Xây dựng và mô phỏng mạng IOT trong ứng dụng trường học thông minh (Luận văn thạc sĩ)

Xây dựng và mô phỏng mạng IOT trong ứng dụng trường học thông minhXây dựng và mô phỏng mạng IOT trong ứng dụng trường học thông minhXây dựng và mô phỏng mạng IOT trong ứng dụng trường học thông minhXây dựng và mô phỏng mạng IOT trong ứng dụng trường học thông minhXây dựng và mô phỏng mạng IOT trong ứng dụng trường học thông minhXây dựng và mô phỏng mạng IOT trong ứng dụng trường học thông minhXây dựng và mô phỏng mạng IOT trong ứng dụng trường học thông minhXây dựng và mô phỏng mạng IOT trong ứng dụng trường học thông minhXây dựng và mô phỏng mạng IOT trong ứng dụng trường học thông minh

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

Nguyễn Thị Thanh Nga

XÂY DỰNG VÀ MÔ PHỎNG MẠNG IOT

TRONG ỨNG DỤNG TRƯỜNG HỌC THÔNG MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

Nguyễn Thị Thanh Nga

XÂY DỰNG VÀ MÔ PHỎNG MẠNG IOT TRONG ỨNG DỤNG TRƯỜNG HỌC THÔNG MINH

Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số : 848.01.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TSKH HOÀNG ĐĂNG HẢI

HÀ NỘI - 2018

Tôi xin cam đoan nội dung trình bày trong luận văn là kiến thức do tôi tích lũy trong quá trình học tập, nghiên cứu Các nghiên cứu trong luận văn dựa trên những tổng hợp lí thuyết và mô phỏng thực tế của mình, không sao chép từ bất kì 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

Học viên

Nguyễn Thị Thanh Nga

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến PGS.TSKH Hoàng Đăng Hải - Học Viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Thầy đã dành thời gian, tâm huyết chỉ bảo tận tình, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình tìm hiểu, triển khai và nghiên cứu đề tài Thầy là người định hướng và đưa nhiều những gớp ý bổ ích và quý báu trong quá trình tôi thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn tới toàn thể thầy giáo, cô giáo trong khoa sau đại học Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã dạy bảo tận tình, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu, bổ ích và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình tôi học tập và nghiên cứu tại trường

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn bên tôi, cổ vũ cho tôi, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Do có nhiều hạn chế về thời gian và kiến thức nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy,

cô và những độc giả quan tâm

Tôi xin gửi lời chúc sức khỏe, hạnh phúc và thành công tới quý thầy, cô, đồng nghiệp cùng toàn thể gia đình, bạn bè

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 20

Học viên

Nguyễn Thị Thanh Nga

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH SÁCH BẢNG viii

DANH SÁCH HÌNH VẼ ix

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ ỨNG DỤNG CỦA INTERNET OF THINGS 3

1.1 Công nghệ IoT 3

1.1.1 Định nghĩa IoT 3

1.1.2 IoT từ góc nhìn kĩ thuật [14] 4

1.1.3 Đặc tính cơ bản của IoT [2] [7] 7

1.1.4 Kiến trúc hệ thống 7

1.1.5 Các giao thức chính trong IoT 8

1.1.6 Yêu cầu ở mức cao đối với một hệ thống IoT 9

1.2 Các ứng dụng của IoT 10

1.2.1 Thành phố thông minh và môi trường thông minh (Smart Cities) 11

1.2.2 Năng lượng và điện lưới thông minh (Smart Enerry and the Smart Grid) 12

1.2.3 Giao thông thông minh và di động (Smart Transportation and Mobility) 13

1.2.4 Smart home, Smart Buildings and Infrastructure 14

1.2.5 Nhà máy thông minh và sản xuất thông minh (Smart Factory and Smart Manufacturing) 17

1.2.6 Y tế thông minh ( Smart Health) 17

1.2.7 Giải trí kết nối (Connectivity) 18

1.2.8 Trường học thông minh (Smart School) 19

1.2.9 Nông nghiệp thông minh (Smart Agriculture) 19

1.2.10 Mua sắm thông minh (Smart Shopping) 20

1.3.1 Bảng tương tác 22

1.3.2 Phát triển tư duy và hình thành làm việc nhóm 23

1.3.3 Giám sát trường học 23

1.3.4 Quản lí hiệu quả 23

1.3.5 Trường học kết nối 24

1.4 Kết luận chương 1 25

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MẠNG IOT CHO ỨNG DỤNG TRƯỜNG HỌC THÔNG MINH 26

2.1 Giới thiệu 26

2.2 Kiến trúc mạng IoT cho ứng dụng trường học thông minh 27

2.2.1 Một số giả thiết 27

2.2.2 Định tuyến trong mạng 28

2.2.3 Kiểm soát truy nhập và chuyển tiếp dữ liệu 32

2.2.4 Giao thức vận chuyển dữ liệu 34

2.2.5 Sơ đồ mạng và hệ thống cho ứng dụng bài toán 36

2.3 Mô tả các thành phần chính của hệ thống 38

2.3.1 Mạng cảm biến 38

2.3.2 Gateway 42

2.4 Một số vấn đề về quản lí định vị, thu thập dữ liệu và truyền tin 45

2.4.1 Định vị 45

2.4.2 Thu thập dữ liệu 46

2.4.3 Truyền tin 47

2.5 Kết luận chương 2 47

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG, THỬ NGHIỆM MẠNG IOT TRONG TRƯỜNG HỌC THÔNG MINH 48

3.1 Giới thiệu 48

3.2 Lựa chọn công cụ thử nghiệm 48

3.2.1 Phần mềm contiki [22] 48

3.2.3 Tích hợp một platform mới vào hệ điều hành contiki [22] 50

3.2.4 Xây dựng môi trường ảo cho thử nghiệm 52

3.3 Xây dựng mạng mô phỏng 55

3.3.1 Mô tả các bài toán ứng dụng IoT trong trường học thông minh 55

3.3.2 Tạo môi trường mô phỏng 57

3.4 Xây dựng kịch bản thử nghiệm 59

3.4.1 Một số tham số chung cho các kịch bản 59

3.4.2 Xác suất trong các điều kiện thử nghiệm 60

3.4.3 Một số cấu hình chung khi mô phỏng 61

3.4.4 Quy mô thử nghiệm 62

3.5 Kết quả mô phỏng thử nghiệm 62

3.5.1 Kết quả đầu ra của mô phỏng 62

3.5.2 Kết quả mô phỏng trong điều kiện lí tưởng 63

3.5.3 Kết quả mô phỏng trong điều kiện mạng thực 65

3.6 Đánh giá hiệu năng truyền tin trong mạng 67

3.7 Kết luận chương 3 68

KẾT LUẬN 69

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập (đa người dùng)

