Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)

Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

ĐỖ VĂN KHÁNH

THIẾT KẾ MẠNG KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC MESH SỬ DỤNG

CÔNG NGHỆ ZIGBEE ỨNG DỤNG TRONG IOT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2018

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

ĐỖ VĂN KHÁNH

THIẾT KẾ MẠNG KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC MESH SỬ DỤNG

CÔNG NGHỆ ZIGBEE ỨNG DỤNG TRONG IOT

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Nội dung của luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên những tạp chí

và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình

Tác giả luận văn

ĐỖ VĂN KHÁNH

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của gia đình, của thầy cô, các anh chị, các em và các bạn Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:

Ban giám đốc Học viện, các thầy cô giảng dạy và làm việc tại Khoa Quốc tế

và Đào tạo sau đại học – Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn Tiến sĩ Nguyễn Quốc Uy, người thầy kính mến đã hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, anh chị và các em đã ở bên cạnh động viên, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt qua trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn cao học

Tác giả luận văn

ĐỖ VĂN KHÁNH

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH SÁCH BẢNG vi

DANH SÁCH HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ ỨNG DỤNG 5

1.1 Giới thiệu chung về IoT 5

1.2 Tình hình phát triển IoT trên thế giới và Việt Nam 6

1.2.1 Xu hướng phát triển của thế giới 6

1.2.2 Xu hướng phát triển của Việt Nam 8

1.3 Công nghệ trong IoT 9

1.3.1 Công nghệ trong IoT 9

1.3.2 Đặc điểm của một hệ thống IoT 16

1.4 Các ứng dụng trong IoT 19

1.4.1 Các ứng dụng trong IoT 19

1.4.2 Các thách thức trong việc nghiên cứu, triển khai IoT 24

1.5 Kết luận chương 26

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU MẠNG MESH 27

2.1 Mạng không dây 27

2.1.1 Các khái niệm cơ bản 27

2.1.2 Phân chia các mạng không dây 28

2.1.3 Các công nghệ sử dụng trong mạng không dây 28

2.2 Kiến trúc MESH 32

2.3 Tổng kết chương 2 37

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ ZIGBEE 38

3.1 Công nghệ zigbee 38

3.1.1 Thành phần mạng Zigbee 40

3.1.2 Cấu hình mạng 40

3.1.3 Mô hình chồng giao thức Zigbee 43

3.2 Các tầng của zigbee 44

3.2.1 Tầng vật lý 44

3.2.2 Tầng điều khiển dữ liệu 48

3.2.3 Tầng mạng của Zigbee 50

3.2.4 Tầng ứng dụng của Zigbee 51

3.3 Thuật toán định tuyến 52

3.3.1 Cấu hình lưới mesh 52

3.3.2 Khám phá tuyến 53

3.4 Tổng kết chương 3 55

CHƯƠNG 4: CÁC ỨNG DỤNG VÀ TRIỂN KHAI THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG MESH 56

4.1 Một số ứng dụng cụ thể 56

4.2 Triển khai 57

4.2.1 Kiến trúc mạng 58

4.2.2 Thiết kế phần cứng 59

4.3 Tổng kết chương 4 60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

BLE Bluetooth low energy Bluetooth năng lượng thấp

CAN Controller Area Network Giao thức truyền thông bus nối

tiếp D2D Device to device Thiết bị tới thiết bị

HTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers Viện kỹ thuật điện-điện tử

IMAP Internet Message Access Protocol Giao thức truy cập thông điệp

internet

MAC Medium Access Control Kiểm soát truy cập vừa

MQTT Message Queuing Telemetry

PAN Personal Area Network Mạng khu vực cá nhân

RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng đối tượng bằng sóng

vô tuyến WMN Wireless Mesh Networks Mạng lưới vô tuyến

WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây

WSN Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây

XMPP Extensible Messaging and Presence

Protocol

Giao thức hiện diện và nhắn tin

mở rộng

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 3 1 dải tần số khác nhau 45

Bảng 3 2 Kênh truyền trên các giải tần số 45

Bảng 3 3 Mã hóa dữ liệu 46

Bảng 3 4 Mô tả giá trị chip đầu vào 47

Bảng 3 5 Định dạng khung tin PPDU 48

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1 1 Internet of Thing 5

Hình 1 2 Ví dụ về MQTT 10

Hình 1 3 Ví dụ về XMPP 11

Hình 1 4 Năng lực truyền thông 12

Hình 1 5 Mô hình vận hành hệ thống RFID trong thư viện 13

Hình 1 6 Mô hình mạng Zigbee 14

Hình 1 7 Một số loại cảm biến hay gặp 15

Hình 1 8 Đáp ứng thời gian cho ứng dụng IoT 16

Hình 1 9 Tổng quan một mô hình hệ thống IoT 17

Hình 1 10 Tổng quan về ứng dụng của IoT 20

Hình 1 11 Theo dõi lộ trình đi của các xe chở hàng 20

Hình 1 12 Theo dõi tình trạng sinh trưởng của cây trồng 21

Hình 1 13 Mô hình ứng dụng nhà thông minh 22

Hình 1 14 Thành phố thông minh 23

Hình 1 15 Mô hình lưới điện thông minh 23

Hình 2 1 Hybrid WMN 33

Hình 2 2 Khả năng truyền dẫn của khung 34

Hình 2 3 Đánh địa chỉ trong mesh network 36

Hình 3 1 Các mô hình mạng 42

Hình 3 2 Mô hình chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4 44

Hình 3 3 Phân tích path-cost 52

Hình 3 4 Phân tích path-cost 54

Hình 4 1 Mô hình nhà thông minh 58

Hình 4 2 Sơ đồ nguyên lý 59

Hình 4 3 Mô hình mạch 3D 60

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Cách đây một vài năm mọi người đang nói về Internet of Things sẽ thay đổi thế giới như thế nào Nhưng tầm nhìn về việc kết nối hàng tỷ thiết bị có những thử thách nhất định Các mạng không dây hiện tại như Bluetooth, Bluetooth Low Energy và WiFi đều không thích hợp cho những ứng dụng tầm xa Mạng di động (cellular) càng không thể dùng để các giao tiếp từ xa device-to- device vì quá tốn năng lượng Nhìn chung, tất cả các loại mạng đều rất đắt đỏ về phần cứng và dịch

