh nối tiếp (serial lines)

 SPI hoặc kênh I2C (wired buses)

2.2.3 Các yêu cầu của kiến trúc tham chiếu cho Internet of Things

Yêu cầu chung là kiến trúc tham chiếu cho Internet of Things phải trung lập với nhà sản xuất, không phụ thuộc vào công nghệ cụ thể nào Có những yêu cầu khá đặc thù cho thiết bị Internet of Things và môi trường hỗ trợ nhưng cũng có những yêu cầu xuất phát từ quá trình sản xuất và sử dụng Có thể tóm tắt các yêu cầu của kiến trúc tham chiếu cho IoT trong 5 nhóm sau:

 Kết nối và giao tiếp

Các giao thức hiện tại như HTTP có vị trí rất quan trọng trong nhiều thiết bị Thậm chí ngay cả bộ điều khiển 8 bit cũng có thể tạo ra lệnh GET, POST và giao thức HTTP tạo ra kết nối đồng nhất quan trọng Tuy nhiên, phần mào đầu của HTTP và một

số giao thức Internet truyền thống chưa phù hợp cho giao tiếp IoT vì hai lý do Thứ nhất, kích cỡ bộ nhớ của chương trình quá lớn so với những thiết bị nhỏ Vấn đề thứ hai còn lớn hơn: HTTP yêu cầu công suất tương đối cao so với thiết bị IoT nhỏ Do vậy, cần có một giao thức nhị phân đơn giản, nhỏ gọn và có khả năng đi qua tường lửa Đối với thiết bị IoT kết nối Internet qua gateway cần 2 giao thức: một giao thức kết nối gateway còn giao thức khác kết nối từ gateway với Internet Cuối cùng, kiến trúc phải

hỗ trợ giao thức truyền thông (communications) và bắc cầu Ví dụ, giao thức nhị phân dùng cho thiết bị IoT phải cho phép API (dựa trên HTTP) điều khiển được thiết bị khi kết nối với bên thứ ba

 Quản lý thiết bị

Hiện nay, nhiều thiết bị IoT chưa được quản lý ở chế độ tích cực (active) trong khi chế độ quản lý này đã phổ biến và ngày càng trở nên quan trọng trong PC, điện thoại di động và các thiết bị khác Như vậy, chế độ tích cực là yêu cầu cần có trong quản lý thiết bị IoT, cụ thể bao gồm những tính năng sau:

- Khả năng ngắt kết nối với thiết bị hỏng hoặc bị đánh cắp

- Khả năng cập nhật phần mềm trên thiết bị

- Cập nhật các thông số bảo mật

- Khả năng bật/tắt từ xa một số tính năng phần cứng

- Xác định vị trí thiết bị mất cắp

- Xóa dữ liệu bảo mật khỏi thiết bị mất cắp

- Cấu hình lại từ xa các thông số của Wi-Fi, GPRS hoặc các thông số mạng khác

 Thu thập, phân tích và khởi động dữ liệu

Một số thiết bị IoT có giao diện UI nhưng nói chung hầu hết các thiết bị IoT tập trung vào trang bị 1-2 bộ cảm biến có thể kèm theo (hoặc không) 1 bộ kích động (actuator) hoặc nhiều hơn Yêu cầu của hệ thống là thu thập dữ liệu từ rất nhiều thiết

bị, lưu trữ, phân tích và ra quyết định hành động dựa trên kết quả phân tích gần như theo thời gian thực Kiến trúc tham chiếu được thiết kế để quản lý số lượng lớn thiết bị Nếu những thiết bị đó tạo ra dòng dữ liệu ổn định, liên tục thì sẽ có lượng dữ liệu khá lớn Yêu cầu là hệ thống lưu trữ cần có tính khả mở cao, xử lý được khối lượng dữ liệu lớn và đa dạng

 Tính khả mở (scalability)