GPS global positioning system Hệ thống định vị toàn cầu

ICT Information & Communication

Technologies

Công nghệ thông tin và Truyền thông

MQTT Message Queuing Telemetry

RFID Radio Frequency Identification Giao tiếp không dây dùng sóng radio

S-MAC Social Mobile Analytics Cloud Dữ liệu đám mây

SMP Sensor Management Protocol Giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ

SQDDP Sensor Query and Data

TADAP Task Assignment and Data

Advertisement

Phân công nhiệm vụ và Quảng cáo

dữ liệu TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền vận

không dây

TCP/IP

XMPP Extensible Messaging and

Presence Protocol

Giao thức mở và dựa trên nền tảng XML

Bảng 3.1: Bảng quy định thời gian 56

Bảng 3.2: Bảng tiêu đánh giá môi trường phòng học 57

Bảng 3.3: Xác suất trong các điều kiện thử nghiệm 61

Bảng 3.4: Bảng xác suất truyền tin 63

Hình 1.1: Internet of thing [4] 3

Hình 1.2: Sự gia tăng nhanh chóng của giao tiếp máy - máy [32] 4

Hình 1.3: Hệ thống IoT từ góc nhìn kĩ thuật [14] 5

Hình 1.4: Mối quan hệ giữa các thiết bị [2] 6

Hình 1.5: Kiến trúc hệ thống IoT [31] 7

Hình 1.6: Mô hình M2M [28] 11

Hình 1.7: Thành phố thông minh [11] 11

Hình 1.8: Hạ tầng môi trường thông minh [14] 12

Hình 1.9: Lưới điện thông minh [19] 13

Hình 1.10: Theo dõi lộ trình đi của xe chở hàng [19] 14

Hình 1.12: Đô thị thông minh [20] 16

Hình 1.13: Nhà máy – sản xuất thông minh [33] 17

Hình 1.14: Y tế thông minh [2] 18

Hình 1.15: Lớp học thông minh [13] 19

Hình 1.16: Nông nghiệp thông minh [18] 20

Hình 1.18: Kết nối thông minh [17] 22

Hình 1.19: Lớp học thông minh [25] 23

Hình 1.20: Quản lí hiệu quả 24

Hình 1.21: Trường học kết nối 24

Hình 2.1: Tránh đụng độ trong S-MAC [27] 32

Hình 2.2 : Quá trình truyền thông điệp [27] 33

Hình 2.3: Chuyển tiếp mang tính cục bộ và toàn hệ thống [27] 34

Hình 2.4: Mô hình cơ bản của giao thức MQTT [27] 35

Hình 2.5: Message Queue Telemetry Transport [24] 36

Hình 2.6: Thành phần hệ thống IoT cho trường học 36

Hình 2.7: Mô hình mạng cảm biến 39

Hình 2.8: Kiến trúc của một node cảm biến 39

Hình 2.9: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến 40

Hình 2.11: Định vị, thu thập, truyền dữ liệu 46 Hình 3.2: Mạng thực với 9 và 25 node, phạm vi truyền sóng 100m 65 Hình 3.3: Mạng thực với 25 và 100 node (với 100 node thì thử với tần suất phát tin

là 5pkt/s và 8pkt/s), phạm vi truyền sóng 250m 66

LỜI MỞ ĐẦU

Xã hội kết nối 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 Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 được hình thành dựa trên nền tảng của cuộc cách mạng số, đặc biệt là việc sử dụng phổ biến Internet Nội dung của cuộc cách mạng

là sự phát triển hệ thống liên kết thế giới thực và thế giới ảo trên cơ sở vạn vật kết

nối Internet (Internet of things – IoT), các hệ thống kết nối Internet (Internet of

systems – IoS) Kết nối vạn vật (IoT) dựa trên sự phát triển bậc cao của Công nghệ

thông tin và truyền thông (ICT) IoT cho phép mỗi thực thể được cung cấp một định danh của riêng mình và tất cả đều có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin dữ liệu qua mạng và có sự tương tác trực tiếp giữa các bên Trên cơ sở đó, nhiều ý tưởng độc đáo đã trở thành hiện thực, biến những viễn tưởng thành trở thành thực tế Kết nối Internet vạn vật (IoT) là một lĩnh vực mới trong khoa học máy tính Công nghệ IoT cho phép kết nối vô vàn các thiết bị bao gồm các bộ cảm biến, các thiết bị di động với nhau tạo nên những ứng dụng mới thông minh

IoT đang trở thành một công nghệ tiềm năng để xây dựng các ứng dụng thông minh như: Ngôi nhà thông minh (Smart Home), Đô thị thông minh (Smart Cities), Nông nghiệp thông minh (Smart Agriculture), Chăm sóc sức khỏe, y tế (Healthcare), Giao thông thông minh (Smart Transport), lớp học thông minh (Smart Classroom),…

Trong ứng dụng trường học thông minh, IoT có thể trợ giúp trong tương tác với bảng viết, giám sát lớp học, giám sát điều kiện môi trường lớp học (nhiệt độ, tiếng ồn, ánh sáng,…), quản lý điểm danh, … IoT giúp cho nâng cao chất lượng đào tạo Một ví dụ cụ thể là thay vì gọi tên điểm danh lớp học theo cách truyền thống, giảng viên có thể sử dụng IoT để tự động điểm danh học sinh thông qua thiết bị nhận dạng học sinh (có thể dùng thẻ thông minh, hoặc ứng dụng điện thoại thông minh) Hệ thống quản lý tập trung từ xa có thể theo dõi giờ vào lớp, sự hiện diện của giảng viên, thời gian kéo dài của tiết học,… Lợi ích của IoT đưa vào trường học

là tăng hiệu suất, giảm chi phí và đây cũng là nhân tố quyết định thúc đẩy sự phát

triển của khoa học công nghệ, tạo ra một thế giới mới thông minh hơn, thân thiện hơn với con người và cũng là mảnh đất hứa đầy tiềm năng

Xây dựng trường học thông minh với công nghệ IoT vẫn còn là chủ đề khá mới không chỉ ở Việt Nam mà cả trên thế giới Chính vì vậy, được sự định hướng

của PGS.TSKH Hoàng Đăng Hải, tôi đã chọn đề tài: “ Xây dựng và mô phỏng

mạng IoT cho ứng dụng trường học thông minh”

Mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu về công nghệ IoT, các ứng dụng của IoT nói chung và các khả năng ứng dụng IoT trong trường học nói riêng, nghiên cứu ứng dụng mạng IoT vào trường học thông minh