Từ những lý do trên, đề tài nghiên cứu của luận văn được chọn là “THIẾT KẾ MẠNG KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC MESH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE ỨNG DỤNG TRONG IoT”

2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu:

IOT hiện nay đang là một xu hướng mạnh mẽ trên toàn thế giới, mở ra những

cơ hội chưa từng có cho các nền kinh tế, doanh nghiệp, tổ chức và các cá nhân để cạnh tranh trong môi trường mới

Phạm vi ứng dụng công nghệ IoT thực sự rộng lớn và đa dạng, từ quản lý giao thông, quản lý đô thị, quản lý môi trường, ứng phó khẩn cấp đến mua sắm thông minh, các dịch vụ y tế chăm sóc sức khỏe, nhà thông minh và hướng tới nữa

là thành phố thông minh

Có thể thấy Internet of Things (IoT) đã tự chứng minh tiềm năng của mình bằng những con số đáng kinh ngạc: “3,8 tỷ thiết bị kết nối vào cuối năm 2014, nhanh chóng tăng lên thành 4,9 tỷ vào tháng 11 năm 2016 Và nếu duy trì được tốc độ tăng

trưởng như hiện nay, số lượng thiết bị kết nối IoT sẽ tăng lên thành gần 6,4 tỷ vào cuối năm nay với khoảng 5,5 triệu thiết bị kết nối mới mỗi ngày” (Telecoms.com)

Sự ra đời của 5G được cho là xu hướng tất yếu để đáp ứng nhu cầu kết nối, truyền tải dữ liệu của hàng tỉ vật dụng được kết nối trong kỷ nguyên IoT Tuy nhiên,

đó không phải là giải pháp duy nhất Công nghệ ZigBee được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4 của tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Tiêu chuẩn 802.15.4 này sử dụng tín hiệu radio có tần số sóng ngắn, và cấu trúc của 802.15.4 có 2 tầng là tầng vật lý và tầng MAC (medicum Access Control) Công nghệ ZigBee vì thế cũng dùng sóng radio và có 2 tầng Hơn thế nữa ZigBee còn thiết lập các tầng khác nhờ thế mà các thiết bị của các nhà sản xuất dù khác nhau nhưng cùng tiêu chuẩn có thể kết nối với nhau và vận hành trong vùng bảo mật của hệ thống Nhờ chức năng điều khiển từ xa không dây, truyền dữ liệu ổn định, tiêu thụ năng lượng cực thấp, công nghệ mở đã giúp công nghệ ZigBee trở nên hấp dẫn sử dụng cho các ứng dụng, đặc biệt là ứng dụng trong nhà thông minh công nghệ zigbee hiện nay

Các tiêu chuẩn ZigBee được bảo trợ bởi 1 nhóm liên minh ZigBee Liên minh này có hơn 150 thành viên, một số trong số đó là những bảo trợ chính và có ảnh hưởng quyết định đến tiêu chuẩn của ZigBee, bao gồm Ember, Honeywell, Invensys, Mitsubishi, Motorola, Philips, và Samsung Liên minh ZigBee cân nhắc đến nhu cầu của người sử dụng, nhà sản xuất và các nhà phát triển hệ thống để nâng cao tiêu chuẩn ZigBee

Ngoài ra, nó còn hướng tới mục tiêu giảm thiểu công suất tiêu thụ của các thiết

bị đầu cuối để tăng tuổi thọ pin của thiết bị - một trong những thách thức hiện nay trong việc đẩy mạnh sự phát triển của D2D Các Zigbee end device (ZED) có công suất hoạt động rất thấp, cho phép hoạt động thiết bị hoạt động trong vòng hàng năm trời chỉ với một pin chuẩn AA

Việc kết nối giữa các thiết bị đầu cuối và gateway được thực hiện ở nhiều kênh tần số khác nhau ở các băng tần chưa được cấp phép (Unlienced Band) và ở các tốc

độ truyền dẫn dữ liệu khác nhau Nhờ hai yếu tố này mà khả năng nhiễu giữa các kênh là rất thấp Tốc độ dữ liệu truyền dẫn cho phép từ 250kb/s ở dải tần 2.4Ghz

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Luận văn đề cập đến việc truyền dẫn tín hiệu vô tuyến công suất thấp thông qua công nghệ zigbee với vùng phủ vừa phải Zigbee cũng có một kiến trúc ngăn xếp nhiều tầng, trong đó tầng vật lý và tầng MAC (Medium Access Control) được định nghĩa giống chuẩn IEEE 802.15.4 Sau đó zigbee được định nghĩa thêm 4 thành phần chính: tầng mạng, tầng ứng dụng, đối tượng thiết bị zigbee và các đối tượng mới cho người dùng (cho phép tùy biến theo từng ứng dụng) Zigbee chú trong vào những nhu cầu cơ bản của IoT như bảo mật giao tiếp 2 chiều (bidirection communication), tính di động và tiết kiệm năng lượng Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế một mô hình mesh network chạy thực tế Các thiết bị trong nhà được kết nối thông qua mesh network sử dụng công nghệ zigbee được điều khiển qua internet

