NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MQTT TRONG IOT (Luận văn thạc sĩ)

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MQTT TRONG IOT (Luận văn thạc sĩ)NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MQTT TRONG IOT (Luận văn thạc sĩ)NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MQTT TRONG IOT (Luận văn thạc sĩ)NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MQTT TRONG IOT (Luận văn thạc sĩ)NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MQTT TRONG IOT (Luận văn thạc sĩ)NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MQTT TRONG IOT (Luận văn thạc sĩ)NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MQTT TRONG IOT (Luận văn thạc sĩ)NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MQTT TRONG IOT (Luận văn thạc sĩ)NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MQTT TRONG IOT (Luận văn thạc sĩ)NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MQTT TRONG IOT (Luận văn thạc sĩ)NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MQTT TRONG IOT (Luận văn thạc sĩ)NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MQTT TRONG IOT (Luận văn thạc sĩ)NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MQTT TRONG IOT (Luận văn thạc sĩ)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả nghiên cứu của riêng tôi Việc sửdụng kết quả, trích dẫn tài liệu tham khảo trên các tạp chí, các trang web tham khảođảm bảo theo đúng quy định Các nội dung trích dẫn và tham khảo các tài liệu, sáchbáo, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và trang web theo danh mụctài liệu tham khảo của luận văn

Tối xin chịu hoàn toàn trách nhiệm cho lời cam đoan của mình

Tác giả luận văn

Nguyễn Minh Thành

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy cô trường Họcviện Công nghệ Bưu chính Viễn thông trong thời gian qua đã dìu dắt và tận tìnhtruyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm vô cùng quý báu mà em có đượckết quả ngày hôm nay

Xin trân trọng cảm ơn TS Hoàng Trọng Minh, người hướng dẫn khoa học củaluận văn, đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ về mọi mặt để hoàn thành luận văn.Xin trân trọng cảm ơn quý thầy cô Khoa Đào tạo sau đại học đã hướng dẫn vàgiúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng là sự biết ơn tới gia đình, bạn bè và người thân đã luôn động viên,giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 11 tháng 05 năm 2020

Học viên thực hiện

Nguyễn Minh Thành

MỤC LỤC  

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG IOT 4

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 4

1.2 MÔ HÌNH KIẾN TRÚC VÀ THÀNH PHẦN IOT 6

1.3 CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA IOT TỚI CUỘC SỐNG 8

1.3.1 Hệ sinh thái IoT 9

1.4 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA IOT 11

1.4.1 Tóm tắt các ứng dụng của IoT 11

1.4.2 các ứng dụng tiêu biểu 15

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 16

CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH CHUẨN GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MQTT 17 2.1 CÔNG NGHỆ MẠNG TRUYỀN THÔNG ZIGBEE 17

2.1.1 Giới thiệu công nghệ Zigbee 17

Cấu hình mạng truyền thông Zigbee 19

2.2 KIẾN TRÚC GIAO THỨC MQTT 25

2.2.1 Giới thiệu chung 25

Kiến trúc giao thức 26

2.3 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MQTT 28

Mô hình Xuất bản/Theo dõi 28

2.4 QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA MQTT 30

2.4.1 Thiết lập kết nối và đăng kí theo dõi 30

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 35

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG GIAO THỨC MQTT TRONG IOT 36

3.1 GIỚI THIỆU GIAO THỨC MQTT - SN 36

3.2 KIẾN TRÚC GIAO THỨC MQTT-SN 38

3.3 MÔ HÌNH KIẾN TRÚC VÀ LỰA CHỌN THAM SỐ 46

3.3.1 Mô hình hệ thống 46

3.3.2 Lựa chọn thư viện MQTT 48

3.3.3 Lựa chọn tính năng bảo mật 50

3.4 CÁC THIẾT BỊ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 51

3.4.1 Các thiết bị cảm biến 51

3.4.2 Thiết bị tiền xử lý Arduino 56

3.4.2 Thiết bị xử lý NodeMCU ÉP8266v3 61

3.5 CÁC MODULE PHẦN MỀM VÀ KẾT QUẢ 64

3.5.1 Lập trình GPIO 64

3.5.2 Lập trình Arduino IDE 65

3.5.3 Lập trình Node-red 66

3.5.4 Kết quả của mô hình thực nghiệm 67

3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 68

KẾT LUẬN 69

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

MQTT Message Queuing Telemetry

Transport

Giao thức truyền thông điệp

ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - sốAGC Automatic Gain Controller Tự động điều khiển độ lợi

API Application Programming

Interface

Giao diện lập trình ứng dụng

DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi số - tương tựD2D Device to device Thiết bị tới thiết bị

DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số

DSL Digital Subcriber Line Kênh thuê bao số

FAP Femtocell Acess Point Điểm truy cập Femtocell

FBS Femtocell Basic Station Trạm gốc Femtocell

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FIFO First in First out Vào trước ra trước

GPP General Purpose Processor Bộ xử lý chức năng chung

NFC Near Field Communications Giao tiếp gần

LTE Long Term Evolution Sự tiến hóa dài hạn

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Ưu-Nhược điểm của Zigbee 20Bảng 3.1: Tóm tắt các tính năng của thư viện Eclipse MQTT Client 49

Bảng 3.2: Các tính năng được hỗ trợ trong thư viện Paho Android Service 49

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Thế giới vật lý và thế giới thông tin 4