Bất kỳ kiến trúc phía máy chủ (server-side) nào đều cần tính khả mở cao, có thể

hỗ trợ hàng triệu thiết bị liên tục gửi, nhận và hoạt động dựa trên dữ liệu Tuy nhiên,

"kiến trúc khả mở cao" kéo theo giá thành cao cả về phần cứng, phần mềm và độ phức tạp Yêu cầu quan trọng đối với kiến trúc này là phải hỗ trợ tính mở từ mức triển khai nhỏ cho đến số lượng thiết bị rất lớn Tính năng có thể mở co giãn (elastic) và có thể triển khai dạng cloud như dịch vụ Amazon EC2 là rất cần thiết

 An toàn bảo mật

Đây là yêu cầu quan trọng nhất Các thiết bị IoT thường thu thập dữ liệu có tính cá nhân cao và đưa lên Internet (và ngược lại) Điều đó dẫn đến hai loại nguy cơ mất an toàn:

- Những nguy cơ gắn với bản chất mất an toàn thông tin của mạng Internet mà nhà thiết kế/sản xuất thiết bị IoT không nhận thức được Đó có thể chỉ đơn giản là việc mở các cổng trên thiết bị Ví dụ, tủ lạnh kết nối Internet có server dùng giao thức SMTP không an toàn nên có thể gửi tin rác (spam)

- Những nguy cơ riêng từ chính bản thân thiết bị IoT, nhất là phần cứng Ví

dụ, nhiều thiết bị IoT quá nhỏ, không hỗ trợ cơ chế mã hóa phi đối xứng phù hợp nên không bảo đảm an toàn

Có hai vấn đề quan trọng, đặc thù của bảo mật IoT là quản lý định danh và truy nhập Quản lý định danh cho thiết bị IoT và giao tiếp máy-máy (M2M) bằng cách dùng cặp "tên/mật khẩu" là sai lầm thông dụng Giải pháp lý tưởng là sử dụng token cấp theo chuẩn của OAuth/OAuth2 Đối với quản lý truy nhập, sai lầm thường thấy là sử dụng luật truy nhập đã lập trình cứng trong mã nguồn phía client và server Cách tiếp cận tốt nhất hiện nay là sử dụng tiêu chuẩn XACML Cách tiếp cận này không dùng mạch logic lập trình sẵn mà đưa vào chính sách ra quyết định cho phép truy nhập Ưu điểm của cách này là:

- Đưa ra quyết định phù hợp hơn

- Dựa trên bối cảnh cụ thể như: vị trí, hoặc mạng nào đang được sử dụng, hoặc thời gian

- Có thể phân tích và thẩm định yêu cầu truy nhập

- Có thể cập nhật, thay đổi chính sách truy nhập mà không cần lập trình lại hay chỉnh sửa thiết bị

2.3 Kiến trúc tham chiếu Internet of Things

Một trong những khó khăn lớn của sự phát triển IoT là việc chưa có một chuẩn thống nhất từ định nghĩa, kiến trúc,giao thức…Điều này góp phần cản trở việc tìm hiểu cũng như phát triển ứng dụng cho IoT.Có rất nhiều tổ chức, công ty công nghệ lớn trên thế giới đều đưa ra kiến trúc tham chiếu của riêng mình cho Internet of Things như kiến trúc IoT của Microsoft, Intel, IBM, ITU( Tổ chức viễn thông quốc tế thuộc Liên Hiệp Quốc), WSO2

Dưới đây tôi xin trình bày kiến trúc IoT được đề xuất bởi WSO2 Theo kiến trúc của WSO2 thì kiến trúc của IoT bao gồm 5 lớp xếp chồng Mỗi lớp có một chức năng riêng, có thể minh họa bằng những công nghệ cụ thể Có 2 lớp theo chiều dọc là quản

lý thiết bị và quản lý định danh & truy nhập

So sánh với kiến trúc tham chiếu khác

Hình 2.2: Kiến trúc Internet of Things của ITU[2]