Luận văn cũng đưa ra một vài mô hình thực tế đã triển khai ở việt nam cũng như quốc tế

5 Phương pháp nghiên cứu:

Nhờ sự hướng dẫn cũng như định hướng của thầy hướng dẫn, học viên thực hiện tìm kiếm và thu thập tài liệu, bài báo đã được công bố để tìm hiểu lý thuyết cơ bản

về mạng mesh cũng như công nghệ zigbee, từ đó tìm hiều và phân tích các kết quả

đã có được và thiết kế một mạng mesh mô hình nhỏ chạy thực tế để khảo sát đưa ra kết quả và định hướng nghiên cứu tiếp sau này

Luận văn được xây dựng với nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan về IOT và ứng dụng

Chương 2: Giới thiệu mạng MESH

Chương 3: Công nghệ ZIGBEE

Chương 4: Các ứng dụng và triển khai thiết kế mô hình mạng mesh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Giới thiệu chung về IoT

Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet viết tắt là IoT (tiếng Anh: Internet of Things) 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, dữ liệu 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 Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó

Internet of Things (IoT) là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối Đây

là một viễn cảnh trong đó mọi vật, mọi con vật hoặc con người được cung cấp các định danh và khả năng tự động truyền tải dữ liệu qua một mạng lưới mà không cần

sự tương tác giữa con người-với-con người hoặc con người-với-máy tính

Hình 1 1 Internet of Thing

Hay hiểu một cách đơn giản IOT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị khác Cisco, nhà cung cấp

giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo: Đến năm 2020, sẽ có khoảng

50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, thậm chí con số này còn gia tăng nhiều hơn nữa IoT sẽ là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả con người và sẽ tồn tại các mối quan hệ giữa người và người, người và thiết bị, thiết bị và thiết bị 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

“Thing” – sự vật – trong Internet of Things, có thể là một con người với

màn hình cấy ghép tim, một động vật trang trại với bộ tiếp sóng chip sinh học, một chiếc xe ô tô tích hợp các cảm biến để cảnh báo lái xe khi lốp quá non – hoặc bất kỳ

đồ vật nào đó tự nhiên sinh ra hoặc do con người sản xuất ra mà có thể được gắn với một địa chỉ IP và được cung cấp khả năng truyền tải dữ liệu qua mạng lưới

IoT có thể được coi là một tầm nhìn sâu rộng của công nghệ và cuộc sống

Từ quan điểm của tiêu chuẩn kỹ thuật, IoT có thể được xem như là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, tạo điều kiện cho các dịch vụ tiên tiến thông qua sự liên kết các “Things” IoT dự kiến sẽ tích hợp rất nhiều công nghệ mới, chẳng hạn như các công nghệ thông tin machine-to-machine, mạng tự trị, khai thác dữ liệu và ra quyết định, bảo vệ sự an ninh và sự riêng tư, điện toán đám mây

1.2 Tình hình phát triển IoT trên thế giới và Việt Nam

1.2.1 Xu hướng phát triển của thế giới

Theo báo cáo Ericsson Mobility Report, tới năm 2021, dự kiến sẽ có 28 tỉ thiết bị kết nối trong đó có 15 tỉ thiết bị kết nối IoT bao gồm thiết bị M2M (machine-to-machine) như đồng hồ đo thông minh, cảm biến trên đường, địa điểm bán lẻ, các thiết bị điện tử tiêu dùng như ti vi, đầu DVR, thiết bị đeo 13 tỉ còn lại là điện thoại di động, máy tính xách tay PC, máy tính bảng

IDC dự kiến năm 2019, tòan cầu sẽ chi 1.300 tỉ đô la Mỹ cho IoT Tới năm

2020, theo dự đoán của Gartner thì giá trị gia tăng do IoT mang lại sẽ là 1.900 tỉ đô

la Mỹ Và theo McKinsey, tới năm 2025 IoT sẽ đóng góp vào nền kinh tế toàn cầu

là 11.000 tỉ đô la Mỹ Tới năm 2021, dự kiến số thuê bao sẽ lên tới 9,1 tỉ Số thuê bao này cao hơn số dân bởi mỗi người có thể sở hữu nhiều thiết bị Trong các kết nối IoT như vậy, sẽ có bao gồm cả những có đăng ký thuê bao SIM/eSIM được gắn ngay trong thiết bị và cả những thiết bị như điện tử tiêu dùng không cần dùng SIM (Non-SIM) IoT đang diễn ra một cách mạnh mẽ 50% doanh nghiệp đã bắt đầu triển khai những dự án về IoT IoT mang lại một cơ hội doanh thu cho rất nhiều ngành và những giải pháp đó bắt đầu thương mại hóa với tốc độ rất nhanh Ngành dịch vụ tiện ích, giao thông, tòa nhà thông minh và các ngành bán lẻ là những ngành

đi đầu trong việc ứng dụng IoT

IoT sẽ có tác động trực tiếp lên các nhà khai thác viễn thông Các nhà khai thác viễn thông hiện giờ thường chia thành 3 nhóm phụ thuộc vào chiến lược của

họ IoT có ảnh hưởng khác nhau tới từng nhóm đó

- Với các công ty đặt chiến lược vào hệ thống mạng tối ưu (Network Developer), họ sẽ thu lợi nhuận từ việc cung cấp mạng như dịch vụ tiện ích cho các nhà cung cấp dịch vụ khác khai thác