Hình 1.2: Mô hình hệ sinh thái IoT 10

16

Hình 2.1: Các ứng dụng không dây 19

Bảng 2.2: So sánh Zigbee và các chuẩn không dây 20

Hình 2.3: Kiến trúc lớp trong kiến trúc Zigbee 23

Hình 2.4: Mô hình mạng Zigbee 23

Hình 2.5: Tổng quan giao thức MQTT 25

Hình 2.6: Các tiêu chuẩn MQTT được phát triển bởi IBM và EROTECH 26

Hình 2.7: Kiến trúc của giao thức MQTT 26

Hình 2.8: Mô hình Xuất bản/Theo dõi 27

Hình 2.9: Publisher và Subscriber 27

Hình 2.10: Ví dụ về mô hình Xuất bản/Theo dõi 28

Hình 2.13: Quy trình xuất bản bản tin với QoS = 0 32

Hình 2.14: Quy trình xuất bản bản tin với QoS mức 1 33

Hình 2.15: Quy trình xuất bản bản tin với QoS mức 2 34

Hình 3.1: Kiến trúc giao thức MQTT-SN 39

Hình 3.2: Tiến trình Thiết lập kết nối từ phía Client 41

Hình 3.3: Sơ đồ chuyển trạng thái của Client 45

Hình 3.4: Sơ đồ tổng quan phần cứng hệ thống 48

Hình 3.5: Thiết bị cảm biến BH1750 51

Hình 3.6: Thiết bị cảm biến MQ-135 53

Hình 3.7: Mối quan hệ giữa tỷ số Rs/Ro và giá trị PPM tương ứng 54

Hình 3.8: Thiết bị cảm biến DTH11 55

Hình 3.9: Kết nối DHT11 với vi điều khiển 56

Hình 3.10: Cấu hình chân của thiết bị arduino R3 57

Hình 3.11: Cấu hình chân của thiết bị ESP8266 62

Hình 3.12: Ví dụ điều khiển trên arduino 65

Hình 3.13: Cấu hình hệ thống thực nghiệm 67

Hình 3.14: Xử lý gói tin trên node-red 67

Hình 3.15: Giao diện giám sát trên web 68

Hình 3.16: Giao diện giám sát trên LCD 68

LỜI MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Internet of Things (IoT) là một trong các phần tử then chốt trong cuộc cáchmạng 4.0 bên cạnh các công nghệ AI, big data hay thực tại ảo Dựa trên nền tảng hạtầng mạng cảm biến không dây, các giải pháp IoT cung cấp rất nhiều ứng dụngtrong các lĩnh vực quân sự, thương mại, nông nghiệp, y tế, giao thông hay lĩnh vựcđời sống xã hội khác nhau IoT được định nghĩa bởi Tổ chức liên minh viễn thôngquốc tế ITU như là một hạ tầng mạng năng động với khả năng tự cấu hình dựa trêncác giao thức truyền thông liên điều hành và chuẩn hóa để có thể sử dụng giao diệnthông minh Hơn nữa, IoT kết nối liên thông với các mạng lưới truyền thông để kếtnối vật thực và ảo, được đặc trưng qua tham số vật lý cũng như tính chất trừu tượngđặc trưng

Trong các năm qua, Các ứng dụng thực tiễn IoT tại Việt Nam có thể chỉ raqua các giải pháp nông nghiệp thông minh, giao thông thông minh hay Thành phốthông minh Vì vậy, nghiên cứu chuẩn truyền thông của IoT và định hướng ứngdụng vào môi trường cụ thể là một trong các nhiệm vụ cần thiết trong quá trình pháttriển và triển khai các dự án IoT Luận văn này tập trung vào nghiên cứu một chuẩngiao thức truyền thông phổ biến trong IoT, hỗ trợ truyền thông cho mạng cảm biếnkhông dây là giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) Các khíacạnh điều hành, chất lượng và bảo mật của giao thức sẽ được nghiên cứu để rút racác kết luận hữu ích trong ứng dụng của một hệ thống IoT cụ thể cho bài toán như

đo kiểm tham số môi trường

Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

MQTT là một giao thức ra đời vào 1999 và được coi như một phương thứcđáng tin cậy hiệu quả với chi phí thấp để kết nối các thiết bị giám sát sử dụng trongcác ngành công nghiệp dầu mỏ và khí đốt với các máy chủ doanh nghiệp từ xa Đểquản lý hệ thống SCADA, MQTT dựa trên TCP/IP tạo ra một mô hình truy xuất bảntin kiểu xuất bản/đăng ký (publish/subscribe) để tối thiểu hóa năng lượng truyền tintrên các hạ tầng tốc độ thấp

MQTT là một lựa chọn tốt cho các mạng không dây mà có độ trễ không ổnđịnh, hạn chế về băng thông hoặc các kế nối không đáng tin cậy Khi một kết nối từmột client đăng ký vào broker bị ngắt, broker sẽ tạm thời giữ các thông điệp này và

sẽ cung cấp chúng cho các subscribe khi nó có kết nối trở lại Các kết nối từ cácclient publish cho các broker ngắt kết nối mà không cần phản thông báo, broker cóthể đóng kết nối và gửi một thông điệp đã được lưu trữ tạm thời với các chỉ dẫn từpublisher

Cùng với sự phát triển ứng dụng MQTT, các thách thức công nghệ và cácvấn đề mở trong nghiên cứu hiện nay đã được đề cập ví dụ như: vấn đề truyền thôngtốc độ thấp nhằm hạn chế năng lượng tiêu thụ liên quan tới ràng buộc chất lượngkết nối, độ phức tạp tính toán, hiệu năng hệ thống hay bảo mật Tuy nhiên, phần lớncác nghiên cứu về truyền thông đều thuộc về các tác giả ngoài nước Các nội dungnghiên cứu một cách hệ thống về nguyên tắc hoạt động, ứng dụng và phân tíchMQTT trong trường hợp cụ thể tại Việt Nam là chưa được đề cập đến Cụ thể hơn,các ứng dụng IoT hiện tại luôn đặt ra một số các thách thức mới từ môi trường ứngdụng không ổn định đến các yêu cầu cụ thể của ứng dụng như điều khiển phản hồihay thời gian thực đã và đang tạo ra một số các vấn đề cần tiếp tục cải thiện xungquanh hệ thống IoT sử dụng giao thức MQTT Vì vậy, luận văn này sẽ tiếp cận cácmục đích nghiên cứu như dưới đây

Nghiên cứu cơ chế hoạt động và các đặc trưng liên quan tới hiệu năng hệ thốngIoT sử dụng giao thức MQTT Các nội dung nghiên cứu chính gồm:

+ Kiến trúc và ứng dụng của các hệ thống IoT điển hình;

+ Đặc trưng giao thức MQTT và các cơ chế truyền thông liên quan;

+ Phân tích, đánh giá các khía cạnh chất lượng và bảo mật liên quan tới MQTT;+ Mô hình ứng dụng hệ thống IoT kết nối qua MQTT

Bố cục của luận văn được trình bày như sau:

Chương 1: Tổng quan hệ thống IoT Chương này trình bày tổng quan về hệ thốngIoT từ các khía cạnh kiến trúc, công nghệ và ứng dụng

Chương 2: Đặc tính chuẩn giao thức truyền thông MQTT Chương này trình bày

về các đặc tính kỹ thuật của chuẩn truyền thông MQTT Kiến trúc giao thức, đặcđiểm truyền thông và ứng dụng

