Hệ thống đo kiểm chất lượng không khí sử dụng công nghệ truyền sóng lora (4)

Rất nhiều thiết bị đo chuẩn chất lượng không khí ra đời nhằm giúp con người hạn chế được tác hại của ô nhiễm không khí Xuất phát từ vấn đề này, em đã lựa chọn đề tài: “Hệ thống đo kiểm c

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài: HỆ THỐNG ĐO KIỂM CHẤT LƯỢNG KHÔNG

KHÍ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN SÓNG LORA Phần 1/6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢM BIẾN CHẤT LƯỢNG

KHÔNG KHÍ SỬ DỤNG SÓNG LORA

Giảng viên hướng dẫn: ThS LÊ THỊ CÚC Sinh viên thực hiện : TRẦN THỊ HUẾ

Lớp : K16B Khoá : 2013 – 2017

Hệ : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

Hà Nội, tháng 05 năm 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

-

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: TRẦN THỊ HUẾ Lớp: K16B

Khoá: 2013-2017 Khoa: Công nghệ điện tử - thông tin

Ngành đào tạo: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử,Truyềnthông

Hệ đào tạo:Đại học chính quy

2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

• Kiến thức về sensor cảm biến

• Kiến thức lập trình C, C++…

• Kiến thức thiết kế mạch trên altium

• Dựa vào tài liệu tham khảo trên https://vi.wikipedia.org và các kiến thức đã được học để hoàn thành báo cáo một cách đầy đủ và hoàn chỉnh nhất Đồng thời trong tương lai em hi vọng đề tài sẽ nhanh chóng nghiên cứu và hoàn thành để sớm đưa vào thực tiễn

3 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 19/12/2016

4 Ngày hoàn thành đồ án: 06/05/2017

Ngày tháng năm 2017

Giảng viên hướng dẫn

Ths Lê Thị Cúc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

-

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên: TRẦN THỊ HUẾLớp: K16B Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử- Truyền Thông Khoá: 2013-2017 Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Thị Cúc Cán bộ phản biện:

1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cán bộ phản biện:

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay vấn đề ô nhiễm môi trường là vấn đề đang đe dọa trược tiếp đến đời sống và sức khỏe con người trong đó ô nhiễm bụi đang là vấn đề được quan tâm nhất Rất nhiều thiết bị đo chuẩn chất lượng không khí ra đời nhằm giúp con người hạn chế được tác hại của ô nhiễm không khí

Xuất phát từ vấn đề này, em đã lựa chọn đề tài: “Hệ thống đo kiểm chất lượng

không khí sử dụng công nghệ truyền sóng LoRa, Phần 1/6 : Thiết kế xây dưng hệ

thống mạch cảm biến chất lượng không khí sử dụng sóng lora” là một dự án khá

mới mẻ và thú vị nhằm cung cấp cho con người những thông số cần thiết về khí, bụi trong không khí ở các địa điểm tại những khoảng thời gian khác nhau, để từ đó có giải pháp phòng tránh cũng như chủ động trong cuộc sống của chính mỗi chúng ta

Đề tài này xuất phát từ việc sử dụng sóng Lora để đo kiểm chất lượng khí, bụi rồi

từ đó truyền dẫn, mô tả và hiển thị thông số tại từng thời điểm mà con người muốn truy cập

Với sự phát triển của công nghệ, các vi mạch ngày càng được thu nhỏ và khả năng ứng dụng ngày càng được mở rộng Chính sự phát triển đó đã giúp cho con người nâng cao được hiệu quả làm việc trong quá trình sản xuất, góp phần nâng cao giá trị hàng hóa làm ra mà chi phí có thể giảm Việc ứng dụng các vi mạch tích hợp trong cuộc sống là một ví dụ điển hình Một thiết bị có thể đo đạc được các thông số của môi trường không khí giúp thiết lập điều chỉnh các thông số môi trường, giúp cho con người có thểnắm rõ mức độônhiễm của môi trường

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô và các bạn của Khoa Công Nghệ Điện

Tử-Thông Tin, Viện Đại Học Mở Hà Nội Đặc biệt là ThS.Lê Thị Cúc đã trực tiếp

hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất giúp em hoàn thành đề tài này

Cám ơn các bạn cùng nhóm đã hỗ trợ em rất nhiều trong suốt thời gian làm đồ án cùng nhau Hoạt động nhóm luôn tạo những thành công lớn nhất

Ngoài ra trong quá trình hoàn thành đề tài em đã nhận được hỗ trợ và giúp đỡ

nhiệt tình của anh/chị trên Lab 618 Bách Khoa của Thầy Dũng Em xin cảm ơn mọi

người trong thời gian qua

Do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn hẹp nên trong quá trình thực hiện đề tài của

em không thể tránh khỏi những sai sót mong thầy cô và các bạn bổ sung và góp ý để chúng em có thêm kinh nghiệm và hoàn thiện hơn những đồ án sau này

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Trần Thị Huế

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đề tài :“ HỆ THỐNG ĐO KIỂM CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ SỬ DỤNG CÔNG

NGHỆ TRUYỀN SÓNG”

Phần 1/6 : “THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNGMẠCH CẢM BIẾN CHẤT

LƯỢNG KHÔNG KHÍ SỬ DỤNG SÓNG LORA”

Chương I : Tổng quan đề tài

Khái quát chung toàn đề tài và cho biết thông tin các chỉ số không khí hiện nay

Chương II : Giới thiệu tổng quan về IoT

Có một cái nhìn sơ bộ và khái quát nhất về mạng IoT (Internet Of Thing) Các công nghệ truyền dẫn sử dụng hiện nay

Chương III : Giới thiệu về LoRa và LoRaWAN

Có một cái nhìn đầy đủ về công nghệ LoRa và LoRa WAN Lớp hoạt động, các tham số và ưu nhược điểm Tìm hiểu một số chuẩn thông số cho LoRa WAN đang được sử dụng hiện nay