- Nhóm hai là các công ty thúc đẩy nền tảng cung cấp dịch vụ (Services Enabler), họ tập trung vào việc quản lý mạng mang tính linh hoạt cao, với hệ thống giám sát và quản lý vận hành rất tốt để tích hợp giải pháp hiệu quả và hợp tác với các doanh nghiệp IT khác để cung cấp các dịch vụ sáng tạo

- Nhóm thứ ba là các công ty tạo ra các dịch vụ và ứng dụng sáng tạo mới (Services Creator) – nhóm công ty này rất tích cực trong việc tạo ra hệ sinh thái, xây dựng hệ thống mạng chất lượng cao, trải nghiệm tốt để cung cấp các dịch vụ sáng tạo trong các lĩnh vực như giao thông, dịch vụ tiện ích, tài chính, y tế, truyền thông

Sự phát triển của IoT tạo ra bốn bước chuyển dịch trong vai trò của các nhà khai thác viễn thông Vai trò đầu tiên là thu thập dữ liệu để nâng cao hiệu quả nội

bộ như hệ thống báo cáo và roaming Vai trò thứ hai là phân tích thông tin tương tác của khách hàng, để cung cấp những dịch vụ IoT mang tính cá nhân cho các thuê bao của mình Vai trò thứ ba là sử dụng cơ sở dữ liệu phân tích là giá trị, kết nối với các

công ty cung cấp dịch vụ ở lĩnh vực khác tạo ra sản phẩm hiệu quả Vai trò thứ tư là cung cấp dịch vụ quản lý dữ liệu cho các kết nối IoT, làm cầu nối giữa các công ty cung cấp ứng dụng IoT với chính các kết nối IoT có SIM và không có SIM để các bên đều mua được dịch vụ mình cần và bán được dịch vụ mình có một cách hiệu quả

3 thách thức được đề cập lâu nay là giá thành thiết bị, năng lượng pin, vùng phủ kết nối Mới đây nổi trội hai thách thức mới là yêu cầu về độ linh hoạt và tính

đa dạng Tính linh hoạt là rất cần thiết bởi khi có nhiều thiết bị IoT kết nối thì tốc độ kết nối diễn ra nhanh hơn tốc độ kết nối của băng rộng di động hiện tại Mật độ kết nối thiết bị IoT không đồng bộ tạo ra lưu lượng lớn đột ngột đối với một số cells Sự

đa dạng cũng đặc biệt quan trọng Hiện tại, người dùng smartphone có chung sự kỳ vọng về vùng phủ và dung lượng và họ thỏa mãn khi ứng dụng họ dùng hoạt động tốt bất cứ lúc nào và ở đâu khi họ muốn sử dụng Nhưng đối với các kết nối IoT thì mọi yêu cầu trở nên phức tạp hơn, đa dạng hơn, công suất và cường độ lớn hơn, đòi hỏi các nhà mạng phải nâng cao nỗ lực quản lý và vận hành

1.2.2 Xu hướng phát triển của Việt Nam

Hiện các nhà mạng Việt Nam đã bắt đầu thử nghiệm triển khai 4G, các dịch

vụ IoT cũng có tiềm năng phát triển và triển khai tại Việt Nam trên nền tảng này Việt Nam nên quan tâm đến dịch vụ IoT tiếp cận số đông đại chúng như các giải pháp giao thông và an toàn an ninh cần được ưu tiên hơn Tuy nhiên, Việt Nam cũng cần linh hoạt cao, bởi giải pháp mới sẽ mang lại cơ hội để đạt đến tính hiệu quả cao

Việt Nam cũng đã có những cuộc thi khởi nghiệp, cộng đồng mở IoT Đã có nhiều ứng dụng IoT ở Việt Nam trong lĩnh vực nông nghiệp, giám sát chất lượng nước, giao thông, thực phẩm… Việt Nam khuyến khích các doanh nghiệp khởi nghiệp triển khai trồng trọt rau hữu cơ, làm nông thông minh Thủ tướng Chính phủ

đã yêu cầu Ngân hàng Trung ương tăng giá trị gói tín dụng ưu đãi cho các công ty nông nghiệp công nghệ cao Giới trẻ sẽ tham gia vào 3 viễn cảnh mà IoT có thể

mang lại: Nhà thông minh nơi các ứng dụng chính có thể “giao tiếp” với nhau (36%); Các tòa nhà thông minh có thể tối ưu sử dụng năng lượng theo các thay đổi

về thời tiết và số người sở hữu (29%); Hệ thống giao thông có thể điều chỉnh thời gian thực để giảm thiểu tình trạng đường xá (23%)

1.3 Công nghệ trong IoT

1.3.1 Công nghệ trong IoT

1.3.1.1 Giao thức chính

Trong IoT, các thiết bị phải giao tiếp được với nhau (D2D) Dữ liệu sau đó phải được thu thập và gửi tới máy chủ (D2S) Máy chủ cũng có để chia sẻ dữ liệu với nhau (S2S), có thể cung cấp lại cho các thiết bị, để phân tích các chương trình, hoặc cho người dùng Các giao thức có thể dùng trong IoT là:

- MQTT: một giao thức cho việc 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, một 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 được thiết kế để kết nối các máy chủ với nhau (S2S)

 MQTT

MQTT (Message Queue Telemetry Transport), mục tiêu thu thập dữ liệu và giao tiếp D2S Mục đích là đo đạc từ xa, hoặc giám sát từ xa, thu thập dữ liệu từ nhiều thiết bị và vận chuyển dữ liệu đó đến máy trạm với ít xung đột nhất MQTT nhắm đến các mạng lớn của các thiết bị nhỏ mà cần phải được theo dõi hoặc kiểm soát từ các đám mây