Chương 3: Ứng dụng giao thức MQTT trong IoT Phân tích và đánh giá các tham

số ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ, bảo mật liên quan tới MQTT hoạt động trongIoT, đồng thời đưa ra giải pháp để cải thiện vấn đề này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG IOT

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Hệ thống đo từ xa đầu tiên đã được triển khai ở Chicago 1912 trên cơ sở sửdụng đường dây điện thoại để theo dõi dữ liệu từ nhà máy điện Từ xa mở rộng đểtheo dõi thời tiết trong những năm 1930, khi một thiết bị được gọi là radio được sửdụng rộng rãi để giám sát điều kiện thời tiết từ kinh khí cầu Năm 1957, Liên Xô đã

ra mắt Sputnik trong cuộc đua không gian, sự gia nhập của từ xa hàng không vũ trụ

đã tạo ra cơ sở của truyền thông vệ tinh toàn cầu của chúng ta ngày nay Công nghệđiều khiển máy tới máy M2M (machine to machine) bắt đầu từ những năm 1980bằng hệ thống kết nối hữu tuyến cho hệ thống SCADA (kiểm soát giám sát và thuthập dữ liệu) phục vụ nhà máy, hệ thống an ninh gia đình và kinh doanh M2Mchuyển sang công nghệ không dây vào những năm 1990

Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internetviết tắt là IoT (tiếng Anh: Internet of Things) là một kịch bản của thế giới, khi màmỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình và tất cả có khảnăng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cầnđến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính Nó chophép các đối tượng được cảm nhận và kiểm soát như một vòng tròn, tạo cơ hội tuyệtvời để kết nối với thế giới vật lý vào các hệ thống máy tính, và kết quả là nâng cao

độ chính xác và lợi ích kinh tế

Hình 1.1: Thế giới vật lý và thế giới thông tin

IoT được xem như là một cơ sở hạ tầng toàn cầu cho xã hội thông tin, chophép các dịch vụ tiên tiến bằng cách kết nối (vật lý và ảo) vạn vật dựa trên sự pháttriển thông tin tương tác và công nghệ truyền thông Vạn vật là đối tượng của thếgiới vật lý (vật lý sự vật) hoặc của thế giới thông tin (thế giới ảo) có khả năng đượcxác định và tích hợp vào các mạng truyền thông IoT đã phát triển từ sự hội tụ củacông nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Nói đơn giản là một tậphợp 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 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.v.v Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máypha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị khác 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 giữangười và người, người và thiết bị, thiết bị và thiết bị Một mạng lưới IoT có thểchứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và mạng lưới này có thể theodõi sự di chuyển của từng đối tượng Và khi IoT thực sự lớn mạnh trong vài nămtới, sẽ càng nhiều thiết bị sẽ tham gia vào danh sách đó Từ đó sẽ xây dựng lên một

hệ sinh thái phong phú và vững mạnh

Trong IoT, cảm biến đóng vai trò then chốt, nó đo đạt cảm nhận giá trị từ môitrường xung quanh rồi gửi đến bộ vi xử lý sau đó được gửi lên mạng Chúng ta cóthể bắt gặp một số loại cảm biến về cảnh báo cháy rừng, cảnh báo động đất, cảmbiến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm.v.v Để giúp cho thiết bị kéo dài được thời gian hoạtđộng hơn thì đòi hỏi cảm biến cũng phải tiêu hao một lượng năng lượng cực kỳthấp Bên cạnh đó độ chính xác và thời gian đáp ưng của cảm biến cũng phải nhanh

Để giá thành của thiết bị thấp thì đòi hỏi giá cảm biến cũng phải thấp

Thuật ngữ và định nghĩa cơ bản

• Internet of Things: Một mạng lưới các đối tượng kết nối internet có thể thuthập và trao đổi dữ liệu bằng cách sử dụng các cảm biến nhúng

• Thiết bị Internet of Things: Bất kỳ thiết bị kết nối Internet độc lập nào có thểđược theo dõi và / hoặc điều khiển từ xa

• Hệ sinh thái Internet of Things: Tất cả các thành phần cho phép các doanhnghiệp, chính phủ và người tiêu dùng kết nối với các thiết bị IoT, bao gồmđiều khiển từ xa, bảng điều khiển, mạng, cổng, phân tích, lưu trữ dữ liệu vàbảo mật

• Thực thể (Entity): Bao gồm các doanh nghiệp, chính phủ và người tiêu dùng

• Lớp Vật lý (Physical layer): Phần cứng tạo ra thiết bị IoT, bao gồm cảm biến

từ xa không liên quan

• Bảng điều khiển (Dashboard): Hiển thị thông tin về hệ sinh thái IoT chongười dùng và cho phép họ kiểm soát hệ sinh thái IoT của họ

• Hệ thống phân tích (Analytics): Các hệ thống phần mềm phân tích dữ liệuđược tạo ra bởi các thiết bị IoT Hệ thống phân tích được sử dụng cho nhiềutình huống, chẳng hạn như bảo trì hay dự đoán

• Lưu trữ dữ liệu (Data storage): Dữ liệu từ thiết bị IoT được lưu trữ

• Mạng (Networks): Lớp truyền thông internet cho phép đối tượng liên lạc vớithiết bị của họ và đôi khi cho phép các thiết bị kết nối với nhau

1.2 MÔ HÌNH KIẾN TRÚC VÀ THÀNH PHẦN IOT

Vật chất tồn tại trong thế giới vật chất và có khả năng được cảm nhận, chấp hành

và kết nối Ví dụ về những thứ vật chất bao gồm môi trường xung quanh, robotcông nghiệp, hàng hóa và thiết bị điện Những thứ ảo tồn tại trong thế giới thông tin

và có khả năng được lưu trữ, xử lý và truy cập Ví dụ về những thứ ảo bao gồm nộidung đa phương tiện và phần mềm ứng dụng Các đặc điểm cơ sở của IoT gồm:

• Khả năng kết nối: mọi thứ đều có thể kết nối với thông tin và truyền thông

toàn cầu cơ sở hạ tầng

• Tính không đồng nhất: Các thiết bị trong IoT không đồng nhất như dựa trên

các nền tảng phần cứng và mạng khác nhau; khả năng tương tác với các thiết

bị hoặc nền tảng dịch vụ khác thông qua mạng khác nhau

• Thay đổi động: trạng thái của thiết bị thay đổi linh hoạt, ví dụ: ngủ và thức

dậy, kết nối hoặc ngắt kết nối cũng như bối cảnh của các thiết bị bao gồm vịtrí và tốc độ Hơn nữa, số lượng thiết bị có thể thay đổi linh hoạt