So với các kiến trúc tham chiếu khác của các công ty, tổ chức viễn thông trên thế giới thì kiến trúc tham chiếu của WSO2 có những ưu điểm riêng như:

- Tập trung các giải pháp thiết bị và tích hợp hệ thống đám mây

- Đơn giản hóa việc quản lý các thiết bị và giao thức kết nối

- Tầng mạng trong kiến trúc của ITU được rút gọn và chỉ còn một tầng duy nhất

là lớp truyền thông Theo định nghĩa của WSO2, thì lớp truyền thông sẽ lớp chịu trách nhiệm kết nối giứa các thiết bị với nhau, giữa thiết bị và gateway

- Điểm đặc biệt của kiến trúc này là sự xuất hiện của lớp Hợp nhất/Bus

(Aggregation/ Bus) Lớp này đảm bảo tính bảo mật cho hệ thống Internet of Things

Hình 2.3: Kiến trúc Internet of Things của WSO2[9]

 Lớp Thiết bị (Devices)

Các thiết bị IoT phải có giao thức truyền thông trực tiếp (Arduino, Raspberry Pi, Intel Galileo qua Ethernet hoặc Wi-Fi) hoặc gián tiếp kết nối được với Internet (ZigBee, Bluetooth hoặc Bluetooth công suất thấp qua điện thoại di động, )

Mỗi thiết bị cần có định danh thuộc một trong các loại: định danh duy nhất (UUID) ghi sẵn trong phần cứng (thường là một phần của SoC hoặc chip thứ cấp), UUID gửi qua hệ thống vô tuyến phụ (ví dụ: định danh Bluetooth, địa chỉ Wi-Fi

MAC), token OAuth2 Refresh/Bearer (có thể là bổ sung cho các loại khác), định danh lưu trong bộ nhớ chỉ đọc như EEPROM

Các chuyên gia khuyến nghị, mỗi thiết bị IoT nên có một UUID (tốt nhất lưu cố định trong phần cứng) và một token OAuth2 Refresh/Bearer lưu trong EEPROM OAuth2 token có mục đích tạo ra một token định danh tách biệt với số định danh cố định ghi trong mỗi thiết bị Bearer token được dùng ban đầu để gửi đến bất kỳ server hay dịch vụ nào cần định danh Bearer token có thời gian sống ngắn hơn Refresh token Nếu Bearer token hết hạn, Refresh token được gửi đến lớp Định danh để tạo ra bản cập nhật của Bearer token

 Lớp Truyền thông (Communications)

Lớp truyền thông hỗ trợ kết nối các thiết bị Nhiều giao thức có thể sử dụng trong lớp này như HTTP/HTTPS, MQTT 3.1/3.1.1, CoAP (Constrained Application Protocol) Trong đó, HTTP là giao thức lâu đời và phổ biến nhất nên có nhiều thư viện

hỗ trợ Vì đó là giao thức dựa trên ký tự đơn giản nên nhiều thiết bị nhỏ như bộ điều khiển 8 bit đều có thể hỗ trợ HTTP Các thiết bị 32 bit lớn hơn có thể sử dụng các thư viện HTTP client đầy đủ

Có một số giao thức được tối ưu riêng cho IoT, trong đó nổi bật nhất là 2 giao thức MQTT và CoAP MQTT được phát minh vào năm 1999 để giải quyết các vấn đề của hệ thống nhúng và SCADA Giao thức MQTT có phần mào đầu nhỏ (chỉ 2 byte/message), chạy được trên nền TCP và có khả năng chịu được môi trường mạng thường bị gián đoạn và suy hao cao Ủy ban kỹ thuật của tổ chức tiêu chuẩn OASIS đang xem xét chuẩn hóa phiên bản MQTT hiện nay (3.1.1) Giao thức CoAP do tổ chức tiêu chuẩn IETF xem xét phát triển trên cơ sở HTTP nhưng dựa trên mã nhị phân chứ không phải ký tự nên nhỏ gọn hơn, có thể chạy trên nền UDP