Luận văn được bố cục thành ba chương cụ thể như sau:

Chương 1: Tổng quan về IoT và ứng dụng của IoT, các khả năng ứng dụng

IoT trong trường học thông minh

Chương 2: Xây dựng mạng IoT cho ứng dụng trường học thông minh, trong

đó tập trung vào trình bày kiến trúc mạng, các thành phần hệ thống mạng và một số vấn đề về thiết kế mạng cho hai bài toán ứng dụng là: quản lý điểm danh và giám sát điều kiện môi trường lớp học

Chương 3: Mô phỏng, thử nghiệm hệ thống IoT cho trường học thông minh

với các nội dung: lựa chọn phần mềm mô phỏng, xây dựng mạng mô phỏng, xây dựng kịch bản mô phỏng thử nghiệm kiến trúc mạng và cơ chế truyền tin

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ ỨNG DỤNG CỦA

INTERNET OF THINGS 1.1 Công nghệ IoT

Internet of Things (IoT) là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết (identifiable) cũng như chỉ sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton 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 cũng như một số loại cảm biến khác [12]

1.1.1 Định nghĩa IoT

Intetnet of Things – IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet.[2] [3] [12]

Hình 1.1: Internet of thing [4]

Các thực thể IoT gồm chức năng truyền thông và có thể có các chức năng khác như cảm biến, thực thi, thu thập dữ liệu, lưu trữ và xử lí dữ liệu Do vậy, thực

thể IoT phải có 2 thuộc tính: kết nối Internet; lấy được thông tin của vật chủ

IoT là cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, cung cấp những

dịch vụ tiên tiến bằng cách kết nối vạn vật (Things) cả về thực và ảo (physical and

virtual) dựa trên khả năng tương tác của những thực thể và dựa trên các công nghệ

Hình 1.3: Hệ thống IoT từ góc nhìn kĩ thuật [14]

Trong hình trên, một “device” (thiết bị) là một phần của hệ thống IoT trong thế giới vật lý Chức năng bắt buộc của một thiết bị là giao tiếp, và chức năng không bắt buộc là cảm biến, thực thi, thu thập dữ liệu, lưu trữ dữ liệu và xử lý dữ liệu Các thiết bị thu thập các loại thông tin khác nhau và cung cấp các thông tin đó cho các mạng khác nơi mà thông tin được tiếp tục xử lý Một số thiết bị cũng thực hiện các hoạt động dựa trên thông tin nhận được từ mạng

Truyền thông thiết bị - thiết bị: Có 3 cách để các devices giao tiếp với nhau

- Các devices giao tiếp thông qua các mạng lưới thông tin liên lạc, qua một cổng kết nối gọi là gateway

- Các devices giao tiếp qua mạng lưới thông tin liên lạc không qua gateway

- Các device liên lạc trực tiếp với nhau qua mạng nội bộ

Trong hình, mặc dù ta thấy chỉ có sự tương tác diễn ra ở Physical Things (các thiết bị giao tiếp với nhau) song thực ra vẫn còn hai sự tương tác khác đồng thời diễn ra Đó là tương tác Virtual Things (trao đổi thông tin giữa các virtual things) và tương tác giữa Physical Things - Virtual Things

“Communication networks” chuyển dữ liệu được thu thập từ devices đến các ứng dụng và device khác, và ngược lại, các mạng này cũng chuyển các mệnh lệnh thực thi từ ứng dụng đến các device Vai trò của “communication networks” là truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả và tin cậy

Hình 1.4: Mối quan hệ giữa các thiết bị [2]

Yêu cầu tối thiểu của các “device” trong IoT là khả năng giao tiếp [3] Thiết

bị sẽ được phân loại vào các dạng như thiết bị mang thông tin, thiết bị thu thập dữ liệu, thiết bị cảm ứng (sensor), thiết bị thực thi:

Thiết bị mang dữ liệu (Data carrierring device): Một thiết bị mang dữ liệu

được gắn vào một thực thể vật lý (Physical Things) để gián tiếp kết nối các thực thể vật lý với các mạng lưới thông tin liên lạc

Thiết bị thu thập dữ liệu (Data capturing device): Một thiết bị thu thập dữ

liệu có thể đọc và ghi, đồng thời có khả năng tương tác với thực thể vật lý Sự tương tác có thể xảy ra một cách gián tiếp thông qua device mang dữ liệu, hoặc trực tiếp thông dữ liệu gắn liền với thực thể vật lý Trong trường hợp đầu tiên, các thiết bị thu thập dữ liệu sẽ đọc thông tin từ một thiết bị mang tin và có ghi thông tin từ các network và các thiết bị mang dữ liệu

Thiết bị cảm biến và thiết bị thực thi (sensing device and actuation device):

Một thiết bị cảm nhận và thiết bị thực thi có thể phát hiện hoặc đo lường thông tin liên quan đến môi trường xung quanh và chuyển đổi nó sang tín hiệu dạng số Nó cũng có thể chuyển đổi các tín hiệu kỹ thuật số từ các mạng thành các hành động (như tắt mở đèn, hú còi báo động , ) Nói chung, thiết bị cảm biến và thiết bị thực thi kết hợp tạo thành một mạng cục bộ giao tiếp với nhau sử dụng công nghệ truyền thông không dây hoặc có dây và các gateway

General device: Một thiết bị được tích hợp mạng thông qua mạng có dây

hoặc không dây General device bao gồm các thiết bị được dùng cho các domain khác nhau của IoT, chẳng hạn như máy móc, thiết bị điện trong nhà, smart phone…

1.1.3 Đặc tính cơ bản của IoT [2] [7]

Tính kết nối liên thông (interconnectivity): Mọi thực thể có thể kết nối với

nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể

Những dịch vụ liên quan đến “Things”: hệ thống IoT có khả năng cung cấp

các dịch vụ liên quan đến “Things”, chẳng hạn như bảo vệ sự riêng tư và nhất quán giữa Physical Thing và Virtual Thing Để cung cấp được dịch vụ này, cả công nghệ phần cứng và công nghệ thông tin (phần mềm) sẽ phải thay đổi

Tính không đồng nhất: Các thiết bị trong IoT là không đồng nhất vì nó có

phần cứng khác nhau, sử dụng công nghệ mạng khác nhau Các thiết bị giữa các mạng có thể tương tác với nhau nhờ vào sự liên kết của các mạng

Thay đổi linh hoạt: Trạng thái của các thiết bị tự động thay đổi

Ví dụ: ngủ và thức dậy, kết nối hoặc bị ngắt kết nối, vị trí thiết bị đã thay đổi

và tốc độ đã thay đổi… Hơn nữa, số lượng thiết bị có thể tự động thay đổi

Quy mô lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và giao tiếp

với nhau Số lượng này lớn hơn nhiều so với số lượng máy tính kết nối Internet hiện nay; số lượng các thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều so với được truyền bởi con người