Chương IV : Thiết kế hệ thống mạch cảm biến

Thiết kế hệ thống mạch cảm biển sử dụng những giao thức và đăc tính của cảm biển

Để cảm biến nhận và truyền tín hiệu qua sóng LoRa

Chương IV : Xây dựng mã chương trình cho vi điều khiển

ATMEGA328P-PU

Cách thức xây dựng mã chương trình cho vi điều khiển

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

I Vấn đề ô nhiễm môi trường hiện nay 1

1 Vấn đề ô nhiễm môi trường trong phát triển công nghiệp 1

2 Ô nhiễm khói bụi tại đô thị 2

3 Giải quyết ô nhiễm bắt đầu từ thu thập thông tin 3

4 Chỉ số chất lượng không khí AQI tại Hà Nội 4

II Giới thiệu chung về đề tài 7

1 Mục tiêu đề tài 7

2 Giới thiệu về IoT và cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư 7

3 Mô hình tổng quan đề tài 8

KẾT LUẬN CHƯƠNG I 11

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ IoT 12

I Khái quát cơ bản về IoT 12

1 Định nghĩa 12

2 Khả năng định danh 13

3 Tính chất của IoT 14

II Những ứng dụng của IOT 15

1 Quản lý hạ tầng 15

2 Y tế 15

3 Xây dựng và tự động hóa trong các công trình xây dựng 16

4 Giao thông 16

III Những thách thức đối với sự phát triển của IoT 16

1 Ngôn ngữ giao tiếp (giao thức) 16

2 Hàng rào kết nối (subnetwork) 17

3 Vấn đề xử lý thông tin 17

4 Bảo mật 18

5 Bài toán kinh tế 19

KẾT LUẬN CHƯƠNG II 19

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VỀ LORA VÀ LORA WAN 20

I Kỹ thuật trải phổ truyền thông 20

1 Định lý Shannon – Hartley 20

2 Nguyên lý trải phổ 21

3 Chirp Spread Spectrum 22

II Kỹ thuật trải phổ trong công nghệ sóng Lora 23

1 Giới thiệu về Lora 23

2 Các tính năng chính của điều chế Lora 24

III Một số lưu ý trong truyền thông không dây 26

1 Mạng không dây 26

2 Cơ chế sử dụng đa đường truyền 28

3 Vấn đề về xung đột đường truyền 30

4 Khả năng hoạt động cùng đường truyền băng rộng có tần số giao thoa 30

KẾT LUẬN CHƯƠNG III 30

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠCH CẢM BIẾN 32

I Xây dựng sơ đồ khối của toàn mạch cảm biến 32

II Khối nguồn 32

III Khối xử lý 33

IV Khối cảm biến 34

1 Cảm biến khí MQ7 34

2 Cảm biến bụi GP2Y1010AU0F 35

3 Cảm biến khí MQ136 36

4 Khối truyền sóng lora 38

V Thiết kế mạch 39

VI Mạch PCB đã thiêt kế 40

KẾT LUẬN CHƯƠNG IV 40

CHƯƠNG VI: XÂY DỰNG MÃ CHƯƠNG TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA328P-PU 41

I Giới thiệu vi điều khiển Atmega328P-PU 41

II Giới hiệu về ngôn ngữ C 42

III Khởi tạo 43

KẾT LUẬN CHƯƠNG V 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Ảnh minh họa 1

Hình 1.2: Ô nhiễm rác thải 3

Hình 1.3: Bảng tiêu chuẩn nồng độ cho phép của một số khí 6

Hình 1.4: Mức chỉ số AQI và mức ảnh hưởng tới sức khỏe con người 6

Hình 1.5: Sơ đồ tổng quan của hệ thống truyền dẫn 8

Hình 1.6: Sơ đồ mạng truyền tải LoRaWAN 9

Hình 1.7: Hình ảnh cảm biến 9

Hình1.8: MultiConnect Conduit 10

Hình 1.9: mDot 11

Hình 2.1: IoT Vạn vật kết nối 12

Hình 3.1: Mô hình NB-IOT cung cấp bởi HUAWEI 20

Hình 3.2: Mô hình mạng LoRa 24

Hình 3.3: So sánh độ nhạy của LoRa và FSK 26

Hình 3.4: Cấu trúc mạng hình sao 27

Hình 3.5 Cấu trúc mạng hình lưới 28

Hình 4 1: Sơ đồ khối mạch cảm biến 32

Hình 4 2: Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn 32

Hình 4 3: IC LM1117 – 3,3V 33

Hình 4 4: Sơ đồ chân LM1117 – 3.3V 33

Hình 4 5: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý 34

Hình 4 6: Cảm biến khí MQ7 34

Hình 4.7: Đặc điểm độ nhạy cảm của MQ7 35

Hình 4 8: Cảm biến bụi GP2Y1010AU0F 36

Hình 4.9: Cảm biến khí MQ136 36

Hình 4 10: Đặc điểm độ nhạy của MQ136 37

Hình 4 11: MultiConnect mDot 38

Hình 4 12: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 39

Hình 4.13: Sơ đồ mạch in toàn mạch PCB 40 Hình 5.1: Sơ đồ chân vi điều khiển ATMEGA 328P-PU 41 Hình 5.2 Ngôn ngữ C 42

IoT Internet of Things

UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter

MỞ ĐẦU

Trong thời kỳ công nghiệp phát triển như nước ta hiện nay, ngoài những vấn đề phát triển công nghệ khoa học kỹ thuật nhằm đưa nước ta ngày càng phát triển, thì chúng ta cũng phải chú ý và quan tâm tới vấn đề bảo vệ môi trường Vì ô nhiễm môi trường là mặt trái của việc phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa, nó

đã để lại nhiều hậu quả nghiêm trọng trên thế giới và ngay tại Việt Nam

Ngày 11/12/2016 vừa qua, tại Diễn đàn doanh nghiệp Việt Nam 2016 (Vietnam Business Forum 2016), nhiều doanh nghiệp đã công bố sẽ rút vốn đầu tư khỏi Việt Nam vì môi trường sống không còn đàm bảo do ô nhiễm không khí và môi trường nghiêm trọng Tại diễn đàn, ông Kenneth Atkison – Chủ tịch hiệp hội doanh nghiệp Anh quốc tại Việt Nam cho rằng các chỉ số ô nhiễm môi trường ở Việt Nam tăng cao khiến cho các doanh nhân không dám đưa gia đình đến Việt Nam sinh sống, ảnh hưởng đến việc đầu tư trực tiếp của nước ngoài vào Việt Nam Trong khi đó, ông Dominic Scriven – trưởng nhóm thị trường vốn của diễn đàn, chủ tịch công ty Dragon Capital cho biết, nhà đầu tư lớn nhất của Dragon Capital đã thông báo quyết định rút ra khỏi thị trường Việt Nam vì lý do Việt Nam thiếu vắng những chính sách và hành động thuyết phục trong việc bảo vệ môi trường