 Lớp Hợp nhất/Bus (Aggregation/ Bus)

Đây là lớp quan trọng để hợp nhất và chuyển đổi các thông điệp (message broker hay middleware) truyền thông với 3 chức năng sau:

- Hỗ trợ máy chủ HTTP và/hoặc chức năng chuyển đổi MQTT để giao tiếp với thiết bị

- Hợp nhất nội dung truyền từ các thiết bị khác nhau và định tuyến truyền thông tới một thiết bị cụ thể (có thể qua gateway)

- Bắc cầu và chuyển đổi giữa 2 giao thức khác nhau, ví dụ chuyển đổi API dựa trên HTTP ở lớp trên vào thông điệp MQTT đến thiết bị

Lớp Bus cũng có thể cung cấp một số tính năng tương quan (correlation) và ánh

xạ đơn giản từ các mô hình tương quan khác nhau (nghĩa là ánh xạ số định danh thiết

bị sang số định danh của người sở hữu thiết bị và ngược lại)

Cuối cùng, lớp Hợp nhất/Bus cần thực hiện 2 nhiệm vụ an toàn bảo mật là Máy chủ tài nguyên OAuth2 (thẩm định Bearer token và các truy nhập tài nguyên liên quan)

và Điểm tăng cường chính sách (PEP) đối với truy nhập dựa trên chính sách Trong mô hình ở Hình 2, lớp Bus yêu cầu lớp Quản lý truy nhập và Định danh thẩm định các yêu cầu truy nhập Lớp Quản lý truy nhập và Định danh đóng vai trò như Điểm quyết định chính sách (PDP) trong quá trình này Sau đó, lớp Bus thực hiện theo kết quả do PDP mang đến, nghĩa là cho phép hoặc không cho phép truy nhập tài nguyên

 Lớp Xử lý Sự kiện và Phân tích (Event Processing and Analytics)

Lớp này xử lý các sự kiện từ lớp Bus chuyển lên Yêu cầu chủ yếu ở đây là khả năng lưu trữ dữ liệu vào cơ sở dữ liệu Mô hình truyền thống sẽ viết một ứng dụng phía máy chủ (ví dụ, JAX-RS) Tuy nhiên, có một số cách tiếp cận khác linh hoạt hơn Thứ nhất là sử dụng các nền tảng phân tích dữ liệu lớn Đó là nền tảng dựa trên cloud khả

mở hỗ trợ các công nghệ như Apache Hadoop để cung cấp những phân tích

map-reduce (quy trình xử lý dữ liệu siêu lớn) đối với tập hợp dữ liệu đến từ các thiết bị Cách tiếp cận thứ hai là hỗ trợ phương thức Xử lý Sự kiện Phức tạp (Complex Processing Event) để thực hiện các hoạt động gần như theo thời gian thực và ra quyết định hành động dựa theo kết quả phân tích dữ liệu từ các thiết bị chuyển đến

 Lớp Truyền thông ngoài (External Communication)

Lớp nào tạo ra giao diện giúp quản lý các thiết bị IoT như: web/portal, dashboard (bảng hiển thị tổng hợp) hoặc hệ thống quản lý API Với web/portal, kiến trúc cần hỗ trợ các công nghệ Web phía máy chủ như Java Servlets/JSP, PHP, Python, Ruby Web server dựa trên Java phổ biến nhất là Apache Tomcat Dashboard là hệ thống tái sử dụng tập trung vào việc trình bày đồ thị mô tả dữ liệu đến từ các thiết bị và lớp xử lý sự kiện Lớp quản lý API có 3 chức năng Thứ nhất là cung cấp portal tập trung vào hỗ trợ lập trình viên tác nghiệp (chứ không phải là người sử dụng như portal thông thường) và quản lý các phiên bản của API được xuất bản Thứ hai là đóng vai trò gateway quản lý truy nhập vào các API, kiểm tra việc điều khiển truy nhập (đối với yêu cầu từ bên ngoài), điều tiết sử dụng dựa trên chính sách, định tuyến và cân bằng tải Cuối cùng là chức năng gateway đẩy dữ liệu vào lớp phân tích để lưu trữ và xử lý, giúp hiểu được các API đã được sử dụng như thế nào