• Quy mô rất lớn: số lượng thiết bị cần phải được quản lý và liên lạc với lẫn

nhau sẽ lớn hơn các thiết bị kết nối với Internet hiện tại Tỷ lệ truyền thôngđược kích hoạt bởi các thiết bị so với kích hoạt giao tiếp bởi con người sẽthay đổi đáng kể theo hướng giao tiếp giữa máy và máy

Các công nghệ truyền thông ứng dụng trong IoT

• RFID (Radio Frequency Code - Mã tần số vô tuyến) tags và EPC (Electronic

Product Code - Mã sản phẩm điện tử)

• NFC (Near Field Communication - Giao tiếp trường gần): được sử dụng để

tương tác hai chiều giữa các thiết bị điện tử Đây là công nghệ cơ bản dùngcho các điện thoại thông minh và được sử dụng để thực hiện các giao dịchthanh toán không tiếp xúc

• Bluetooth: được sử dụng cho các liên lạc tầm ngắn Chủ yếu được sử dụng

trong công nghệ wearable

• Z-Wave: công nghệ truyền thông RF công suất thấp Chủ yếu được sử dụng

cho tự động hóa trong nhà, đèn kiểm soát

• WiFi: được sử dụng phổ biến nhất cho IoT; trong môi trường mạng LAN, nó

giúp chuyển các tập tin, dữ liệu và tin nhắn một cách liền mạch

Tổng quan kiến trúc IoT được đại diện cơ bản bởi 4 phần sau

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

gia dụng và công nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của người dùng Chẳng hạn như

xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối trựctiếp thông qua băng tầng mạng không dây và truy cập vào Internet Giải pháp IoTgiúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục

bộ, còn các thiết bị chưa thông minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kếtnối

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

các vật dụng đã không được thiết kế để có thể kết nối với Internet và không thể chia

sẻ dữ liệu với điện toán đám mây Để khắc phục vấn đề này, các trạm kết nối sẽđóng vai trò là một trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nốivới điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý

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

• Cơ sở hạ tầng kết nối: Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IPđược kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính Cơ sở hạ tầng mạngnày 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 cũngđược kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp - được triển khai bởi các nhàcung cấp dịch vụ

• Trung tâm dữ liệu/ hạ tầng điện toán đám mây: Các trung tâm dữ liệu và hạtầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thốnglưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối

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

sự kết hợp những phần mềm quản lý API (Application ProgmramingInterface) để giúp đưa các sản phẩm và giải pháp IoT ra thị trường một cáchchóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ hệ thống

và tài sản đang có sẵn

1.3 CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA IOT TỚI CUỘC SỐNG

1.3.1 Hệ sinh thái IoT

Internet vạn vật (IoT) đề cập đến việc sử dụng các thiết bị và hệ thống được kếtnối thông minh để tận dụng dữ liệu được thu thập bởi các cảm biến nhúng, bộtruyền động trong máy và các đối tượng vật lý khác IoT có sức lan truyền nhanhchóng trong những năm tới và sự hội tụ này sẽ mở ra một chiều hướng mới của cácdịch vụ giúp cải thiện chất lượng cuộc sống của người tiêu dùng và năng suất củacác doanh nghiệp, mở ra một cơ hội mới cho GSMA hay còn gọi là kết nối cuộcsống

Đối với người tiêu dùng, IoT có tiềm năng cung cấp các giải pháp cải thiện hiệuquả về mặt năng lượng, an ninh, sức khỏe, giáo dục và nhiều khía cạnh khác củacuộc sống hàng ngày Với doanh nghiệp, IoT củng cố các giải pháp cải thiện việc raquyết định và năng suất trong sản xuất, bán lẻ, nông nghiệp và các ngành khác Các giải pháp Machine to Machine (M2M) - một tập hợp con của IoT - sử dụngcác mạng không dây để kết nối các thiết bị với nhau và Internet, với sự can thiệp tốithiểu của con người, để cung cấp dịch vụ đáp ứng nhu cầu của một loạt các ngànhcông nghiệp Năm 2013, kết nối M2M chiếm 2,8% kết nối di động toàn cầu (195triệu), đây là dẫn chứng cho thấy, ở giai đoạn này, vẫn còn tương đối sớm để pháttriển Ngoài ra, IoT đại diện cho sự phối hợp của nhiều nhà cung cấp máy móc, thiết

bị và thiết bị kết nối Internet thông qua nhiều mạng

Mặc dù tác động chính đến IoT là đáng kể, nhưng cần có một sự phối hợp để dichuyển ngoài giai đoạn đầu này Để tối ưu hóa sự phát triển của thị trường, mộtđiểm chung sự hiểu biết về bản chất riêng biệt của cơ hội là bắt buộc Đến nay, cácnhà khai thác di động đã xác định các tính năng đặc biệt chính sau đây:

a) Internet of Things có thể cho phép làn sóng dịch vụ nâng cao cuộc sống tiếptheo trên một số lĩnh vực cơ bản của nền kinh tế

b) Đáp ứng nhu cầu của khách hàng có thể yêu cầu mô hình phân phối toàn cầu

và nhất quán dịch vụ toàn cầu

c) Internet of Things mang đến cơ hội cho các mô hình thương mại mới hỗ trợtriển khai toàn cầu hàng loạt

d) Phần lớn doanh thu sẽ phát sinh từ việc cung cấp dịch vụ giá trị gia tăng vàđiện thoại di động, các nhà khai thác đang xây dựng các khả năng mới đểcho phép các khu vực dịch vụ mới này.

e) Hành vi của thiết bị và ứng dụng sẽ đặt ra các nhu cầu mới và khác nhau trênthiết bị mạng di động