Hình a: Tình trạng ô nhiễm môi trường

Trong những tháng vừa qua, ngoài sự cố môi trường liên quan đến Formosa tại Hà Tĩnh và sự kiện cá chết hàng loạt tại rất nhiều các địa phương trên cả nước,

các trang tin tức và mạng xã hội cũng đồng loạt lên tiếng cảnh báo về một hiểm họa môi trường đang trực tiếp đe dọa cuộc sống của người dân tại Hà Nội và TP

Hồ Chí Minh và các địa phương: ô nhiễm bụi mịn PM2.5, một dạng của ô nhiễm phân tử

Có thể thấy vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm khói bụi nói riêng ở Việt Nam không còn là vấn đề cần xem xét nữa mà đã là vấn đề cấp thiết đang đặt ra hiện nay Để giải quyết vấn đề ô nhiễm khói bụi hiện nay, chúng ta cần thu thập thêm nhiều dữ liệu về môi trường không khí hơn nữa để có thể phân tích nguyên nhân và tình hình cụ thể tại từng khu vực, từ đó đưa ra giải pháp chính xác giải quyết vấn đề ô nhiễm khói bụi Vì vậy, nhóm chúng em quyết định

chọn đề tài: “Hệ thống đo kiểm chất lượng không khí sử dụng công nghệ truyền sóng LoRa”

Trong khuôn khổ thời gian giới hạn của đề tài tốt nghiệp nên đề tài còn nhiều hạn chế, nếu có điều kiện phát triển thêm, đề tài có thể hoàn thiện hơn nữa

để đủ điều kiện đưa vào hoạt động thực tế, cũng như phục vụ những mục đích thu thập dữ liệu thông tin khác

I Vấn đề ô nhiễm môi tr

1 Vấn đề ô nhiễm môi tr

Một vấn đề nóng bỏng, gây b

tình trạng ô nhiễm môi trườ

người gây ra Vấn đề này ngày càng tr

xã hội bền vững, sự tồn tại, phát tri

gây ô nhiễm môi trường ch

công nghiệp, hoạt động làng ngh

Nhìn chung, hầu hết các

được những tiêu chuẩn về

trường sinh thái ở một số đ

nhất là các cộng đồng dân cư

mặt với thảm hoạ về môi

nguồn ô nhiễm chất thải công

đấu tranh quyết liệt của ngư

có khi bùng phát thành các xung

Cùng với sự ra đời ồ

truyền thống cũng có sự phụ

có vai trò quan trọng đối vớ

địa phương Tuy nhiên, hậu

đưa lại cũng ngày càng nghiêm

ƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

m môi trường hiện nay

m môi trường trong phát triển công nghiệp

ng, gây bức xúc trong dư luận xã hội cả nường sinh thái do các hoạt động sản xuất và sinh honày ngày càng trầm trọng, đe doạ trực tiếp sự phát tri

i, phát triển của các thế hệ hiện tại và tương lai

ng chủ yếu là hoạt động sản xuất của nhà máy trong các khu

ng làng nghề và sinh hoạt tại các đô thị lớn

các khu, cụm, điểm công nghiệp trên cả nước

ề môi trường theo quy định Thực trạng đóđịa phương bị ô nhiễm nghiêm trọng Cộng

cư lân cận với các khu công nghiệp, đang phả trường Họ phải sống chung với khói bụi,công nghiệp Từ đó, gây bất bình, dẫn đến nhngười dân đối với những hoạt động gây ô nhiễxung đột xã hội gay gắt

Hình 1.1: Ảnh minh họa

ạt các khu, cụm, điểm công nghiệp, các làng

ục hồi và phát triển mạnh mẽ Việc phát triển

ới sự phát triển kinh tế - xã hội và giải quyết

ậu quả về môi trường do các hoạt động sản nghiêm trọng Tình trạng ô nhiễm không khí,

nước hiện nay là

t và sinh hoạt của con phát triển kinh tế - ương lai Đối tượng

a nhà máy trong các khu

ớc chưa đáp ứng

đó làm cho môi ộng đồng dân cư,

nhiên liệu sử dụng trong các làng nghề là than, lượng bụi và khí CO, CO2, SO2 và NOx thải ra trong quá trình sản xuất khá cao Theo thống kê của Hiệp hội Làng nghề Việt Nam, hiện nay cả nước có 2.790 làng nghề, trong đó có 240 làng nghề truyền thống, đang giải quyết việc làm cho khoảng 11 triệu lao động, bao gồm cả lao động thường xuyên và lao động không thường xuyên Các làng nghề được phân bố rộng khắp cả nước, trong đó các khu vực tập trung phát triển nhất là đồng bằng sông Hồng, Bắc Trung Bộ, Tây Bắc Bộ, đồng bằng sông Cửu Long Hoạt động gây ô nhiễm môi trường sinh thái tại các làng nghề không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống, sinh hoạt và sức khoẻ của những người dân làng nghề mà còn ảnh hưởng đến cả những người dân sống ở vùng lân cận, gây phản ứng quyết liệt của bộ phận dân cư này, làm nảy sinh các xung đột xã hội gay gắt

Để đánh giá mức độ ô nhiễm phân tử do bụi mịn PM2,5 tạo ra, các nhà khoa học dùng chỉ số chất lượng không khí – AQI ( Air Quality Index: số hạt bụi PM2,5 có trong một mét khối không khí) ví dụ AQI bằng 10 thì có 10 hạt bụi PM2,5 trong một mét khối không khí Chất lượng của không khí được đánh giá theo chỉ số AQI

2 Ô nhiễm khói bụi tại đô thị

Bên cạnh các khu công nghiệp và các làng nghề gây ô nhiễm môi trường, tại các đô thị lớn, tình trạng ô nhiễm cũng ở mức báo động Đó là các ô nhiễm về nước thải, rác thải sinh hoạt, rác thải y tế, không khí, tiếng ồn Những năm gần đây, dân số

ở các đô thị tăng nhanh khiến hệ thống cấp thoát nước không đáp ứng nổi và xuống cấp nhanh chóng Nước thải, rác thải sinh hoạt (vô cơ và hữu cơ) ở đô thị hầu hết đều trực tiếp xả ra môi trường mà không có bất kỳ một biện pháp xử lí môi trường nào nào ngoài việc vận chuyển đến bãi chôn lấp Theo thống kê của cơ quan chức năng, mỗi ngày người dân ở các thành phố lớn thải ra hàng nghìn tấn rác; các cơ sở sản xuất thải

ra hàng trăm nghìn mét khối nước thải độc hại; các phương tiện giao thông thải ra hàng trăm tấn bụi, khí độc Trong tổng số khoảng 34 tấn rác thải rắn y tế mỗi ngày, thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh chiếm đến 1/3; bầu khí quyển của thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh có mức benzen và sunfua đioxit đáng báo động Theo một kết quả nghiên cứu mới công bố năm 2008 của Ngân hàng Thế giới (WB), trên 10 tỉnh thành phố Việt Nam, xếp theo thứ hạng về ô nhiễm đất, nước, không khí, thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội là những địa bàn ô nhiễm đất nặng nhất