 Lớp Quản lý Thiết bị (Device Management)

Trong lớp Quản lý thiết bị, hệ thống phía máy chủ DM (Device Manager) giao tiếp với các thiết bị thông qua các giao thức khác nhau và điều khiển phần mềm của từng thiết bị hoặc một nhóm thiết bị (có thể khóa hoặc xóa dữ liệu trên thiết bị khi cần thiết), quản lý định danh các thiết bị và ánh xạ vào chủ nhân các thiết bị đó DM phải phối hợp với lớp Quản lý Định danh và Truy nhập để quản lý việc điều khiển truy nhập vào thiết bị (những người có quyền truy nhập vào thiết bị ngoài chủ nhân, quyền điều khiển của chủ nhân thiết bị so với người quản trị )

 Lớp Quản lý Định danh và Truy nhập (Identity and Access Management)

Lớp này cần cung cấp các dịch vụ: Phát hành và thẩm định Oauth2 token; Các dịch vụ định danh khác, gồm cả SAML2 SSO và OpenID Connect; XACML PDP; Danh bạ cho người dùng (ví dụ: LDAP); Quản lý chính sách điều khiển truy nhập (PCP)

2.4 Các thành phần trong Internet of Things

dữ liệu này tới bộ tập trung (Gateway) Trong khi đó, bộ thừa hành kết nối tới các thành phần điều khiển cơ khí, điện, điện tử để thực hiện những mệnh lệnh từ Gateway truyền xuống qua sóng vô tuyến, ngoài ra còn có thể gửi trạng thái của các thành phần được điều khiển (ví dụ tình trạng cánh cửa, đèn đang bật hay tắt ) Gateway thường

là một bo mạch sử dụng vi xử lý đủ mạnh, có đủ bộ nhớ và năng lực xử lý cũng như có khả năng kết nối đến Internet (qua đường cáp mạng hoặc WiFi) gián tiếp kết nối các Smart Device tới Internet Gateway thường được cấp nguồn bằng nguồn điện thông thường do phải cung cấp nhiều năng lượng cho các giao tiếp và hệ thống xử lý Đối với các công ty hay tổ chức lớn, việc tự xây dựng được những thiết bị phần cứng không phải là khó khăn quá lớn thì họ có thể tự chế tạo những vi mạch đáp ứng theo yêu cầu riêng của mình Tuy nhiên việc tự xây dựng phần cứng thiết bị cần mức

độ hiểu biết sâu về phần cứng cũng như cũng như tốn nhiều thời gian và chi phí, vì vậy trong đề tài này chúng em tìm hiểu và sử dụng các sản phẩm đã được thương mại, khả năng lập trình không quá khó khăn nhưng vẫn đáp ứng được các yêu cầu đề ra

 Sensors và Actuators

Vì cấu trúc của hai bộ này tương đối giống nhau, vì vậy chúng được xếp chung cùng một loại Sau đây là một số ví dụ:

 Arduino Uno

Hình 2.4: Kit phát triển Arduino Uno R3[4]

Arduino là một dòng kit phát triển nổi tiếng hàng đầu đối với phong trào tự thực

hiện các mạch mà không cần hiểu biết quá sâu phần cứng (DIY- Do It Yourself)

Arduino có nhiều phiên bản khác nhau với cấu hình phần cứng phù hợp cho các mục đích riêng biệt Arduino có chi phí rẻ, tiêu thụ ít điện năng, bo mạch dễ sử dụng cũng như có khả năng kết nối với nhiều cảm biến để thu thập dữ liệu cũng như các thiết bị điện, điện tử khác Với thư viện phong phú và cách lập trình đơn giản, bộ kit này thực

sự phù hợp cho mục đích xây dựng các thiết bị Smart Device trong hệ thống Internet of Things