Sự đa dạng của ứng dụng IoT nghĩa là không một chip duy nhất nào có khả năngphù hợp với tất cả mọi thứ Phân mảnh như là bước chuẩn bị để các nhà sản xuấtthiết bị có thể lựa chọn nền tảng phù hợp với mình nếu không muốn bị cô lập trongtương lai Điều này tương tự như thị trường phần mềm điện thoại thông minh khikhông chỉ có iOS mà còn đó Android, Windows Phone, BlackBerry Cũng có mộtviễn cảnh tốt hơn khi những nhóm tiêu chuẩn IoT hợp tác với nhau, cho khả năngtương thích rộng rãi Điều này phụ thuộc vào các công ty lớn như Samsung, Intel,Microsoft có sức ảnh hưởng lớn đối với thị trường công nghệ Việc giảm phân mảnh

có thể tạo nên sản phẩm đại chúng hơn và người dùng sẽ là những người quyết định

sự thành bại của các tiêu chuẩn nói trên

Hình 1.2: Mô hình hệ sinh thái IoT

Điều quan trọng nhất góp phần vào sự phát triển của thị trường IoT là lợinhuận của các bên tham gia, từ các nhà sản xuất bán dẫn cho đến các nhà phát triểnứng dụng Xa hơn nữa là lợi ích của thiết bị mang lại cho người sử dụng cũng nhưphục vụ trong công việc đối với doanh nghiệp Theo ước tính trong tương lai thì IoT

sẽ là thị trường sản phẩm lớn nhất trên thế giới IoT sẽ có quy mô rộng lớn khi hầuhết các sản phẩm có thể giao tiếp với nhau.

− IoT sẽ tạo thêm 1,7 ngàn tỷ USD cho nền kinh tế toàn cầu trong năm 2020.Doanh thu này bao gồm phần cứng, ứng dụng, chi phí khởi tạo, dịch vụquản lý, và giá trị gia tăng từ hiệu quả sử dụng IoT trong đời sống, côngviệc

− Việc xuất khẩu thiết bị dự kiến đạt 6,7 tỷ USD vào năm 2020 với khoảngthời gian tăng trưởng kép trong 5 năm (CAGR) đạt 61% Doanh thu từ việcbán phần cứng có thể chỉ đạt 50 tỷ USD hoặc 8% tổng doanh thu từ IoT,phần lớn số tiền sẽ rơi vào các công ty hạ tầng và nhà phát triển ứng dụngthiết bị

− Đối với doanh nghiệp thì IoT được xem là thị trường màu mỡ khi trongnăm 2014, lượng sản phẩm bán cho khối này chiếm 46% Tuy nhiên đối vớikhối thị trường dành cho chính phủ giảm sụt do những lo ngại về bảo mật,ngoài ra phân khúc dành cho gia đinh đang được đánh giá là có tiềm nănglớn

− Sự tăng trưởng mạnh mẽ của IoT dựa trên cơ sở hạ tầng ngày càng pháttriển cùng với đó là chi phí sản xuất thấp IoT hứa hẹn sẽ tăng hiệu suấthoạt động cho gia đình, thành phố và nơi làm việc với khả năng kiểm soát,quản lý cho người dùng

Viễn cảnh thị trường IoT khá sáng sủa, tuy nhiên đây chỉ là dự kiến, mảngkinh doanh thiết bị IoT phụ thuộc khá nhiều vào người dùng và công nghệ - điều màcác nhà sản xuất hiện vẫn đang nỗ lực tạo nên những trải nghiệm tốt nhất

1.4 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA IOT

1.4.1 Tóm tắt các ứng dụng của IoT

Thành phố thông minh

• Công viên thông minh: giám sát không gian đỗ xe của thành phố.

• Kiểm tra xây dựng: giám sát các rung động và các điều kiện vật chất trong

các tòa nhà, cầu và công trình lịch sử

• Bản đồ tiếng ồn thành phố: giám sát âm thanh trong các phạm vi quán bar và

các khu trung tâm theo thời gian thực

• Tắc nghẽn giao thông: giám sát các phương tiện và mức độ người đi bộ để

tối ưu việc lái xe và đi lại

• Chiếu sáng thông minh: chiếu sáng thông minh và tương ứng với thời tiết

trong hệ thống đèn đường

• Quản lý chất thải: phát hiện mức độ rác thải trong các container để tối ưu

đường đi thu gom rác

• Hệ thống vận tải thông minh: các tuyến đường và cao tốc thông minh với các

thông điệp cảnh báo và các điều chỉnh theo điều kiện thời tiết và các sự kiệnkhông mong muốn như tai nạn, tắc đường

Môi trường thông minh

• Phát hiện cháy rừng: giám sát khí gas đốt cháy và các điều kiện cảnh báo

cháy rừng để đưa ra vùng cảnh báo

• Ô nhiễm không khí: điều khiển khí CO2 thải ra từ các nhà máy, các khí gây ô

nhiễm từ phương tiện và khí độc trong các nông trại

• Phòng ngừa lũ quét và lở đất: giám sát độ ẩm đất, các rung chấn và mật độ

đất để phát hiện các mối nguy hiểm theo điều kiện đất

• Phát hiện sớm động đất: phân bố giám sát ở các vùng đặc biệt có rung chấn.

Nguồn nước thông minh

• Chất lượng nước: nghiên cứu về sự thích hợp của nước trên các sông, vùng

biển đối với hệ động vật và tiêu chuẩn nước để sử dụng

• Rò rỉ nước: phát hiện chất lỏng bên ngoài các két và các biến động áp suất

bên trong các đường ống

• Lũ trên các con sông: giám sát biến động mực nước trên các sông, đập và

nguồn nước

Đo lường thông minh

• Mạng lưới thông minh: giám sát và quản lý tình hình tiêu thụ năng lượng.

• Tình hình các bể chứa: giám sát mức nước, dầu, khí ga trong các két và bể

chứ

• Cài đặt hệ thống quan điện: giám sát và tối ưu hiệu quả của các thiết bị năng

lượng mặt trời

• Lưu lượng nước: đo lường áp suất nước trong các hệ thống dẫn nước.

• Tính toán trữ lượng hàng: đo lượng mức độ còn và khối lượng hàng hóa.