Theo báo cáo của Chương trình môi trường của Liên hợp quốc, thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh đứng đầu châu Á về mức độ ô nhiễm bụi

3 Giải quyết ô nhiễm bắt đầu từ thu thập thông tin

Hà Nội ô nhiễm không khí ở mức báo động- Bạn sẽ phải làm như thế nào ? Ngày 11/12/2016 vừa qua, tại Diễn đàn doanh nghiệp Việt Nam 2016 (Vietnam Business Forum 2016), nhiều doanh nghiệp đã công bố sẽ rút vốn đầu tư khỏi Việt Nam vì môi trường sống không còn đàm bảo do ô nhiễm không khí và môi trường nghiêm trọng

Tại diễn đàn, ông Kenneth Atkison – Chủ tịch hiệp hội doanh nghiệp Anh quốc tại Việt Nam cho rằng các chỉ số ô nhiễm môi trường ở Việt Nam tăng cao khiến cho các doanh nhân không dám đưa gia đình đến Việt Nam sinh sống, ảnh hưởng đến việc đầu tư trực tiếp của nước ngoài vào Việt Nam Trong khi đó, ông Dominic Scriven – trưởng nhóm thị trường vốn của diễn đàn, chủ tịch công ty Dragon Capital cho biết, nhà đầu tư lớn nhất của Dragon Capital đã thông báo quyết định rút ra khỏi thị trường Việt Nam vì lý do Việt Nam thiếu vắng những chính sách và hành động thuyết phục trong việc bảo vệ môi trường

Hình 1.2: Ô nhiễm rác thải

Trong những tháng vừa qua, ngoài sự cố môi trường liên quan đến Formosa tại

Hà Tĩnh và sự kiện cá chết hàng loạt tại rất nhiều các địa phương trên cả nước, các trang tin tức và mạng xã hội cũng đồng loạt lên tiếng cảnh báo về một hiểm họa môi trường đang trực tiếp đe dọa cuộc sống của người dân tại Hà Nội và TP Hồ Chí Minh

và các địa phương: ô nhiễm bụi mịn PM2,5, một dạng của ô nhiễm phân tử

Trong mấy năm gần đây, không khí ở các thành phố lớn, đặc biệt là Hà Nội ngày càng ô nhiễm Ứng dụng Airvisual và trang web đánh giá chỉ số chất lượng không khí aqicn.org thường xuyên chỉ thị mức ô nhiễm PM2,5 là trên 150 ở Hà Nội, đây là mức ô nhiễm không tốt cho sức khỏe của tất cả mọi người

Theo kết quả nghiên cứu của Cục Y tế – Bộ GTVT, tỷ lệ người bị mắc đường

hô hấp ở Hà Nội cao hơn TPHCM Theo ước tính, số tiền người dân Hà Nội phải chi

để chữa các bệnh liên quan đường hô hấp, thiệt hại do bệnh đường hô hấp gây ra

là gấp đôi so với người dân sống ở TP.HCM

Theo các chuyên gia về môi trường, có bốn nguyên nhân chính gây ô nhiễm bụi là: sự gia tăng các phương tiện giao thông, hoạt động xây dựng, đốt rơm rạ và hoạt động của các nhà máy nhiệt điện Dù các nhà máy này cách xa Hà Nội song bụi mịn PM2,5 có khả năng phát tán rất xa Trong 4 nguyên nhân này thì giao thông đang là thủ phạm chính Thêm nữa các tòa nhà, công trường xây dựng mọc ngay trung tâm thành phố càng làm cho không khí ô nhiễm hơn

4 Chỉ số chất lượng không khí AQI tại Hà Nội

Có thể các bạn thường quan tâm đến các tin tức kinh tế - xã hội, thể thao giải trí… mà thờ ơ với những chỉ số ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe thậm chí tính mạng

của bản thân và gia đình Một trong những chỉ số quan trọng mà bạn bỏ quan đó là Chỉ

số AQI (Air Quality Index) - chỉ số báo cáo chất lượng không khí

Thông qua chỉ số AQI tại thời điểm đo, bạn có thể biết không khí bị ô nhiễm đến mức độ nào và nó ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của bạn ra sao Khi chỉ số AQI tăng lên, một phần lớn dân số sẽ dễ dàng gặp phải các tác động tiêu cực đến sức khoẻ

Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (EPA) tính toán chỉ số AQI với năm thông

số ô nhiễm không khí chủ yếu là: Ozon mặt đất; Ô nhiễm phân tử (còn gọi là hạt lơ lửng); Carbon monoxide (CO); Sulfur dioxide (SO2) và Nitrogen dioxide (NO2), từ đó đưa ra bảng quy chuẩn đối với chất lượng không khí và lời khuyên đối với từng nhóm chỉ số

Theo số liệu đo đạc được (ghi nhận trên máy đo chỉ số AQI của Đại sứ quán Hoa Kỳ tại Việt Nam), những ngày gần đây, chỉ số AQI của Hà Nội lên tới mức báo động AQI ngày 1/3/2016 là 388, các bạn có thể tự so sánh với bảng trên để biết được

độ nguy hiểm của con số này, đó là mức độ cực kỳ ô nhiễm và gây ra các vấn đề về sức khoẻ thậm chí cho cả người hoàn toàn khoẻ mạnh

Hãy kiểm tra chất lượng không khí thường xuyên và hạn chế ra ngoài đường trong những ngày cảnh báo, đặc biệt là những người có bệnh về hô hấp và tim, đặc biệt hơn nữa là trẻ em và người già

4.1 Khái niệm AQI

Chỉ số chất lượng không khí (viết tắt là AQI)là chỉ số được tính toán từ các thông số quan trắc các chất ô nhiễm trong không khí, nhằm cho biết tình trạng chất lượng không khí và mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe con người, được biểu diễn qua một thang điểm

4.2 Cơ sở xây dựng phương pháp tính AQI

Nghiên cứu kinh nghiệm AQI trên thế giới và Việt Nam cho thấy có 3 phương pháp tính AQI đã được xây dựng và áp dụng:

Phương pháp 1: Sử dụng bảng đối chiếu (Anh, Pháp, Canada)