Hình 1 2 Ví dụ về MQTT

MQTT hoạt động đơn giản, cung cấp nhiều lựa chọn điều khiển và QoS MQTT không có yêu cầu quá khắt khe về thời gian, tuy nhiên hiều quả của nó là rất lớn, đáp ứng tính thời gian thực với đơn vị tính bằng giây

Các giao thức hoạt động trên nền tàng TCP, cung cấp các đáp ứng đơn giản, đáng tin cậy

 XMPP

XMPP ban đầu được gọi là "Jabber." Nó được phát triển cho các tin nhắn tức thời (IM) để kết nối mọi người với những người khác thông qua tin nhắn văn bản XMPP là viết tắt của Extensible Messaging và Presence Protocol

Hình 1 3 Ví dụ về XMPP

XMPP sử dụng định dạng văn bản XML, và cũng tương tự như MQTT chạy, XMPP chạy trên nền tảng TCP, hoặc có thể qua HTTP trên TCP Sức mạnh chính của nó là một chương trình name@domain.comaddressing trong mạng Internet khổng lồ

1.3.1.2 Năng lực truyền thông

Địa chỉ IP được coi là yếu tố quan trọng trong IoT, khi mà mỗi thiết bị được gán một địa chỉ IP riêng biệt Do đó khả năng cấp phát địa chỉ IP sẽ quyết định đến tương lai của IoT Hệ thống địa chỉ IPv4 được tạo ra mới mục đích đánh cho mỗi máy tính kết nối vào mạng internet một con số riêng biệt, giúp cho thông tin có thể tìm tới đúng nơi cần đến ngay khi nó được chuyển đi từ bất cứ địa điểm nào trên thế giới Theo thiết kế, Ipv4 có thể cung cấp 2^32 (tương ứng với khoảng 4,2 tỉ) địa chỉ

IP, một con số lớn không tưởng cách đây 30 năm Tuy nhiên, sự bùng nổ mạnh mẽ của Internet đã khiến cho số lượng địa chỉ IP tự do càng ngày càng khan hiếm Mới đây, RIPE NCC - Hiệp hội các tổ chức quản lý mạng Internet khu vực châu Âu phải

đưa ra tuyên bố rằng họ đã sử dụng đến gói địa chỉ IP chưa cấp phát cuối cùng (khoảng 1,8 triệu địa chỉ)

Hình 1 4 Năng lực truyền thông

Và sự ra đời của IPv6 như là một giải pháp cứu sống kịp thời cho sự cạn kiệt của IPv4 Độ dài bit của là 128 Sự gia tăng mạnh mẽ của IPv6 trong không gian địa chỉ là một yếu tố quan trọng trong phát triển Internet of Things

1.3.1.3 Công suất thiết bị

Các tiêu chí hình thức chính của thiết bị khi triển khai một ứng dụng IoT là phải giá thành thấp, mỏng, nhẹ…và như vậy phần năng lượng nuôi thiết bị cũng sẽ trở nên nhỏ gọn lại, năng lượng tích trữ cũng sẽ trở nên ít đi Do đó đòi hỏi thiết bị phải tiêu tốn một công suất cực nhỏ (Ultra Low Power) để sử dụng nguồn năng lượng có hạn đó Bên cạnh đó yêu cầu có những giao thức truyền thông không dây gọn nhẹ hơn, đơn giản hơn, đòi hỏi ít công suất hơn (Low Energy Wireless Technologies) như Zigbee, BLE (Bluetooth low energy), RFID, …

 RFID

Trong đó RFID là một trong các công nghệ chủ chốt của IoT trong môi trường truyền thông tỏa khắp mọi nơi (ubiquitius), là kỹ thuật nhận dạng bằng song

vô tuyến sử dụng song radio để truyền dữ liệu từ một thiết bị điện tử gắn liền với một đối tượng (hoặc một sản phẩm hàng hóa) đến một hệ thống trung tâm thông qua một đầu đọc với mục đích xác định và theo dõi các đối tượng

Hình 1 5 Mô hình vận hành hệ thống RFID trong thư viện

Kỹ thuật RFID có liên quan đến hệ thống không dây cho phép một thiết bị đọc thông tin được chứa trong một chip không tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa,

mà không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào hoặc yêu cầu một sự nhìn thấy giữa hai cái Nó cho ta phương pháp truyền và nhận dữ liệu từ một điểm đến điểm khác RFID đã có trong thương mại trong một số hình thức từ những năm 1970 Bây giờ

nó là một phần trong cuộc sống hàng ngày, có thể thấy trong những chìa khóa xe hơi, thẻ lệ phí quốc lộ và các loại thẻ truy cập an toàn, cũng như trong môi trường

mà nơi đó việc đánh nhãn bằng mã số vạch trên hàng hóa là không thực tế hoặc không hiệu quả lắm

 ZigBee

Công nghệ ZigBee được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4 của tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Tiêu chuẩn 802.15.4 này

sử dụng tín hiệu radio có tần sóng ngắn, và cấu trúc của 802.15.4 có 2 tầng là tầng vật lý và tầng MAC (medicum Access Control) Công nghệ ZigBee vì thế cũng dùng sóng radio và có 2 tầng Hơn thế nữa ZigBee còn thiết lập các tầng khác nhờ thế mà các thiết bị của các nhà sản xuất dù khác nhau nhưng cùng tiêu chuẩn có thể kết nối với nhau và vận hành trong vùng bảo mật của hệ thống