1.1.4 Kiến trúc hệ thống

Hình 1.5: Kiến trúc hệ thống IoT [31]

- IoT devices: Thiết bị IoT (cảm biến – sensor) thu thập dữ liệu từ xung quanh

(cảm biến) hoặc đưa ra dữ liệu xung quanh nó (thiết bị truyền động)

Đây là những thiết bị nhận diện duy nhất với một địa chỉ IP duy nhất để chúng có thể nhận dạng một cách dễ dàng qua một mạng lớn cũng là hoạt động trong tự nhiên có nghĩa là họ có thể thu thập dữ liệu theo thời gian thực Các hoạt động này có thể hoạt động tự động (tự quản) hoặc có thể được thực hiện bởi người

sử dụng tùy thuộc vào nhu cầu của họ (người sử dụng kiểm soát)

- IoT Geteway: Cổng kết nối đảm bảo hệ thống IoT hoạt động được trong mọi

tình huống (có mạng hoặc không mạng) Ngoài ra nó còn thiết lập các kết nối dữ liệu từ các thiết bị IoT đưa về

- Cloud Backend: là nơi nhận dữ liệu từ khắp mọi nơi mà geteway truyền từ

các thiết bị IoT tới

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

- Control Center: Trung tâm điều khiển xử lý dữ liệu thu thập được bởi các

thiết bị IoT để trích xuất dữ liệu có giá trị từ lượng dữ liệu khổng lồ thu thập được Nói cách khác, nó mang lại sự thông minh cho dữ liệu

Bộ vi xử lý hầu hết hoạt động trên cơ sở thời gian thực và có thể dễ dàng kiểm soát bởi các ứng dụng.Chúng cũng chịu trách nhiệm đảm bảo dữ liệu - đang thực hiện việc mã hoá và giải mã dữ liệu

1.1.5 Các giao thức chính trong IoT

- MQTT: Giao thức thu thập dữ liệu và giao tiếp cho các máy chủ (D2S)

- XMPP: Giao thức tốt nhất để kết nối các thiết bị với mọi người, trường hợp đặc biệt của mô hình D2S, kể từ khi người được kết nối với các máy chủ

- DDS: Giao thức tốc độ cao cho việc tích hợp máy thông minh (D2D)

- AMQP: Hệ thống hàng đợi, thiết kế để kết nối các máy chủ với nhau (S2S)

có thể bắt gặp cảm biến về: nhiệt độ, độ ẩm, khói, độ rung, tiếng ồn, độ sáng tối,

1.1.6 Yêu cầu ở mức cao đối với một hệ thống IoT

Một hệ thống IoT phải thoả mãn các yêu cầu sau:

Kết nối dựa trên sự nhận diện: Nghĩa là các “Things” phải có ID riêng biệt

Hệ thống IoT cần hỗ trợ các kết nối giữa các “Things”, và kết nối được thiết lập dựa trên định danh (ID) của Things

Khả năng cộng tác: hệ thống IoT có khả năng tương tác qua lại giữa các

mạng và Things

Khả năng tự quản của mạng: Bao gồm tự quản lý, tự cấu hình, tự khôi phục,

tự tối ưu hóa và tự có cơ chế bảo vệ Điều này cần thiết để mạng có thể thích ứng với các lĩnh vực ứng dụng khác nhau, môi trường truyền thông khác nhau, và nhiều loại thiết bị khác nhau

Dịch vụ thoả thuận: dịch vụ này để có thể được cung cấp bằng cách thu thập,

giao tiếp và xử lý tự động các dữ liệu giữa các “Things” dựa trên các quy tắc (rules) được thiết lập bởi người vận hành hoặc tùy chỉnh bởi các người dùng

Các khả năng dựa vào vị trí (location-based capabilities): Thông tin liên lạc

và các dịch vụ liên quan đến một cái gì đó sẽ phụ thuộc vào thông tin vị trí của Things và người sử dụng Hệ thống IoT có thể biết và theo dõi vị trí một cách tự

động Các dịch vụ dựa trên vị trí có thể bị hạn chế bởi luật pháp hay quy định, và phải tuân thủ các yêu cầu an ninh

Bảo mật: Trong IoT, nhiều “Things” được kết nối với nhau Chình điều này

làm tăng mối nguy trong bảo mật, chẳng hạn như bí mật thông tin bị tiết lộ, xác thực sai, hay dữ liệu bị thay đổi hay làm giả

Bảo vệ tính riêng tư: tất cả các “Things” đều có chủ sở hữu và người sử dụng

của nó Dữ liệu thu thập được từ các “Things” có thể chứa thông tin cá nhân liên quan chủ sở hữu hoặc người sử dụng nó Các hệ thống IoT cần bảo vệ sự riêng tư trong quá trình truyền dữ liệu, tập hợp, lưu trữ, khai thác và xử lý Bảo vệ sự riêng

tư không nên thiết lập một rào cản đối với xác thực ngu n dữ liệu

Plug and play: các Things có khả năng tự nhận diện để thực thi một cách dễ

dàng, tiện dụng

Khả năng quản lý: hệ thống IoT cần phải hỗ trợ tính năng quản lý các

“Things” để đảm bảo mạng hoạt động bình thường Ứng dụng IoT thường làm việc

tự động mà không cần sự tham gia của con người, nhưng toàn bộ quá trình hoạt động của họ nên được quản lý bởi các bên liên quan [2] [3]

1.2 Các ứng dụng của IoT

Một thực thể IoT có thể là một trái tim cấy ghép trong một con người; một động vật ở trang trại với bộ chip sinh học; một chiếc xe với bộ cảm ứng tích hợp cảnh báo tài xế khi bánh xe xẹp hoặc bất kỳ vật thể tự nhiên hay nhân tạo nào mà có thể gán được một địa chỉ IP và cung cấp khả năng truyền dữ liệu thông qua mạng lưới Cho đến nay, IoT là những liên kết máy-đến-máy (M2M) trong ngành sản xuất, công nghiệp năng lượng, kỹ nghệ xăng dầu Khả năng sản phẩm được tích hợp máy-đến-máy thường được xem như là thông minh Với sự trợ giúp của công nghệ hiện hữu, các thiết bị này thu thập dữ liệu hữu ích rồi sau đó tự động truyền chúng qua các thiết bị khác IoT có thể mang tới ứng dụng cho hầu hết các lính vực của đời sống và xã hội [9] [13] [15] [26]