 Pinoccio

Hình 2.5: Một ví dụ sử dụng Pinoccio

Pinoccio trang bị chip ATmega256 khá mạnh, tích hợp sẵn công nghệ IEEE 802.15.4 và có khả năng kết nối tới Internet thông qua WiFi Ngoài ra mạch cũng tích hợp sẵn cảm biến nhiệt độ trên bo cùng với pin có thể sạc lại, lập trình viên có thể sử dụng các hàm API để kiểm tra lượng pin còn lại của bo mạch Tuy nhiên một vấn đề lớn của bo mạch này là vì tích hợp nhiều thành phần nên giá thành khá cao để sử dụng cho một bộ cảm biến và thừa hành

và Raspberry Pi Zero Raspberry Pi 3 vừa được đưa ra thị trường vào tháng 2 năm

2016 với vi xử lý mạnh mẽ lên đến 1.2 GHz kiến trúc 64-bit ARM Ngoàira Pi 3 còn có một số nâng cấp quan trọng so với phiên bản tiền nhiệm: được tích hợp module WiFi, Bluetooth 4.1 cũng như Bluetooth Low Energy Pi Zero có cấu hình không cao nhưng giá lại rẻ hơn Pi 3 rất nhiều (giá 5$) cũng là một lựa chọn tốt cho các nhà phát triển

 Intel Galileo

Hình 2.7: Intel Galileo thế hệ thứ 2

Galileo là một bước thử nghiệm của hãng Intel trong việc cung cấp phần cứng trong lĩnh vực IoT Tuy nhiên so với Raspberry Pi, Galileo có cấu hình và hiệu năng thấp hơn nhưng giá thành cao hơn Việc sử dụng bộ vi xử lý 400 MHz trong dòng sản phẩm mới nhất là một điểm trừ của sản phẩm này, Galileo ít được các nhà phát triển lựa chọn để xây dựng hệ thống IoT

 Arduino Yun

Hình 2.8: Kit phát triển Arduino Yun[4]

Là một sản phẩm khác của Arduino, bộ kit này sử dụng chip ATmega32U4 và có cổng kết nối Ethernet cũng như module WiFi tích hợp Tuy nhiên giá thành cao so với hiệu năng của phần cứng là vấn đề của sản phẩm này

2.4.2 Các hệ điều hành cho IoT

Các ngành công nghiệp công nghệ cao đang dành nhiều nguồn lực vào lĩnh vực Internet of Things Các công ty công nghệ cùng với cộng đồng mã nguồn mở cũng hợp tác với nhau để phát triển hệ điều hành dành cho dòng thiết bị này

Hình 2.9: Hệ điều hành IoT

Tuy nhiên, trên thực tế, một hệ điều hành dành cho IoT sẽ khó sử dụng cho nhiều mục đích hoặc ứng dụng hàng hoạt trên mọi sản phẩm, bởi vậy cần có nhiều hệ điều hành khác nhau trong lĩnh vực IoT để đáp ứng nhu cầu thực tế

Thuật ngữ về hệ điều hành của những thiết bị đơn giản trước đây là "hệ điều hành nhúng - embedded operating system" sẽ được thay thế bởi "hệ điều hành thời gian thực - real-time operating system" (RTOS) vốn được dành cho thiết bị thuộc kỷ nguyên IoT Real-Time Operating Systems (RTOS - Hệ điều hành thời gian thực), là phần mềm điều khiển chuyên du ̣ng thường được dùng trong những ứng du ̣ng điê ̣n toán nhúng có tài nguyên bô ̣ nhớ ha ̣n chế và yêu cầu ngă ̣t nghèo về thời gian đáp ứng tức thời , tính sẵn sàng cao và khả năng tự kiểm soát mô ̣t cách chính xác