Hình 1 6 Mô hình mạng Zigbee

Nhờ chức năng điều khiển từ xa không dây, truyền dữ liệu ổn định, tiêu thụ năng lượng cực thấp, công nghệ mở đã giúp công nghệ ZigBee trở nên hấp dẫn sử dụng cho các ứng dụng, đặc biệt là ứng dụng trong IoT hiện nay

Tín hiệu công nghệ ZigBee có thể truyền xa đến 75m tính từ trạm phát, và khoảng cách có thể xa hơn rất nhiều nếu được tiếp tục phát từ nút liên kết tiếp theo trong cùng hệ thống

Các dữ liệu được truyền theo gói, gói tối đa là 128bytes cho phép tải xuống tối đa 104 bytes

Tiêu chuẩn này hỗ trợ địa chỉ 64bit cũng như địa chỉ ngắn 16bit Loại địa chỉ 64bit chỉ xác đinh được mỗi thiết bị có cùng 1 địa chỉ IP duy nhất Khi mạng được thiết lập, những địa chỉ ngắn có thể được sử dụng và cho phép hơn 65000 nút được liên kết

1.3.1.4 Công nghệ cảm biến

Trong Internet of Things, cảm biến đóng vai trò then chốt, nó đo đạt cảm nhận giá trị từ môi trường xung quanh rồi gửi đến bộ vi xử lý sau đó được gửi lên mạng Chúng ta có thể bắt gặp một số loại cảm biến về cảnh báo cháy rừng, cảnh

báo động đất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, Để giúp cho thiết bị kéo dài được thời gian sống hơn thì đòi hỏi cảm biến cũng phải tiêu hao một lượng năng lượng cực kỳ thấp Bên cạnh đó độ chính xác và thời gian đáp ứng của cảm biến cũng phải nhanh Để giá thành của thiết bị thấp thì đòi hỏi giá cảm biến cũng phải thấp [1]

Hình 1 7 Một số loại cảm biến hay gặp

3 đến 5s

Hình 1 8 Đáp ứng thời gian cho ứng dụng IoT 1.3.2 Đặc điểm của một hệ thống IoT

1.3.2.1 Yêu cầu cần có 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 thiết bị phải có ID riêng biệt Hệ thống IOT cần hỗ trợ các kết nối giữa các thiết bị, và kết nối được thiết lập dựa trên định danh (ID) của thiết bị

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

và thiết bị

- Khả năng tự quản của network: Bao gồm tự quản lý, tự cấu hình, tự recovery, 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 thiết bị 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: Thông tin liên lạc và các dịch vụ liên quan đến một cái gì đó sẽ phụ thuộc vào thông tin vị trí của thiết bị 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 thiết bị được kết nối với nhau Chính 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 thiết bị đều có chủ sở hữu và người sử dụng của

nó Dữ liệu thu thập được từ các thiết bị 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 nguồn dữ liệu

- Plug and play: các thiết bị phải được plug-and-play một cách dễ dàng và tiện dụng

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

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 lí bởi các bên liên quan

1.3.2.2 Mô hình hệ thống IoT

Hình 1 9 Tổng quan một mô hình hệ thống IoT

Bất kỳ một hệ thống IOT nào cũng được xây dựng lên từ sự kết hợp của 4 layer sau:

- Lớp ứng dụng (Application Layer): Lớp ứng dụng cũng tương tự như trong

mô hình OSI 7 lớp, lớp này tương tác trực tiếp với người dùng để cung cấp một chức năng hay một dịch vụ cụ thể của một hệ thống IOT [7]

- Lớp Hỗ trợ dịch vụ và hỗ trợ ứng dụng (Service support and application support layer):

+ Nhóm dịch vụ chung: Các dịch vụ hỗ trợ chung, phổ biến mà hầu hết các ứng dụng IOT đều cần, ví dụ như xử lý dữ liệu hoặc lưu trữ dữ liệu

+ Nhóm dịch vụ cụ thể, riêng biệt: Những ứng dụng IOT khác nhau sẽ có nhóm dịch phụ hỗ trợ khác nhau và đặc thù Trong thực tế, nhóm dịch vụ cụ thể riêng biệt là tính toán độ tăng trưởng của cây mà đưa ra quyết định tưới nước hoặc bón phân

- Lớp mạng (Network Layer): có hai chức năng

+ Chức năng Networking: cung cấp chức năng điều khiển các kết nối kết nối mạng, chẳng hạn như tiếp cận được ngu n tài nguyên thông tin và chuyển tài nguyên đó đến nơi cần thiết, hay chứng thực, uỷ quyền…

+ Chức năng Transporting: tập trung vào việc cung cấp kết nối cho việc truyền thông tin của dịch vụ/ứng dụng IOT

- Lớp thiết bị (Device Layer): Lớp Device chính là các phần cứng vật lý trong

hệ thống IOT Device có thể phân thành hai loại như sau

+ Thiết bị thông thường: Device này sẽ tương tác trực tiếp với network: Các thiết bị có khả năng thu thập và tải lên thông tin trực tiếp (nghĩa là không phải sử dụng gateway) và có thể trực tiếp nhận thông tin (ví dụ, lệnh) từ các network Device này cũng có thể tương tác gián tiếp với network: Các thiết

bị có thể thu thập và tải network gián tiếp thông qua khả năng gateway Ngược lại, các thiết bị có thể gián tiếp nhận thông tin (ví dụ, lệnh) từ network Trong thực tế, các Thiết bị thông thường bao g m các cảm biến, các phần cứng điều khiển motor, đèn,…