Hình 1.6: Mô hình M2M [28]

1.2.1 Thành phố thông minh và môi trường thông minh (Smart Cities)

Thành phố thông minh là thành phố có thể sử dụng dữ liệu để cải thiện mức

độ hài lòng của cƣ dân: nền kinh tế thông minh, tòa nhà thông minh, tính di động thông minh, năng lƣợng thông minh, truyền thông thông minh, lập kế hoạch thông minh, công dân và quản trị thông minh [2] [28]

Hình 1.7: Thành phố thông minh [11]

Một số các ứng dụng về môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự

di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nước tưới; các công cụ vĩ

mô cho việc giám sát mặt đất ở phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh; phát hiện hóa học, sinh học; tính toán trong nông nghiệp; kiểm tra môi trường không khí, đất trồng, biển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng và địa lý; phát hiện lũ lụt; vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường

Hình 1.8: Hạ tầng môi trường thông minh [14]

1.2.2 Năng lượng và điện lưới thông minh (Smart Enerry and the Smart Grid)

Việc sử dụng nguồn điện hiệu quả và tiết kiệm luôn là một giải pháp tối ưu, trong đó việc lựa chọn thông minh các thiết bị chiếu sáng là vật dụng hao tốn điện năng và tần suất sử dụng cao nhất là một ví dụ Việc sử dụng đèn Led thay thế cho bóng đèn bình thường hiện nay cũng là một xu hướng tối ưu trên toàn thế giới

Một hệ thống điện hiện đại với tính hiệu quả cao vận hành dựa trên kết nối M2M thông qua cảm biến, mạng tích hợp và điện toán đám mây sẽ sử dụng các kết nối thông tin để tương tác nhằm nâng cao độ tin cậy, cắt giảm chi phí vận hành cũng như đưa ra được các phương án phân phối năng lượng tối ưu Mạng lưới này

sẽ có thể tự nhận diện và khắc phục lỗi, kiểm soát hướng di chuyển của dòng điện theo yêu cầu thực tế (đèn sáng theo môi trường, điều hoà hoạt động theo nhiệt độ bên ngoài, phân bổ công suất mạng lưới điện theo yêu cầu…) cải thiện hiệu quả hệ thống sản xuất và cho phép tích hợp dễ dàng cả những giải pháp “xanh” như năng lượng mặt trời hay năng lượng gió vào các hệ thống điện sẵn có.[19]

Hình 1.9: Lưới điện thông minh [19]

1.2.3 Giao thông thông minh và di động (Smart Transportation and

Mobility)

Các sản phẩm IoT có thể hỗ trợ trong việc tích hợp các thông tin liên lạc, kiểm soát và xử lý thông tin qua nhiều hệ thống giao thông vận tải Ứng dụng của IoT mở rộng đến tất cả các khía cạnh của hệ thống giao thông, tức là xe, cơ sở hạ tầng, người lái xe Năng động, tương tác giữa các thành phần của một hệ thống giao thông vận tải cho phép truyền thông giữa nội và xe cộ, điều khiển giao thông thông minh, bãi đậu xe thông minh, hệ thống thu phí điện tử, quản lý đội xe, điều khiển

xe, an toàn và hỗ trợ đường bộ

Ứng dụng điển hình nhất trong lĩnh vực này là gắn chíp lấy tọa độ GPS lên

xe chở hàng, nhằm kiểm soát lộ trình, tốc độ, thời gian đi đến của các xe chở hàng Ứng dụng này giúp quản lý tốt khâu vận chuyển, có những xử lý kịp thời khi xe đi không đúng lộ trình hoạt bị hỏng hóc trên những lộ trình mà ở đó mạng di động không phủ sóng tới được, kiểm soát được lượng nhiên liệu tiêu hao ứng với lộ trình

đã được vạch trước…

Hình 1.10: Theo dõi lộ trình đi của xe chở hàng [19]

Khi nói đến giao thông thông minh chúng ta có thể tham khảo kịch bản:

- Các tiêu chuẩn phải được định nghĩa về điện áp, sạc và điện áp phải được kiểm soát bởi hệ thống từ bên trong xe hoặc được lắp đặt tại trạm sạc

- Thanh toán hai chiều và linh hoạt

- IoT quản lí, giám sát hệ thống: Giám sát để bảo trì, bảo dưỡng và tăng khả năng chuẩn đoán từ xa để hộ trợ kịp thời cho phương tiện

- Vận tải đa phương thức [19] [26]

1.2.4 Smart home, Smart Buildings and Infrastructure

Tự động hóa gia đình chủ yếu bắt nguồn từ thiết bị điện tử được kết nối và tương tác với nhau (TV và máy thu AV, thiết bị di động ) thông qua các thiết bị (điện thoại thông minh, máy tính bảng ) Ứng dụng IoT sử dụng bộ cảm biến để thu thập thông tin về điều kiện hoạt động kết hợp với phần mềm phân tích lưu trữ trên đám mây phân tích khác nhau các điểm dữ liệu sẽ giúp các nhà quản lý cơ sở trở nên chủ động hơn nữa trong việc quản lý các tòa nhà hiệu quả cao nhất

Thiết bị IoT cũng có thể được sử dụng để giám sát và kiểm soát các hệ thống

cơ khí, điện và điện tử được sử dụng trong nhiều loại hình tòa nhà (ví dụ, công cộng

và tư nhân, công nghiệp, các tổ chức, hoặc nhà ở) Hệ thống tự động hóa, như các tòa nhà tự động hóa hệ thống, thường được sử dụng để điều khiển chiếu sáng, sưởi

ấm, thông gió, điều hòa không khí, thiết bị, hệ thống thông tin liên lạc, giải trí và các thiết bị an ninh gia đình để nâng cao sự tiện lợi, thoải mái, hiệu quả năng lượng

và an ninh

Khóa vali thông minh, chiếc khóa này được trang bị công nghệ giao tiếp tầm ngắn (NFC), người sử dụng không cần chìa khóa hay mật mã mà chỉ vẫy điện thoại thông minh gần khóa là nó sẽ tự mở.[15]

Ổ điện bảo vệ trẻ em, được trang bị các cảm biến để phân biệt phích cắm với các vật khác Ổ điện chỉ phát điện khi nhận phích cắm, bất cứ thứ gì khác nhét vào cũng vô tác dụng

Các ví dụ hiện thời trên thị trường bao gồm nhà thông minh được trang bị những tính năng như kiểm soát và tự động bật tắt đèn, lò sưởi (giống như bộ ổn nhiệt thông minh), hệ thống thông gió, hệ thống điều hòa không khí, và thiết bị gia dụng như máy giặt/sấy quần áo, máy hút chân không, máy lọc không khí, lò nướng, hoặc tủ lạnh/tủ đông có sử dụng Wi-Fi để theo dõi từ xa … [15]