- Ưu điểm: Đơn giản, dễ xác định

- Nhược điểm: Chỉ phân hạng được các mức AQI mà không thể so sánh hai giá trị AQI ở cùng một hạng

Phương pháp 2: Sử dụng công thức đơn giản (Australia, Thành phố Hồ Chí

Minh)

- Ưu điểm: công thức tính toán đơn giản, chỉ cần sử dụng Tiêu chuẩn không

khí quốc gia là có thể xác định được giá trị AQI

- Nhược điểm: Các khoảng phân hạng giá trị AQI ứng với các ảnh hưởng khác

nhau đến sức khỏe không được phù hợp bằng phương pháp 3

Phương pháp 3: Sử dụng công thức phức tạp (Mỹ, Braxin, Hồng Kông, Hàn

Quốc, Thái Lan, Bồ Đào Nha)

- Ưu điểm: Do bảng các chỉ số trên và chỉ số dưới dùng để tính toán AQI được xác định dựa vào Tiêu chuẩn môi trường không khí quốc gia và các nghiên cứu về ảnh hưởng của sức khỏe do ô nhiễm môi trường không khí nên các mức AQI ứng với từng loại tác động đến sức khỏe phù hợp với thực tế nhất

- Nhược điểm: Công thức tính toán khá phức tạp và việc xây dựng các bảng chỉ số trên và chỉ số dưới khó khăn

 Phương pháp được lựa chọn là Phương pháp 2: Sử dụng công thức đơn giản,

đã được áp dụng tại Australia và Thành phố Hồ Chí Minh

Trong đó, chỉ số AQI được tính theo giờ, theo ngày và theo tháng Công thức tính AQI theo giờ như sau:

AQIhi = (Chi/Shi)*100

Trong đó:

– Chi: Hàm lượng trung bình chất i đo được trong không khí trong vòng một giờ

– Shi: Hàm lượng cho phép trung bình của chất i trong không khí

Quyết định số 878 được Bộ tài nguyên và môi trường ban hành có nội dung:

Sổ tay hướng dẫn xác định chỉ số AQI

Hình 1.3: Bảng tiêu chuẩn nồng độ cho phép của một số khí

Các cảnh báo về chỉ số mức AQI và ảnh hưởng đến sức khỏe của con người

Hình 1.4: Mức chỉ số AQI và mức ảnh hưởng tới sức khỏe con người

II Giới thiệu chung về đề tài

1 Mục tiêu đề tài

Tại Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh hiện nay đã có những trạm đo của nhiều

tổ chức khác nhau Xong số lượng trạm đo còn hạn chế, chưa thể đưa ra một cái nhìn

cụ thể về chất lượng không khí tại từng khu vực trong mỗi thành phố mà chỉ đưa ra cái nhìn tổng quan về toàn thành phố Hơn nữa những trạm đo này chưa tiếp cận sâu rộng tới cộng đồng mà chỉ cung cấp số liệu phục vụ mục đích nghiên cứu

Do đó đề tài của bọn em được thực hiện với mục đích xây dựng một hệ thống trạm đo kiểm chất lượng chất lượng không khí có quy mô trong một thành phố Hệ thống sẽ thu thập thông tin chất lượng không khí tại nhiều điểm, sau đó truyền thông

số đo được về một trạm gốc, trạm gốc thu thập dữ liệu truyền về từ điểm đo, sau đó sẽ đưa lên máy chủ thông qua môi trường internet Tại đây, thông tin sẽ được xử lý và lưu trữ, phục vụ mục đích nghiên cứu hoặc cung cấp thông tin cho mọi người về chất lượng không khí tại từng khu vực vào những thời đểm cụ thể Từ đó cảnh báo người dân có những biện pháp bảo vệ sức khỏe và nâng cao ý thức bảo vệ môi trường

2 Giới thiệu về IoT và cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư

Sau những động cơ hơi nước, dây chuyền sản xuất, số hóa sản xuất cả thế giới

đã bắt đầu bước chuyển mình sang cuộc Cách mạng công nghiệp lần 4, có thể thay đổi

mô thức sản xuất trên toàn thế giới

Với nội dung cơ bản là tạo ra cấu trúc và sự vận hành mới cho nền sản xuất dựa trên 4 lĩnh vực chính:

- Lĩnh vực kỹ thuật số, bao gồm: trí tuệ nhân tạo, Internet vạn vật (IoT), Lưu trữ và xử lý dữ liệu lớn

- Lĩnh vực vật lý, bao gồm: In 3D, Vật liệu mới, Robot cao cấp, xe tự lái

- Lĩnh vực công nghệ sinh học

- Lĩnh vực năng lượng tái tạo

Cuộc cách mạng công nghiệp này không chỉ mở ra cơ hội phát triển mới cho các doanh nghiệp mà còn tạo ra nhu cầu nhân lực lớn cho những ngành nghề mới liên quan Có thể nói IoT hiện vẫn là một lĩnh vực bước đầu phát triển tại Việt Nam và trên thế giới, nó tạo ra cơ hội nhiều hơn cho sinh viên các ngành công nghệ thông tin, điện

tử viễn thông Để có thể bắt kịp những xu hướng công nghệ của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 đề tài bọn em đưa ra không chỉ là thu thập, xử lý và phổ biến thông

tin đơn thuần Mà còn là xây dựng một hệ thống kết nối nhiều thiết bị điện tử và internet Đây cũng có thể coi là tiền đề để xây dựng một hệ thống kết nối nhiều thiết bị điện tử với nhau nhằm phục vụ cho nhiều mục đích khác

3 Mô hình tổng quan đề tài

3.1 Mô hình chung và sơ đồ hệ thống

Mô hình “ Hệ thống đo kiểm chất lượng không khí sử dụng công nghệ truyền sóng LoRa ” do nhóm em xây dựng được chia làm bốn phần chính được liên kết với nhau lần lượt là:

• Phần một: hệ thống cảm biến

• Phần hai: hệ thống truyền dẫn dữ liệu không dây

• Phần ba: quản trị cơ sở dữ liệu và điện toán đám mây

• Phần bốn: website và application để phổ biến thông tin

Ngoài ra đề tài còn có một phần chuyên nghiên cứu về bảo mật thông tin cho toàn hệ thống Tất cả những phần trên đều có thể xây dựng và xem xét một cách độc lập Xong việc liên kết những đề tài này lại với nhau không chỉ giúp chúng em nâng cao giá trị đề tài, mà còn tăng khả năng ứng dụng thực tiễn cũng như kiểm chứng những lý thuyết nêu ra

Hoạt động của mô hình được trình bày một cách tổng quan trên sơ đồ:

Hình 1.5: Sơ đồ tổng quan của hệ thống truyền dẫn

Quá trình hoạt động của hệ thống:

• Các cảm biến tại trạm đo đo nồng độ các khí CO, SO2, PM2.5

• Dữ liệu từ các cảm bi

qua phương thức truyền sóng LoRa

• Gateway là thiết b

rồi đẩy lên Cloud

• App trên smartphone/PC s

o Tính toán đưa ra giá tr

t bị chuyển đổi gói dữ liệu từ mạng LoRa sang m

App trên smartphone/PC sẽ lấy dữ liệu trên Cloud rồi xử lý:

a ra giá trị AQI AQI của từng trạm trong 1 tuần, 1 tháng

so sánh chỉ số AQI của các trạm……

Hình 1.6: Sơ đồ mạng truyền tải LoRaWAN

m biến không khí (CO, SO2, PM2.5)

Hình 1.7: Hình ảnh cảm biến

n Gateway thông

ng LoRa sang mạng Internet

3.3 Truyền dẫn dữ liệu trong mạng cảm biến

Như đã nêu trong phần mở đầu đề tài của bọn em là một đề tài ứng dụng trong mạng IoT Vì vậy việc truyền dẫn dữ liệu trong mạng cảm biến của đề tài cũng mang những đặc trưng và yêu cầu của việc truyền dẫn dư liệu trong mạng IoT như dung lượng đường truyền thấp, không yêu cầu tốc độ cao và kênh truyền thời gian thực, chấp nhận sự mất gói tin, độ trễ và trùng gói có thể dao động ở mức vừa phải, cần tiết kiệm năng lượng Ngoài ra do đặc điểm đề tài, việc truyền dữ liệu cần có thể thực hiện trong khoảng cách lớn

Với những vấn đề đặt ra trong việc truyền dẫn tín hiệu cảm biến nêu trên, sẽ khó có thể sử dụng những nền tảng truyền tải dữ liệu phổ biến hiện nay như wifi, bluetooth, ZigBee hay 3G, 4G Vì vậy bọn em quyết định sử dụng công nghệ điều chế sóng Lora và giao thức truyền MQTT để giao tiếp với server

Multitech là một công ty chuyên sản xuất thiết bị truyền thông tại Mỹ với lịch

sử hình thành và phát triển hơn 50 năm MultiConnect Conduit và MultiConnect mDot lần lượt là thiết bị Gateway và node sử dụng công nghệ điều chế sóng Lora với nhiều giao thức kết nối được hỗ trợ như Lora, MQTT, http…

MultiConnect Conduit được multitech bán

ra với nhiều tùy chọn kết nối có thể thay thế với

cùng một gateway như 3G, 4G-LTE, Bluetooth,

Wifi ngoài ra thiết bị có những kết nối cố định

như USB 2.0, Ethernet Là một thiết bị có hệ

điều hành phát triển dựa trên nền tảng hệ điều

hành mã nguồn mở Linux, hứa hẹn đem lại khả

năng tùy biến cao cho nhà phat triển Thiết bị

giao tiếp với người dùng thông quamôi trường

Ethernet trên giao trình duyệt web bất kỳ

H

Hình1.8: MultiConnect Conduit

Đi kèm với mỗi tùy chọn kết nối không dây

đầu vào của gateway là những modun node tương

ứng Trong đề tài này, bọn em sử dụng modun

node MultiConnect mDot là modun Lora với 31

chân kết nối Trong đề tài chúng em kết nối với

mDot theo chuẩn UART, với 4 chân kết nối VDD

(chân số 1: input 3,3V đến 5V), GND (chân 10),

TX (chân số 2: Data outPA2), RX (chân số 3:

Với hai thiết bị trên, ta có thể xây dựng một LoraWan đơn giản với vùng phủ sóng từ 2 đến 16km có mức tiêu thụ điện thấp, duy trì hoạt đọng liên tục, lâu dài, không tốn chi phí băng thông và phí thuê bao hàng tháng cho mỗi node Là một lựa chọn giải pháp phù hợp cho mạng IoT cục bộ, có diện tích bao phủ lớn, độc lập, và bảo mật cao

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ IoT

I Khái quát cơ bản về IoT

1 Định nghĩa

Hình 2.1: IoT Vạn vật kết nối

Mạng lưới vạn vật kết nối Internet ( 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, 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

Một vật trong IoT có thể là một người với một trái tim cấy ghép; 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

2 Khả năng định danh

Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định dạng Nếu mọi đối tượng, thậm chí cả con người, được đánh nhãn để phân biệt bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể hoàn toàn quản lí được nó thông qua máy tính

Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định dạng Nếu mọi đối tượng, thậm chí cả con người, được đánh nhãn để phân biệt bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể hoàn toàn quản lí được nó thông qua máy tính

Việc đánh nhãn có thể được thực hiện thông qua nhiều công nghệ, như RFID, NFC (Near Field Communication), mã vạch, mã QR (Quick Response Code), watermark kĩ thuật số… Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại…

Ngoài những kĩ thuật nói trên, chúng ta có thể sử dụng các địa chỉ độc nhất để xác định từng vật, chẳng hạn như địa chỉ IP.Mỗi thiết bị sẽ có một IP riêng biệt không nhầm lẫn

Sự xuất hiện của IPv6 (128 bit địa chỉ so với 32 bit địa chỉ của IPv4) với không gian địa chỉ cực kì rộng lớn sẽ giúp mọi thứ có thể dễ dàng kết nối vào Internet cũng như kết nối với nhau

Việc đánh nhãn có thể được thực hiện thông qua nhiều công nghệ, như RFID, NFC (Near Field Communication), mã vạch, mã QR (Quick Response Code), watermark kĩ thuật số… Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại…

Ngoài những kĩ thuật nói trên, chúng ta có thể sử dụng các địa chỉ độc nhất để xác định từng vật, chẳng hạn như địa chỉ IP.Mỗi thiết bị sẽ có một IP riêng biệt không nhầm lẫn

Sự xuất hiện của IPv6 (128 bit địa chỉ so với 32 bit địa chỉ của IPv4) với không gian địa chỉ cực kì rộng lớn sẽ giúp mọi thứ có thể dễ dàng kết nối vào Internet cũng như kết nối với nhau