Bảo mật và cảnh báo khẩn cấp

• Kiểm soát vùng hạn chế truy nhập: điều khiển truy nhập tới các vùng hạn chế

và phát hiện người không phận sự

• Sự có mặt của chất lỏng: phát hiện chất lỏng trong các trung tâm dữ liệu, kho

dữ liệu và vị trí xây dựng nhạy cảm để chống sự hỏng hóc và ăn mòn

• Mức bức xạ: phân phối đo lường phạm vi bức xạ xung quanh các khu năng

lượng hạt nhân để cảnh báo rò rỉ kịp thời

• Các khí nguy hiểm và nổ khí: phát hiện mức độ khí gas và rò rỉ trong các môi

trường công nghiệp, xung quanh các nhà máy hóa chất và trong các mỏ

Hệ thống bán lẻ

• Thanh toán NFC: quá trình chi trả dựa trên vị trí hoặc khoảng thời gian hoạt

động để chuyên chở công cộng, thể thao, các công viên chủ đề…

• Điều khiển băng chuyền: giám sát các điều kiện lưu trữ trong các dây chuyền

và theo dõi sản phẩm cho mục đích giám sát

• Các ứng dụng mua sắm thông minh: đưa ra lời khuyên tại các thời điểm bán

theo thói quen khách hàng, sở thích, các thành phần gây phản cảm với ngườimua hoặc hạn sử dụng

• Quản lý sản phẩm thông minh: điều khiển sự luân phiên các sản phẩm trong

giá và kho để tự động các quá trình bổ sung

Điều khiển trong công nghiệp

• Các ứng dụng M2M: kiểm soát tài sản và các máy tự chẩn đoán.

• Chất lượng không khí trong nhà: giám giá khi độc và mức độ khí oxi trong

các thiết bị hóa học để đảm bảo cho công nhân và hàng hóa an toàn

• Giám sát nhiệt độ: kiểm soát nhiều độ trong công nghiệp và tủ y học với

• Các phương tiện tự chẩn đoán: thu thập thông tin từ CanBus để gửi các cảnh

báo thời gian thực để nhanh chóng đưa lời khuyên cho lái xe

Nông trại gia súc thông minh

• Chăm sóc: kiểm soát các điều kiện phát triển của con non trong trang trại gia

súc để đảm bảo sống sót và khỏe mạng

• Theo dõi gia súc: vị trí và định danh của các gia súc trên đồng cỏ và phạm vi

chăn thả

• Mức độ khí độc: nghiên cứu thông hơi và chất lượng không khi trong các

nông trại và phát hiện khí có hại

Nhà tự động.

• Sử dụng năng lượng và nước: hỗ trợ giám sát tiêu dùng nước và năng lượng

để cho lời khuyên làm thế nào để tiết kiệm chi phí và tài nguyên

• Các thiết bị điều khiển từ xa: bật tắt bằng thiết bì điều khiển từ xa để tránh tai

nạn và tiết kiệm năng lượng

• Các hệ thống phát hiện xâm nhập: phát hiện của sổ và của ra vào và các xâm

pham để chống đột nhập

• Bảo quản hàng hóa và nghệ thuật: giám sát các điều kiện bên trong bảo tang

và nơi lưu trữ nghệ thuật

Chăm sóc sức khỏe

• Phát hiện ngã: giúp đỡ người già hoặc người tàn tật sống độc lập.

• Các tủ thuốc: giám sát các điều kiện bên trong tủ lạnh lưu trữ vaccine, thuốc,

và các yếu tố hữu cơ

• Chăm sóc vận động viên: giám sát các dấu hiệu trong trung tâm chăm sóc.

• Giám sát bệnh nhân: giám sát điều kiện của các bênh nhân trong bệnh viện

và tại nhà họ

• Bức xạ tử ngoại: đo lường lượng tia mặt trời UV để cảnh bảo mọi người

không phơi nắng trong nhưng giờ nhất định

1.4.2 các ứng dụng tiêu biểu

a, Ứng dụng trong lĩnh vực y tế

IoT được đặt kỳ vọng cao trong việc đem đến cuộc cách mạng trong lĩnh vựcchăm sóc sức khỏe, hứa hẹn thay đổi lớn cách thức con người tiếp cận các dịch vụchăm sóc sức khỏe

IoT trong chăm sóc sức khỏe cơ bản dựa trên nguyên tắc chung của IoT, là mộtmạng lưới các thiết bị kết nối trực tiếp với nhau để nắm bắt và chia sẻ dữ liệu thôngqua giao thức an toàn (SSL - Secure Sockets Layer) dưới sự điều khiển của máy chủtrung tâm kết hợp với công nghệ điện toán đám mây

a, Ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp

Nông nghiệp là xương sống của nền văn minh nhân loại đặt biệt là tại Việt Nam.Nhưng nó lại là một trong những lĩnh vực cuối cùng tiến vào nền kinh tế kết nối –IoT Những thách thức trong vấn đề lương thực toàn cầu đòi hỏi người làm nôngnghiệp phải tìm kiếm những phương thức tốt hơn, để cung cấp lương thực cho dân

số được dự báo là sẽ tăng thêm 2 tỉ người vào năm 2050 Điều đó khiến cho côngnghệ IoT trở nên có ý nghĩa hơn bao giờ hết Những cải tiến về cảm biến, dữ liệulớn, hạ tầng mạng.v.v được hi vọng sẽ mang tới một cuộc cách mạng trong nôngnghiệp để có có thể cung cấp lương thực cho dân số thế giới đang tăng nhanh nhưngđồng thời tạo ra nguồn lương thực tươi mới, nhiều dinh dưỡng hơn

c, Ứng dụng trong nhà thông minh

Khi chúng ta vắng nhà, thỉnh thoảng vẫn gợn lên trong tâm trí một vài nghi vấn.Không biết mình đã tắt bếp nấu nước sôi chưa? Máy lạnh trong phòng đã tắt chưa?Trẻ em ở nhà đang học bài hay xem tivi?.v.v.

Với ứng dụng ngôi nhà thông minh, chúng ta sẽ không còn phải lăn tăn lo nghĩ.Chỉ cần liếc mắt qua màn hình của chiếc điện thoại thông minh luôn bên mình lànhanh chóng nắm bắt đầy đủ tình hình ở nhà, dễ dàng giao tiếp và điều khiển cácvật dụng nhờ tất cả cùng được kết nối chung vào một hệ thống nhà thông minh vànối với Internet Hơn nữa, còn có thể tự động hóa các hoạt động trong nhà (nêntrước đây thường gọi là nhà tự động) theo ngữ cảnh được lập trình trước, từ ánhsáng, nhiệt độ, an ninh bảo vệ, cho đến các hệ thống giải trí Trong nhà thông minh,nhiều vật dụng có thể tương tác ăn ý với nhau để nâng cao mức tự động hóa củangôi nhà