Hình 1.11: Nhà thông minh [21]

Một số ứng dụng như CitySense sẽ dễ dàng lấy dữ liệu chiếu sáng ngoài trời theo thời gian thực và dựa trên các chúng, các đèn đường được bật hoặc tắt Ngoài

ra còn có các ứng dụng khác nhau để kiểm soát các tín hiệu giao thông và chỗ đậu

xe tiện lợi trong khu vực thành phố phức tạp [20]

Hình 1.12: Đô thị thông minh [20]

Khi tự động hóa có kết nối internet được triển khai đại trà ra nhiều lĩnh vực, IoT được dự báo sẽ tạo ra lượng dữ liệu lớn từ đa dạng nguồn, kéo theo sự cần thiết cho việc kết tập dữ liệu nhanh, gia tăng nhu cầu đánh chỉ mục, lưu trữ, và xử lý các

dữ liệu này hiệu quả hơn Internet Vạn Vật hiện nay là một trong các nền tảng của Thành phố Thông minh, và các Hệ thống Quản lý Năng lượng Thông minh

1.2.5 Nhà máy thông minh và sản xuất thông minh (Smart Factory and

Smart Manufacturing)

Vai trò của Internet Vạn vật (IoT) đang trở nên nổi bật hơn trong việc cho phép truy cập vào các thiết bị và máy móc, trong các hệ thống sản xuất, đã được giấu kín trong các thiết kế IoT sẽ kết nối nhà máy với một loạt ứng dụng hoàn toàn mới, hoạt động trên toàn bộ quy trình sản xuất Điều này có thể từ việc kết nối nhà máy với lưới điện thông minh, dùng chung các phương tiện sản xuất như là một dịch vụ hoặc cho phép các hệ thống sản xuất linh hoạt hơn Theo nghĩa này, hệ thống sản xuất có thể được coi là một trong nhiều IoT, nơi có thể xác định một hệ sinh thái mới cho sản xuất thông minh và hiệu quả hơn [2] [35]

Hình 1.13: Nhà máy – sản xuất thông minh [33]

1.2.6 Y tế thông minh ( Smart Health)

Thiết bị IoT có thể được sử dụng để cho phép theo dõi sức khỏe từ xa và hệ thống thông báo khẩn cấp Các thiết bị theo dõi sức khỏe có thể dao động từ huyết

áp và nhịp tim với các thiết bị tiên tiến có khả năng giám sát cấy ghép đặc biệt, chẳng hạn như máy điều hòa nhịp hoặc trợ thính tiên tiến Cảm biến đặc biệt cũng

có thể được trang bị trong không gian sống để theo dõi sức khỏe người già

Thiết bị ứng dụng trong giám sát sức khỏe:

- Cảm biến để thu thập dữ liệu

- Giao diện người dùng và hiển thị

- Thiết bị kết nối mạng để truy cập vào cơ sở hạ tầng

- Các ứng dụng sử dụng với điện năng thấp, độ bền, độ chính xác cao và đạt mức tin cậy cho người dùng

Hình 1.14: Y tế thông minh [2]

Có nhiều ứng dụng hỗ trợ theo dõi điều kiện sức khỏe của bệnh nhân Dựa vào các dữ liệu được đánh giá, đối chiếu với dữ liệu chuẩn, ứng dụng sẽ kiểm soát liều lượng thuốc vào các thời điểm khác nhau trong một ngày Có những ứng dụng như UroSense có thể theo dõi mức chất lỏng trong cơ thể bệnh nhân dựa trên nhu cầu thì chúng có thể bắt đầu việc truyền dịch chất lỏng Đồng thời, dữ liệu có thể được gửi tới các ứng dụng khác hoặc những người liên quan [2]

1.2.7 Giải trí kết nối (Connectivity)

Trong một vài năm trở lại đây, IoT thực tế đã đem đến cho người tiêu dùng một phương thức giải trí hoàn toàn mới: chơi với nhau từ khoảng cách địa lý xa xôi,

ở mọi khung thời gian, sử dụng nhiều thiết bị đa dạng (iPad, máy tính cá nhân, Playstation, Xbox… ) Đặc biệt hơn, người dùng có thể tạo lập cho mình những

“kịch bản” rất riêng như “Chào buổi sáng”, “Ăn tối”… Khi đó, chỉ cần chạm vào

“Chào buổi sáng”, rèm cửa tự động mở, âm nhạc phát những âm thanh vui tươi chào đón ngày mới, tạo sự thư thái, tiện nghi trọn vẹn cho người sử dụng

1.2.8 Trường học thông minh (Smart School)

Việc triển khai hiệu quả công nghệ và ứng dụng sẽ cho phép mở rộng quy

mô cũng như nội dung giảng dạy Bên cạnh đó, nó cũng mở ra những mô hình giáo dục mới – tiền đề cho việc thay đổi các kiểu giáo dục truyền thống Một trong những thành tựu bước đầu chính là công tác giáo dục từ xa Cùng với sự phát triển của công nghệ, công tác giáo dục giờ đây có thể được triển khai linh hoạt tuỳ theo nhu cầu, ở mọi nơi, mọi lúc và trên nhiều loại thiết bị đa dạng [13]

Hình 1.15: Lớp học thông minh [13]

1.2.9 Nông nghiệp thông minh (Smart Agriculture)

Nông nghiệp thông minh chính là xây dựng một hệ thống cảm biến gồm

nhiều cảm biến đặt trong nhà kính, kết nối đến Gateway để cung cấp thông tin môi trường Bên cạnh đó còn có các hệ thống cơ cấu chấp hành: quạt, rèm vách, cắt nắng, bơm tưới, châm dinh dưỡng Hệ thống camera giám sát: giám sát 24/24, chụp

hình cây trồng, giám sát quy trình chăm sóc, phát triển của cây

Đối với hệ thống giám sát, điều khiển qua Internet có chức năng: Cung cấp

hệ thống giám sát nhà kính qua website, mobile application; Giám sát realtime các thông tin nhà màng, quan sát camera Hệ thống này cũng tự động phân tích dữ liệu môi trường, đưa ra cảnh báo, lệnh điều khiển đảm bảo môi trường cây phát triển, đưa ra quy trình cho cây trồng phát triển, nâng cao năng suất Hệ thống quản lí nhân công, đưa ra công việc cho từng nhân viên, quản lí tài chính, dụng cụ sản xuất Cung cấp thông tin truy xuất ngược nguồn gốc sản phẩm: từ giai đoạn nhập giống đến vận chuyển, lên kệ [18]