3 Tính chất của IoT

3.1 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

3.2 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

3.3 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 tố mới

3.4 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

3.5 Vấn đề không gian và 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 thách thức hiện nay

3.6 Luồng năng lượng mới

Hiện nay, IoT đang trải qua giai đoạn phát triển “bộc phát” và điều này xảy ra nhờ vào một số nhân tố, trong đó gồm IPv6, 4G, chi phí, tính sẵn có của công nghệ Gary Atkinson, Giám đốc tiếp thị sản phẩm nhúng của ARM cho rằng, đã có nhiều thiết bị chứng tỏ rằng có thể thu thập dữ liệu và truyền tải dữ liệu trên mạng nhưng chỉ

có giá khoảng 40USD/sản phẩm Hiện nay, chúng ta có thể nhìn thấy các bộ vi điều khiển 32-bit nền tảng ARM có giá dưới chỉ trên dưới 1USD (chỉ ở 20.000đồng) Với

bộ vi điều khiển này, bạn có thể làm nhiều điều trên đó Thu thập và truyền dữ liệu rẻ hơn nhiều: chỉ 50 xu cho một bộ vi điều khiển 32-bit của ARM

II Những ứng dụng của IOT

sử dụng của các cơ sở này Thiết bị IoT cũng có thể được sử dụng để kiểm soát cơ sở

hạ tầng quan trọng như cầu để cung cấp truy cập vào tàu Cách sử dụng của các thiết bị iốt để theo dõi và hạ tầng hoạt động có khả năng cải thiện quản lý sự cố và phối hợp ứng phó khẩn cấp, và chất lượng dịch vụ, tăng lần và giảm chi phí hoạt động trong tất

cả các lĩnh vực cơ sở hạ tầng liên quan Ngay cả các lĩnh vực như quản lý chất thải đứng được hưởng lợi từ tự động hóa và tối ưu hóa có thể được đưa vào bởi IoT

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 và thịnh vượng chung là người già, trong khi cũng bảo đảm xử lý thích hợp đang được quản trị và hỗ trợ người dân lấy lại mất tính di động thông qua điều trị là tốt Thiết bị tiêu dùng khác để khuyến khích lối sống lành mạnh, chẳng hạn như, quy mô kết nối hoặc máy theo dõi tim mạch, cũng là một khả năng của IoT

3 Xây dựng và tự động hóa trong các công trình xây dựng

Thiết bị IoT 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, sưới 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

4 Giao thông

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, và người lái xe hoặc sử dụng 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

III Những thách thức đối với sự phát triển của IoT

1 Ngôn ngữ giao tiếp (giao thức)

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 Cũng giống như là bạn có thể đi từ Việt Nam đến Mỹ, nhưng không đảm bảo rằng bạn có thể nói chuyện 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

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 biên dịch đơn giản đứng ra làmtrung gian để hai bên hiểu nhau Còn với các thiết bị IoT, chúng phải đảm đương với rất nhiều thứ, phải nói chuyện với nhiều loại máy móc và thiết bị khác nhau Đáng tiếc rằng 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 thể nghe

2 Hàng rào kết nối (subnetwork)

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 Với cách hoạt động này, những thiết bị vẫn hoàn toàn giao tiếp được với nhau thông qua chức năng phiên dịch của máy chủ Nhưng mỗi một mạng lưới như thế tạo thành một subnetwork riêng dẫn đến các node nằm trong subnetwork này không thể giao tiếp tốt với subnetwork khác

Lấy ví dụ như ô tô chẳng hạn.Một chiếc Ford Focus có thể giao tiếp rất thuận lợi 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

3 Vấn đề xử lý thông tin

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

4 Bảo mật

Các mối quan tâm đã được nêu ra rằng Internet của sự vật đang được phát triển nhanh chóng mà không cần phải xem xét một cách hợp lý những thách thức an ninh sâu sắc liên quan đến và những thay đổi pháp luật có thể là cần thiết

Hầu hết các vấn đề an ninh kỹ thuật tương tự như các máy chủ thông thường, máy trạm và điện thoại thông minh, nhưng tường lửa, cập nhật an ninh và các hệ thống chống phần mềm độc hại được sử dụng cho những người này thường không phù hợp với các thiết bị IoT nhỏ hơn, có khả năng ít hơn

Theo Khảo sát Tình hình Thông minh trong Kinh doanh được tiến hành vào quý cuối năm 2014, 39% số người được hỏi cho rằng an ninh là mối quan tâm lớn nhất trong việc áp dụng công nghệ Internet về công nghệ Đặc biệt, khi Internet của sự vật lan rộng, các cuộc tấn công trên mạng có thể sẽ trở thành một mối đe dọa ngày càng tăng về thể chất (chứ không đơn giản là ảo) Trong bài báo tháng 1 năm 2014 của tạp chí Forbes, nhà bình luận về an ninh mạng, Joseph Steinberg, đã liệt kê nhiều thiết bị

có kết nối Internet có thể "gián điệp trên người trong nhà riêng của họ" bao gồm tivi, thiết bị nhà bếp, máy quay và máy điều nhiệt Các thiết bị điều khiển bằng máy tính trong xe ô tô như phanh, động cơ, ổ khóa, mui xe và xe tải, sừng, sưởi ấm, và bảng điều khiển đã được hiển thị dễ bị tổn thương bởi những kẻ tấn công có quyền truy cập vào mạng nội bộ Trong một số trường hợp, hệ thống máy tính ô tô được kết nối với Internet, cho phép chúng được khai thác từ xa Vào năm 2008, các nhà nghiên cứu về

an ninh đã cho thấy khả năng điều khiển máy điều khiển nhịp tim từ xa mà không có thẩm quyền Sau đó tin tặc đã chứng minh điều khiển từ xa bơm insulin và khử rung tim cấy ghép David Pogue đã viết rằng một số báo cáo gần đây đã được công bố về tin tặc từ xa kiểm soát một số chức năng của ô tô đã không nghiêm túc như người ta có thể đoán bởi vì các tình huống giảm nhẹ khác nhau; Chẳng hạn như lỗi cho phép các hack đã được cố định trước khi báo cáo được xuất bản, hoặc hack rằng các nhà nghiên cứu an ninh yêu cầu cơ thể truy cập vào xe trước khi hack để chuẩn bị cho nó

Hội đồng Tình báo Quốc gia Hoa Kỳ trong một báo cáo chưa được phân loại cho thấy rằng sẽ rất khó để từ chối "truy cập vào mạng lưới các cảm biến và các đối tượng điều khiển từ xa bởi kẻ thù của Hoa Kỳ, bọn tội phạm và các nhà sản xuất nghịch ngợm Một thị trường mở cho các dữ liệu tổng hợp Có thể phục vụ lợi ích của thương mại và an ninh không kém hơn là giúp các tội phạm và gián điệp xác định các

mục tiêu dễ bị tổn thương.Vì vậy, phản ứng nhiệt hạch song song ồ ạt có thể làm suy yếu sự gắn kết xã hội, nếu nó chứng minh là không tương thích với các bảo đảm sửa đổi thứ tư đối với việc tìm kiếm không hợp lý " Nói chung, cộng đồng tình báo xem Internet của sự vật như là một nguồn dữ liệu phong phú