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Internet of Things hứa hẹn sẽ mang đến một bước thay đổi trong chất lượng cuộcsống của mỗi cá nhân và năng suất doanh nghiệp Thông qua một mạng lưới thôngminh cục bộ thông minh các thiết bị, IoT có khả năng cho phép mở rộng và cải tiếnthành cơ bản dịch vụ trong vận tải, hậu cần, an ninh, tiện ích, giáo dục, y tế và cáclĩnh vực khác, đồng thời cung cấp một hệ sinh thái mới để phát triển ứng dụng Một

nỗ lực phối hợp là cần thiết để đưa ngành công nghiệp vượt ra khỏi giai đoạn đầucủa thị trường phát triển theo hướng trưởng thành, được thúc đẩy bởi sự hiểu biếtchung về bản chất riêng biệt của cơ hội Thị trường này có đặc điểm riêng biệt trongcác lĩnh vực phân phối dịch vụ, mô hình kinh doanh và tính phí, các khả năng cầnthiết để cung cấp dịch vụ IoT và sự phát triển đòi hỏi các dịch vụ này sẽ đặt trên cácmạng di động

CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH CHUẨN GIAO THỨC TRUYỀN

THÔNG MQTT 2.1 CÔNG NGHỆ MẠNG TRUYỀN THÔNG ZIGBEE

2.1.1 Giới thiệu công nghệ Zigbee

Mạng cảm biến ZigBee được xây dựng theo chuẩn giao thức IEEE 802.15.4, vìvậy để có cái nhìn khái quát nhất, ta cần hiểu các kiến thức cơ bản về chuẩn IEEE802.15.4

Chuẩn giao thức IEEE 802.15.4 được quy định tại tầng vật lý (Physical PHY) và tầng liên kết dữ liệu (Data Link Layer – DLL) Nó là chuẩn cho giao tiếptrong mạng không dây, năng lượng thấp Các thiết bị trong mạng tự tổ chức thànhmột mạng nhỏ gọi là mạng cá nhân (Private Area Net – PAN)

Layer-IEEE 802.15.4 định nghĩa hai tầng con của tầng DLL – Điều khiển liên kết logic(Logical Link Control – LLC) và Điều khiển truy cập truyền thông (Media AcsessControl – MAC) Tầng MAC định nghĩa việc truy cập tới môi trường chung củanhiều thiết bị bằng cách sử dụng các giao thức thích hợp như là Carrier SenseMultiple Access/ Collision Avoidance – (CSMA/CA), trong khi đó LLC phân phátcác gói dữ liệu tới dịch vụ tương ứng ở tầng mạng (Network Layer – NL)

Tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu trong chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa đầy đủmôi trường trong việc giao tiếp và các nguyên lý cho việc truy cập môi trường theocác cách thích hợp

Tại tầng vật lý của mô hình OSI, ZigBee căn cứ vào chuẩn IEEE 802.15.4 – 2003

sử dụng công nghệ truyền sóng radio với Offset-Quadrature Phase Shift Keying QPSK) và Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) nâng cao tỷ lệ signal-to-noise

(O-Cơ chế CSMA/CA được sử dụng tại DLL để tránh xung đột Việc kiểm tra sựtoàn vẹn dữ liệu được thực hiện bằng cách truyền lại và sử dụng ACK tại mỗi nút

để giảm thiểu khả năng mất dữ liệu

Việc đánh giá độ tin cậy của một mạng được thực hiện nhờ tính toán tỷ lệ to-noise và năng lượng nhận được tại điểm cuối liên kết

signal-Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa các dải tần sử dụng khác nhau Tiêu biểu có dảitần số 2.4 GHz được sử dụng cho các thiết bị xây dựng Mạng cục bộ không dây –WLAN ( chuẩn IEEE 802.11) và mạng Bluetooth ( chuẩn IEEE 802.15.1) cũng sửdụng dải tần số này

Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa hai loại thiết bị:

• Thiết bị chức năng đầy đủ (Full Function Device) – FFD

• Thiết bị bình thường (Reduced Function Device) – RFD

Sự khác biệt lớn nhất giữa hai loại thiết bị này chính là RFD không có khảnăng khởi động cho một mạng cá nhân (Private Are Network - PAN) Chính vì thếPAN luôn được khởi động bằng FFD Hơn thế nữa, việc giao tiếp trực tiếp chỉ chophép giữa hai thiết bị FFD hoặc giữa một FFD và một RFD, không cho phép giaotiếp giữa các RFD với nhau

Một mạng PAN là một mạng bao gồm các thiết bị trong một khoảng nhỏ Sự kếthợp nhiều mạng PAN là có thể, thậm chí khi các mạng PAN đó sử dụng chung mộttần số Với cấu trúc tự tổ chức, các mạng PAN rất dễ dàng bảo trì và tự sửa lỗi.Chuẩn IEEE 802.15.4 cung cấp 2 cấu hình mạng cơ bản, mạng hình sao (Star) vàmạng ngang hàng (Peer-to-Peer)

Trong mạng hình sao, một nút trung tâm là FFD Nút trung tâm sẽ chịu tráchnhiệm đảm bảo giao tiếp giữa các RFD trong mạng Khi một RFD muốn giao tiếpvới một RFD khác trong mạng, nó bắt buộc phải giao tiếp thông qua nút trung tâm.Mạng cấu hình này sẽ làm quá tải nút trung tâm, và khi nút trung tâm bị hỏng thìmọi giao tiếp giữa các thiết bị RFD trong mạng sẽ không thực hiện được Trongmạng ngang hàng, thiết bị FFD sẽ trực tiếp giao tiếp với các thiết bị khác Giao tiếpgiữa các thiết bị RFD là cho phép, lúc này FFD đóng vai trò như một bộ chuyểntiếp Trong mạng này, một thiết bị lỗi có thể được loại bỏ đi bằng cách tăng thêm sốhàng xóm trực tiếp

Cấu hình mạng truyền thông Zigbee

Chúng ta đã từng biết đến các chuẩn giao tiếp không dây khá phổ biến như:Wimax, 3G, Bluetooth Với các ứng dụng video không dây, dữ liệu không dây,mạng không dây, cảm biến không dây.v.v

Hình 2.1: Các ứng dụng không dây.