Hình 1.16: Nông nghiệp thông minh [18]

1.2.10 Mua sắm thông minh (Smart Shopping)

Sản phẩm khác của thời đại IoT cần kể tới là Amazon Dash Button, thiết bị kết nối với Wi-Fi giúp người dùng đặt lại các mặt hàng mà mình yêu thích chỉ với động tác nhấn nút Không cần đăng nhập vào website, tìm kiếm sản phẩm và mua hàng mỗi khi cần, chỉ cần một lần nhấn nút là thực hiện mọi yêu cầu

Thiết bị kết nối Internet khác cũng xuất hiện trong các cửa hàng là "gương thông minh" Thiết bị này giúp khách hàng thử ảo các bộ trang phục khi soi vào, tăng trải nghiệm mua sắm Gương thông minh còn tiện lợi khi giúp người mua hàng không phải ra vào phòng thử đồ

Hay giá thông minh, thiết bị tự kiểm đếm sản phẩm trong cửa hàng và thông báo cho người quản lý khi sắp hết hàng Điều này giúp phòng tránh những sai lầm trong quá trình kiểm kho do con người, tránh tình trạng thiếu hụt sản phẩm, đặc biệt

là những mẫu kinh doanh chủ chốt Giá hàng này được kết nối với thiết bị di động

để tiện quản lý, đồng thời làm tăng hiệu quả vận hành, giảm chi phí cho nhà bán lẻ

Hình 1.17: Mua sắm thông minh [35]

Người dùng sẽ nhận được bảng điện tử từ một số cửa hàng yêu thích của mình Các bảng này sẽ đẩy quảng cáo và thay đổi giá tại shop theo thời gian thực, tạo mục tiêu mua sắm cho người dùng [35]

1.3 Các khả năng ứng dụng IoT trong trường học thông minh

Trường học thông minh hiểu đơn giản là ngôi trường mà công tác quản lí giáo viên, học sinh, công nhân viên nhà trường, các hệ thống trong trường học như:

Hệ thống tri thức (thư viện, bài giảng, tài liệu,…), hệ thống chiếu sáng, hệ thống an ninh, môi trường, sưởi ấm, máy lạnh, TV,…có khả năng tự động hóa và giao tiếp với nhau theo một lịch trình hay kịch bản định sẵn

Nguyên lý hoạt động của các hệ thống điều khiển tự động nói chung, hệ thống trường học thông minh nói riêng tập trung chủ yếu vào việc giải quyết tương tác giữa hệ thống với môi trường Thông qua các cảm biến các tín hiệu được thu nhận, các tín hiệu này sẽ được lưu trữ, xử lí và tùy theo yêu cầu của từng điều kiện đặt ra mà điều khiển các thiết bị theo mục đích cụ thể

Với khả năng định danh cao, số lượng các thực thể trong hệ thống được định danh chính xác, duy nhất, đảm bảo tốt khả năng quản lý, điều khiển của hệ thống

Hình 1.18: Kết nối thông minh [17]

1.3.1 Bảng tương tác

Trong ứng dụng cho trường học thông minh, IoT có thể trợ giúp tương tác

với bảng viết (bảng tương tác) thay cho phương pháp ghi chép truyền thống ít trực

quan Ứng dụng này không chỉ lắng nghe mà còn là một người tham dự chủ động,

sử dụng các phần mềm phân tích thực tế để giúp hướng dẫn các cuộc thảo luận, từ

đó các nhóm có thể đưa ra quyết định nhanh hơn, tốt hơn và thông minh hơn Ngoài

ra còn tăng khả năng lưu giữ lại các cuộc thảo luận: trong suốt những tiết học, học sinh trong lớp còn có thể tổ chức các cuộc đối thoại được hiển thị trên cùng một bảng, tăng khả năng tổng hợp và so sánh hiểu biết

Bảng tương tác là ứng dụng nhằm phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao

và tạo khả năng học chủ động, sáng tạo của học sinh, sinh viên [8] [19] [21]

Hình 1.19: Lớp học thông minh [25]

1.3.2 Phát triển tư duy và hình thành làm việc nhóm

Học tập theo nhóm nhằm để nâng cao khả năng tương tác của sinh viên với nhau, phát triển tư duy phản biện, khả năng làm việc tập thể của từng cá nhân Từ việc học nhóm này, người dạy có thể đánh giá năng lực của người học dựa trên những tiêu chí khách quan hơn, mở rộng quy mô nhóm học tập, đa dạng hóa nội dung kiến thức [8] [13]

1.3.3 Giám sát trường học

Ứng dụng IoT cũng trợ giúp trong hệ thống giám sát trường học, ví dụ như:

- Chất lượng dạy – học của các tiết học;

- Tắt, mở và điều chỉnh nhiệt độ, ánh sáng cho phù hợp điều kiện môi trường;

- Tự động đóng mở cửa;

- An ninh trường học;

- Cảnh báo dịch bệnh dựa vào môi trường; khí độc…

1.3.4 Quản lí hiệu quả

Ứng dụng IoT hỗ trợ đắc lực cho công tác quản lí nhà trường, ví dụ như:

- Quản lí học sinh; Quản lí điểm; Điểm danh; Quản lí môi trường lớp học, trường học; Quản lí phương tiện dạy, học; Quản lí phòng thực hành;

- Quản lí thư viện;

Hình 1.20: Quản lí hiệu quả

1.3.5 Trường học kết nối

Trường học kết nối là hệ thống hỗ trợ tổ chức và quản lý các hoạt động chuyên môn trong lĩnh vực giáo dục và đào tạo qua mạng thông tin trực tuyến với kho học liệu điện tử; kho bài học minh họa; kho bài học tương tác; ngân hàng câu hỏi; ngân hàng tri thức được trao đổi và kết nối

Tổ chức và quản lí hoạt động học tích cực, tự lực và sáng tạo của học sinh qua mạng theo hình thức “hoạt động trải nghiệm sáng tạo”; Tạo môi trường gắn kết giữa các trường trong công tác đào tạo và bồi dưỡng giáo viên [17]

Hình 1.21: Trường học kết nối

1.4 Kết luận chương 1

Internet of Things có thể thay đổi hoàn toàn cách sống của con người trong tương lai Khi mọi thứ đã được “Internet hóa”, người dùng hoàn toàn có thể điều khiển chúng từ bất cứ đâu, chỉ cần một chiếc điện thoại hay thiết bị di động cá nhân

có kết nối Internet Sở hữu những thành tựu trong lĩnh vực này nghĩa là đang nắm giữ trong tay chìa khóa thành công của mọi thời đại