+ Thiết bị Gateway: Gateway là cổng liên lạc giữa device và network Một Gateway hỗ trợ 2 chức năng: Một là có nhiều chuẩn giao tiếp: Vì các Things

khác nhau có kiểu kết nối khác nhau, nên Gateway phải hỗ trợ đa dạng từ có dây đến không dây, chẳng hạn CAN bus, ZigBee, Bluetooth hoặc Wi-Fi Tại Network layer, gateway có thể giao tiếp thông qua các công nghệ khác nhau như PSTN, mạng 2G và 3G, LTE, Ethernet hay DSL Hai là chức năng chuyển đổi giao thức: Chức năng này cần thiết trong hai tình huống là: (1) khi truyền thông ở lớp Device, nhiều device khác nhau sử dụng giao thức khác nhau, ví dụ, ZigBee với Bluetooth, và (2) là khi truyền thông giữa các Device và Network, device dùng giao thức khác, network dùng giao thức khác, ví dụ, device dùng ZigBee còn tầng network thì lại dùng công nghệ 3G

Trong thực tế, Gateway có thể được build từ các board như Raspberry Pi hay Arduino, hoặc Gateway được sản xuất công nghiệp bởi các tập đoàn lớn như Intel hay Texas Instrument

1.4 Các ứng dụng trong IoT

1.4.1 Các ứng dụng trong IoT

Với những hiệu quả thông minh rất thiết thực mà IoT đem đến cho con người, IoT đã và đang được tích hợp trên khắp mọi thứ, mọi nơi xung quanh thế giới mà con người đang sống Từ chiếc vòng đeo tay, những đồ gia dụng trong nhà, những mảnh vườn đang ươm hạt giống, cho đến những sinh vật sống như động vật hay con người…đều có sử dụng giải pháp IoT.Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của IoT là ứng dụng nhà thông minh, hay thiết bị có thể mang theo như đồng

hồ thông minh Các ứng dụng của IoT được xếp hạng dựa trên 3 tiêu chí: sự tìm kiếm về IoT trên Google, điều được nói đến về IoT trên Twitter, điều được viết về IoT trên LinkedIn [5]

Hình 1 10 Tổng quan về ứng dụng của IoT

1.4.1.1 Ứng dụng trong lĩnh vực vận tải

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 11 Theo dõi lộ trình đi của các xe chở hàng

1.4.1.2 Ứng dụng trong nông nghiệp

Quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng trải qua nhiều giai đoạn từ hạt nảy mầm đến ra hoa kết trái Ở mỗi giai đoạn cần có sự chăm sóc khác nhau về

chất dinh dưỡng cũng như chế độ tưới tiêu phù hợp Những yêu cầu này đòi hỏi sự bền bỉ và siêng năng của người nông dân từ ngày này sang ngày khác làm cho họ phải vất vả Nhưng nhờ vào ứng dụng khoa học kỹ thuật, sử dụng cảm biến để lấy thông số nhiệt độ, độ ẩm, độ pH của đất trồng, cùng với bảng dữ liệu về quy trình sinh trưởng của loại cây đó, hệ thống sẽ tự động tưới tiêu bón lót cho cây trồng phù hợp với từng giai đoạn phát triển của cây trồng Người nông dân bây giờ chỉ kiểm tra, quan sát sự vận hành của hệ thống chăm sóc cây trồng trên một màn hình máy tính có nối mạng

Hình 1 12 Theo dõi tình trạng sinh trưởng của cây trồng

Sản phẩm của mỗi loại nông sản sẽ được gắn mã ID, nếu tủ lạnh nhà chúng

ta sắp hết một loại nông sản nào đó thì ngay lập tức nó sẽ tự động gửi thông báo cần mua đến cơ sở dữ liệu của trang trại có trồng loại nông sản đó, và chỉ sau một thời gian nông sản mà bạn cần sẽ được nhân viên đem đến tận nhà

1.4.1.3 Ứng dụng trong nhà thông minh

Vài năm trở lại đây, khi thế giới đang dần tiến vào kỷ nguyên Internet of Things, kết nối mọi vật qua Internet, nhà thông minh trở thành một xu hướng công nghệ tất yếu, là tiêu chuẩn của nhà ở hiện đại Trong căn hộ thông minh, tất cả các thiết bị từ rèm cửa, điều hoà, dàn âm thanh, hệ thống ánh sáng, hệ thống an ninh,

thiết bị nhà tắm… được kết nối với nhau và hoạt động hoàn toàn tự động theo kịch bản lập trình sẵn, đáp ứng đúng nhu cầu sử dụng của khách hàng

Hình 1 13 Mô hình ứng dụng nhà thông minh

Các thành phần cơ bản của một ngôi nhà thông minh bao gồm:

- Một máy tính điều khiển trung tâm (Home server)

- Các thiết bị gia dụng đầu cuối

- Hệ thống các phần mềm điều khiển ngôi nhà

- Các thiết bị điều khiển

1.4.1.4 Ứng dụng trong thành phố thông minh

Thành phố thông minh là ứng dụng để quản lý lưu lượng nước trong phân phối nước, quản lý chất thải, an ninh đô thị và giám sát môi trường Nhiều giải pháp thành phố thông minh được đưa ra hứa hẹn mạng lại chất lượng cuộc sống của con người tốt hơn Giải pháp IoT trong các khu vực của thành phố thông minh giải quyết vấn đề ùn tắc giao thông, giảm thiểu tiếng ồn và ô nhiễm, giúp làm cho thành phố an toàn hơn