Để đáp ứng những mối quan tâm ngày càng tăng về an ninh, Internet of Things

đã được đưa ra vào ngày 23 tháng 9 năm 2015 IoTSF có nhiệm vụ bảo vệ Internet bằng cách quảng bá kiến thức và thực tiễn tốt nhất Ban sáng lập của nó được làm từ các nhà cung cấp công nghệ và các công ty viễn thông như BT, Vodafone, Imagination Technologies và Pen Test Partners

Vào năm 2016, một cuộc tấn công từ chối dịch vụ phân tán được cung cấp bởi Internet các thiết bị của sự vật chạy phần mềm độc hại của Mirai đã đưa một nhà cung cấp DNS và các trang web lớn

5 Bài toán kinh tế

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

KẾT LUẬN CHƯƠNG II

Chương II cho biết cơ bản về mạng IoT: ưu điểm và nhược điểm cung như ứng dụng của Internet Of Thing Nhưng mới chỉ dừng lại ở giới thiệu IoT mà chưa đi sâu nghiên cửa về các phương thưc truyền tải

Tiếp đến cùng tìm hiểu về LoRa và LoRa WAN

này Vì vậy, NB-IOT chỉ phù h

điều hành thông qua bang t

như chưa thể đi vào hoạt độ

đồng 3GPP để chen chân vào th

Hình 3.1: M

I Kỹ thuật trải phổ

1 Định lý Shannon

Định lý mã hóa trên kênh nhi

xuất rằng, cho dù một kênh truy

chăng nữa, chúng ta cũng vẫ

NG III: GIỚI THIỆU VỀ LORA VÀ LORA WAN

ển của IoT, chúng ta cũng được chứng kiến cu

c LPWAN (mạng không dây diện rộng tiết kiệm năng l

i cho hàng tỷ thiết bị trong bối cảnh của cuộc cách m

p 4.0 Các công nghệ không dây chúng ta có thể nhắc tới nh

Internet of Things), LoRa và Sigfox

IOT là sáng kiến của 3GPP về một tiêu chuẩn k

dữ liệu thấp có nhu cầu kết nối với mạng di đ

ng 4G hiện nay không có khả năng tương thích vphù hợp với các thiết bị đơn giản cần kết nối v

u hành thông qua bang tần được cấp phép Quan trọng nhất, nó không có s

ộng Có thể nói, NB-IOT chỉ giống như một nchen chân vào thị trường mới mẻ được Sigfox mở ra

Mô hình NB-IOT cung cấp bởi HUAWEI

ổ truyền thông

nh lý Shannon – Hartley

ã hóa trên kênh nhiễu (tiếng Anh: noisy-channel coding theorem

ênh truyền thông có bị ô nhiễm bởi nhiễu âm bao nhi

ng vẫn có thể truyền thông (thông tin) dữ liệu số

LORA VÀ LORA WAN

n cuộc đua công ăng lượng) nhắm

channel coding theorem) đề

ễu âm bao nhiêu đi

ệu số (digital data)

không lỗi (error-free) tới một tỷ lệ tối đa nhất định qua một kênh truyền Kết quả đáng ngạc nhiên này, đôi khi được gọi là định lý nền tảng của lý thuyết thông tin (fundamental theorem of information theory), hay chỉ đơn giản là Định lý Shannon, được giới thiệu lần đầu tiên bởi Claude Shannon vào năm 1948

Giới hạn Shannon hoặc Dung lượng Shannon của một kênh truyền thông là tỷ lệ tối đa trên lý thuyết về lượng thông tin một kênh truyền thông có thể truyền tải, đối với một độ nhiễu nhất định

2 Nguyên lý trải phổ

Để có thể quản lý và troubleshoot mạng WLAN một cách hiệu quả thì kiến thức

về các công nghệ trải phổ là không thể thiếu Vì thế trong bài này chúng ta sẽ đề cập đến các công nghệ trải phổ đang được sử dụng theo quy tắc của FCC (ở Mỹ) Chúng ta

sẽ phân biệt và so sánh 2 công nghệ trải phổ chính là FHSS và DSSS I Giới thiệu về trải phổ Trải phổ là một kỹ thuật truyền thông được đặc trưng bởi băng thông rộng và công suất thấp Truyền thông trải phổ sử dụng các kỹ thuật điều chế (modulation) khác nhau cho mạng WLAN và nó cũng có nhiều thuận lợi so với người tiền nhiệm của nó

là truyền thông băng hẹp Tín hiệu trải phổ trông giống như nhiễu, khó phát hiện và thậm chí khó để chặn đứng hay giải điều chế (demodulation) nếu không có các thiết bị thích hợp Jamming và nhiễu (interference) thường có ảnh hưởng với truyền thông trải phổ ít hơn so với truyền thông băng hẹp Vì những lý do này mà trải phổ đã được sử dụng trong quân sự trong một thời gian dài Để có thể hiểu được trải phổ là gì, trước hết chúng ta phải thảo luận các khái niệm của truyền thông băng hẹp 1 Truyền thông băng hẹp Truyền thông băng hẹp là công nghệ truyền thông chỉ sử dụng đủ phổ tần số

để mang tín hiệu dữ liệu không hơn Nhiệm vụ của FCC (Federal Communication Commission) là hạn chế việc sử dụng tần số càng nhiều càng tốt, chỉ cho phép sử dụng tần số ở một mức đủ để hoàn thành công việc Trải phổ hoàn toàn ngược lại với nhiệm

vụ mà FCC đang thực hiện vì nó sử dụng băng tần rộng hơn mức cần thiết để truyền thông tin Điều này cho chúng ta biết được một ít khái niệm về tín hiệu như thế nào được gọi là trải phổ Một tín hiệu được gọi là một tín hiệu trải phổ khi băng thông của

nó rộng hơn nhiều so với mức cần thiết để truyền thông tin Hình dưới minh họa sự khác nhau giữa truyền thông băng hẹp và truyền thông trải phổ Chú ý là một trong những đặc điểm của băng hẹp là công suất đỉnh (peak power) cao Khi sử dụng dãy tần

số càng nhỏ để truyền thông tin thì công suất yêu cầu càng lớn Để cho tín hiệu băng