Trong chương này của luận văn đã trình bày tổng quan về IoT cũng như ứng dụng của IoT vào cuộc sống nói chung và trường học thông minh nói riêng nhờ sự

hỗ trợ của công nghệ: Tablet (Máy tính bảng) , Smart Card (thẻ thông minh), Smart Phone (điện thoại thông minh), Smart Interactive panels (bảng tương tác thông

minh) và các phần mềm quản lý lớp học nhằm nâng cao chất lượng giảng dạy tương

tác (Interactive Teaching) và Quản lý học tập (Learning Management)

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MẠNG IOT CHO ỨNG DỤNG

TRƯỜNG HỌC THÔNG MINH 2.1 Giới thiệu

Như đã trình bày trong chương 1, IoT có thể ứng dụng cho xây dựng một trường học thông minh, nghĩa là ứng dụng IoT vào các hệ thống quản lý có kết nối tương tác giữa các hệ thống thông qua mạng Internet nhằm đạt được các mục tiêu quản lý phù hợp với điều kiện thực tiễn

Do khả năng ứng dụng mạng IoT cho trường học thông minh khá đa dạng, trong khuôn khổ có hạn của luận văn, bài đưa ra hai ứng dụng điển hình là bài toán quản lý điểm danh và bài toán quản lý, giám sát điều kiện môi trường lớp học

Bài toán 1: Quản lý điểm danh

Kiểm tra sĩ số (điểm danh): Người quản lý có thể trực tiếp kiểm tra và nắm

bắt sĩ số giáo viên, học sinh của trường, lớp theo thời gian biểu

Để ứng dụng là khả thi, luận văn giả thiết mỗi giảng viên, học sinh khi vào lớp đều được trang bị một cảm biến (ví dụ có thể là một phần mềm cài đặt trên máy Smartphone, hoặc một thẻ Chip) mang theo người Thẻ Chip là một thiết bị tương đối phổ biến được áp dụng cho các trường học ở các nước tiên tiến hiện nay, dùng cho giảng viên/sinh viên/học sinh để mở cửa ra vào phòng học/phòng thí nghiệm

Các cảm biến được kết nối không dây với nhau và với mạng cục bộ (qua đường truyền WiFi hoặc ZigBee), qua đó trao đổi dữ liệu và tương tác với nhau, truyền dữ liệu về trung tâm quản lý

Dữ liệu thu được từ cảm biến, truyền về trung tâm quản lý trong bài toán này thực chất chỉ cần định danh (ID) của người mang Chip (cảm biến), vị trí cảm biến, thời gian thực tế

Bài toán 2: Giám sát điều kiện môi trường lớp học

Giám sát điều kiện môi trường trong lớp học: Mỗi phòng học được gắn các

cảm biến đo thông số như nhiệt độ, ánh sáng, tiếng ồn, độ ẩm, khói, CO2,…

Các cảm biến này được kết nối không dây với nhau và với mạng cục bộ (qua đường truyền WiFi hoặc ZigBee), qua đó trao đổi dữ liệu và tương tác với nhau,

truyền dữ liệu về trung tâm quản lý, tương tự với bài toán trên

Dữ liệu thu được từ cảm biến, truyền về trung tâm quản lý trong bài toán này bao gồm: nhiệt độ, ánh sáng, tiếng ồn, độ ẩm, khói, CO2,… Trên cơ sở dữ liệu thu được, hệ thống điều khiển trung tâm có thể tăng giảm điều hòa (nếu nhiệt độ trong phòng học quá cao hoặc quá thấp), tăng/giảm ánh sáng đèn (để tiết kiệm năng lượng) tùy vào độ chiếu sáng của ánh nắng, tăng/giảm quạt gió (tùy độ ẩm, lượng khí CO2 trong phòng học), cảnh báo tiếng ồn,…

Đối với hai bài toán ứng dụng điển hình nêu trên, một số vấn đề cơ bản đặt ra khi xây dựng mạng IoT cho ứng dụng trường học thông minh cho cả hai bài toán là:

- Kiến trúc tổng thể mạng gồm: các cảm biến, cổng kết nối, kênh truyền tin, hệ thống trung tâm

- Một số giao thức mạng điển hình, kiểm soát truy nhập, định tuyến,

- Các cảm biến tạo thành mạng cảm biến, có sự chuyển tiếp dữ liệu giữa các cảm biến và giữa cảm biến về trung tâm

- Một số thành phần khác của mạng, ví dụ Gateway

- Một số vấn đề về định vị, thu thập dữ liệu của cảm biến, truyền dữ liệu Trong phần tiếp theo của chương 2, luận văn sẽ trình bày cụ thể các vấn đề chung khi xây dựng một mạng IoT cho ứng dụng trường học thông minh cho cả hai bài toán ứng dụng đã nêu trên

2.2 Kiến trúc mạng IoT cho ứng dụng trường học thông minh

- Điều khiển truy nhập và chuyển tiếp dữ liệu sử dụng phương thức cho mạng cảm biến điển hình

- Vận chuyển dữ liệu sử dụng giao thức điển hình của mạng IoT theo chuẩn, ví

 Các kỹ thuật định tuyến

Khi thiết kế giao thức định tuyến phải xem xét đến công suất và tài nguyên hạn chế của các node mạng, đạc tính thay đổi theo thời gian của kênh truyền và khả năng trễ hay mất gói Có nhiều giao thức định tuyến:

- Giao thức dùng cho mạng phẳng: Tất cả các node xem như cùng cấp Kiến

trúc phản có nhiều lợi ích như tối thiểu overhead để xây dựng hạ tầng mạng và có khả năng tìm ra nhiều đường liên lạc giữa các node với sai số cho phép

- Giao thức dùng cho kiến trúc tiết kiệm năng lượng, ổn định và khả nawg mở

rộng: Các node mạng được sắp xếp vào các cluster, trong đó một node có năng

lượng lớn nhất có vai trò là cluster head Cluster head có trách nhiệm phối hợp các hoạt động giữa các node trong cluster và chuyển thông tin giữa các cluster Việc phân hoạch giảm năng lượng tiêu thụ và kéo dài thời gian của sống của mạng

- Dùng phương pháp data-centric để phân bổ yêu cầu trong mạng: Phương

pháp dựa trên thuộc tính, ở đó một node nguồn truy vấn đến một thuộc tính của hiện tượng nào đó hơn cả một node cảm biến riêng biệt Việc phân tán yêu cầu thực hiện bằng cách phân nhiệm vụ cho các node cảm biến và định rõ một thuộc tính riêng biệt cho các node Các kiểu thông tin có thể dùng như Broadcasting, attribute-based multicasting, geo-casting và anycasting