Hình 1 14 Thành phố thông minh

1.4.1.5 Ứng dụng trong lưới điện thông minh

Hệ thống điện thông minh là hệ thống điện có sử dụng các công nghệ thông tin và truyền thông để tối ưu việc truyền dẫn, phân phối điện năng giữa nhà sản xuất

và hộ tiêu thụ, hợp nhất cơ sở hạ tầng điện với cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc Có thể coi hệ thống điện thông minh gồm có hai lớp: lớp 1 là hệ thống điện thông thường và bên trên nó là lớp 2, hệ thống thông tin, truyền thông, đo lường

Hình 1 15 Mô hình lưới điện thông minh

Lưới điện thông minh là dạng lưới điện mà mục tiêu đặt ra là tiên đoán và phản ứng một cách thông minh với cách ứng xử và hành động của tất cả các đơn vị được kết nối điện với lưới điện, bao gồm các đơn vị cung cấp điện, các hộ tiêu thụ điện và các đơn vị đồng thời cung cấp và tiêu thụ điện, nhằm cung cấp một cách hiệu quả các dịch vụ điện tin cậy, kinh tế và bền vững Lưới điện thông minh phát triển trên 4 khâu:

- Phát điện: Smart Generation

- Truyền tải: Smart Transmission

- Phân phối: Smart Distribution

- Tiêu thụ: Smart Power Consumers

Lưới điện thông minh là một trường hợp đặc biệt của IoT Một lưới điện thông minh trong tương lai hứa hẹn mạng nâng cao hiệu quả, độ tin cậy và kinh tế của việc sử dụng điện dựa trên hành vi của người sử dụng điện và nhà cung cấp điện

1.4.2 Các thách thức trong việc nghiên cứu, triển khai IoT

1.4.2.1 Chưa có 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, chúng ta có thể đi từ Việt Nam đến Mỹ, nhưng không đảm bảo rằng chúng ta 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 chúng ta đã ít nhiều sử dụng một trong những giao thức phổ biến nhất thế giới, đó là Hyper Text Transfer Protocol (HTTP) để tải web Ngoài ra chúng ta còn có SMTP, POP, IMAP dành cho email, FTP dùng để trao đổi file, [14]

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

1.4.2.2 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

1.4.2.3 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 đủ 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

1.5 Kết luận chương

Chương 1 đã trình bày tóm tắt và hiểu rõ hơn về khái niệm, kiến trúc, mô hình, các ứng dụng cũng như thách thức trong môi trường IoT Như vậy Internet of Things hiểu đơn giản là một mạng lưới các vật thể được gắn cảm biến hoặc hệ thống điện tử đặc biệt cho phép chúng kết nối với nhau để thu thập và trao đổi dữ liệu Các vật thể trong mạng lưới này có thể được kết nối với mạng Internet cho mục đích điều khiển từ xa Internet Of Things ngày này đang phát triển một cách vô cùng mạnh mẽ Có thể nói IoT đang dần thay đổi thể giới và trở thành xu hướng của thời đại, khi mà nhắc đến bất kỳ một lĩnh vực nào đều có thể nghe đến IoT ở đó

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU MẠNG MESH 2.1 Mạng không dây

2.1.1 Các khái niệm cơ bản

Mesh network theo chuẩn 802.16 là những liên kết vô tuyến kiểu mạng lưới với nhiều các điểm truy nhập (APs: access points) trong những khu vực địa lý rộng lớn Mỗi thiết bị đầu cuối sử dụng công nghệ không dây (WTs:wireless terminals)

sẽ kết nối với một AP tại điểm nối của mạng,và AP này sẽ gởi lưu lượng của WT trên xương sống của mạng (những node kết nối trong mạng) đến POP (point of presence).POP là nơi kết nối mesh network với Internet Từ đó chỉ cần một luồng Internet tốc độ cao đã sử dụng được cho nhiều APs

Mesh network truyền thông tin giữa các node,có khả năng tự tìm đường đi mới ở những nơi bị che chắn, nhờ vậy mạng vẫn được duy trì khi có node bị lỗi hoặc chất lượng kết nối kém

Các công nghệ mạng không dây đang phát triển sang thế hệ tiếp nhằm cung cấp các dịch vụ tốt hơn, công nghệ mạng lưới vô tuyến (Wireless Mesh Networks-WMNs) đang được ứng dụng rộng khắp nhằm cung cấp các topo mạng một cách linh hoạt, tin cậy với hàng ngàn thiết bị

Mạng lưới vô tuyến – WMNs là mạng truyền thông tạo bởi các nút vô tuyến

tổ chức theo dạng lưới WMNs là mạng nhiều hop trong đó mỗi node có thể nhận và gửi bản tin, các node này đóng vai trò là một router và chuyển tiếp bản tin tới hàng xóm Theo quá trình này, mỗi gói tin sẽ đi tới đích qua các node trung gian với các liên kết tin cậy Triển khai một WMN không quá khó bởi vì tất cả thành phần yêu cầu đều có sẵn trong định dạng của giao thức định tuyến của mạng ad hoc, giao thức MAC IEEE 802.11…Một vài công ty vừa mới nhận ra tiềm năng của công nghệ này

và đưa ra các sản phầm của mạng lưới không dây Một vài phòng thí nghiệm được thành lập ở một số trường đại học Tuy nhiên, việc tạo ra hết khả năng của mạng WMN, việc nghiên cứu vẫn cần tiếp tục chẳng hạn như MAC và giao thức định tuyến hiện có được sử dụng cho WMN không có đủ sự mở rộng, throughput bị bỏ