Trong những năm gần đây xuất hiện một chuẩn truyền thông mới được ứng dụngrất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đó là mạng ZigBee (được công bố lần đầu tiên vàonăm 2002 bởi liên minh ZigBee)

Mạng ZigBee được tạo ra nhằm phục vụ cho những ứng dụng yêu cầu giá thành

và công suất thấp nhưng phải có khả năng linh động trong phạm vi rộng MạngZigBee được phát triển và xúc tiến bởi hãng ZigBee Alliance, với sự hỗ trợ từ hơn

200 công ty trên thế giới như: SIEMENS, ATMEL, NI, NEC, TEXASINSTRUMENTS, EPSON.v.v

Về bản chất mạng ZigBee cũng là một chuẩn giao tiếp không dây như nhữngchuẩn không dây khác (UWB, Wi-Fi, IrDA, 3G, Bluetooth ) nhưng nó mang nhữngđặc tính kỹ thuật và đặc tính vật lý riêng và do đó sẽ chỉ phù hợp với các ứng dụngnhất định

Theo như hình trên có thể thấy rằng mạng ZigBee có đặc điểm là phạm vi hoạtđộng hẹp, tốc độ truyền trong mạng ZigBee thích hợp cho các cảm biến không dây

và chuyên dùng cho các ứng dụng giám sát, điều khiển

Ưu và nhược điểm của ZigBee:

Để thấy được ưu điểm và nhược điểm của mạng ZigBee có thể theo dõi bảngdưới đây.

• Giá thành thấp

• Tiêu thụ công suất nhỏ

• Kiến trúc mạng linh hoạt

• Được hỗ trợ bởi nhiều công ty

Bảng 2.1: Ưu-Nhược điểm của Zigbee

So sánh giữa Mạng ZigBee và một chuẩn không dây cũng khá phổ biến khác

-Ứng dụng

Truyền thôngkhông dây viđiều khiển

Web, video,email

Thay thếcặp nối

Dữ liệu trên phạm vi

rộngTài nguyên hệ

Tốc độ cao,

có tính mềmdẻo

Giá rẻ,thuận tiện

Phạm vị rộng, chấtlượng tốt

Bảng 2.2: So sánh Zigbee và các chuẩn không dây.

Có thể thấy rằng với những ứng dụng cho nhiều phần tử, yêu cầu độ linh hoạtcao, giá thành thấp, tiêu thụ công suất nhỏ thì dùng mạng ZigBee là rất phù hợp với

hệ thống IoT

Dải tần trong mạng Zigbee

Tín hiệu truyền trong mạng ZigBee được hỗ trợ trong các dải tần sóng vô tuyếnsau:

• Dải 868,3 Mhz: Chỉ một kênh tín hiệu Trong dải này tốc độ truyền là 20kb/s

• Dải 902 Mhz - 928 Mhz: Có 10 kênh tín hiệu từ 1 - 10 với tốc độ truyềnthường là 40kb/s

• Dải 2,4 Ghz - 2,835 Ghz: có 16 kênh tín hiệu từ 11 - 26 với tốc độ truyền 250kb/s

Trong nhiều ứng dụng, dải tần 2,4 Ghz - 2,835 Ghz hay được sử dụng Đây là dảitần phổ biến và được hỗ trợ bởi nhiều thiết bị Hơn nữa với mạng ZigBee, dải tầnnày có tới 16 kênh tín hiệu trong dải (mỗi kênh cách nhau 5MHz tần số) với tốc độtruyền lớn nhất: 250kb/s

Như vậy ta có thể thấy rằng mạng ZigBee đã thừa hưởng những ưu điểm củamạng cảm biến không dây như:

• Độ linh động cao

• Mức tiêu thụ năng lượng thấp

• Bảo mật cao

• Sử dụng như một chuẩn mở

Sở dĩ có thể nói như vậy là do:

• Mạng không dây bản chất là không tin cậy, nguyên nhân là do đặc tính vật lýcủa nó Kim loại, nước, thậm chí cả cơ thể con người cũng có thể là vật cảnsóng hoặc ảnh hưởng tới sóng truyền trong mạng không dây Chính vì thế,các thiết bị trong mạng ZigBee sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để làmtăng độ tin cậy của mạng không dây

• Bảo mật trong mạng ZigBee dựa trên thuật toán chuẩn mã hóa cao cấp –AES 128 Sự chứng thực và tính toàn vẹn của thông điệp được cung cấp bởi

1 bộ mã hóa để đảm bảo độ tin cậy giao tiếp giữa hai nút trong mạng Ýtưởng của việc này dựa trên một trung tâm xác thực Điển hình cho kiểu thiết

kế này chính là thiết bị ZC (ZigBee Coordinator), nó được thiết kế như mộttrung tâm xác thực thông tin Khi mà khái niệm về trung tâm xác thực được

sử dụng, tất cả khóa cho việc mã hóa thông tin giữa hai thiết bị đều đượccung cấp bới trung tâm xác thực

• Mạng ZigBee được thiết kế và phân phối giống như một chuẩn mở toàn cầu.

Nó cung cấp mọi khả năng cho các nhà sản xuất có thể sản xuất các thiết bịdựa trên các đặc tả ZigBee cung cấp với giả rẻ Hơn thế nữa, sự tương thíchgiữa các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau là rất tốt, miễn sao các nhàsản xuất tuân thủ đúng các chuẩn do mạng ZigBee cung cấp Đây là một điều

có lợi cho người tiêu dùng, người tiêu dùng có thể mua giá rẻ, được lựa chọncác sản phẩm của các nhà sản xuất khác nhau mà không cần lo lắng vấn đềtương thích giữa các thiết bị ZigBee của các nhà sản xuất khác nhau

Mô hình kiến trúc mạng không dây Zigbee

Bất kỳ một giao thức truyền thông nào đều có thể qui chiếu tới một lớp nào đótrong mô hình của kiến trúc tương ứng Trong mạng ZigBee, người ta cũng địnhnghĩa một kiến trúc giao tiếp, đó là kiến trúc ZigBee Có thể hiểu kiến trúc này cũngtuơng tự như kiến trúc OSI 7 lớp trong truyền thông công nghiệp

Mạng ZigBee được xây dựng ở trên của hai lớp MAC (Medium Access Control)

và lớp vật lý (PHY) Lớp MAC và lớp PHY được định nghĩa theo chuẩn IEEE802.15.4 dành cho các ứng dụng WPAN (PAN không dây) tốc độ thấp Hai tầngđược đặc tả bởi ZigBee đó là: Tầng Mạng (Network Layer – NL) và Tầng ỨngDụng (Application Layer – AL)

Tầng mạng chịu trách nhiệm trong việc phân phối gói tin, quảng bá mạng Dựatrên chức năng thì ta có thể chia tầng mạng thành 2 phần đó là Thực thể quản lýtầng mạng - Network Layer Management Entity - NLME và Thực thể dữ liệu tầngmạng ( - Network Layer Data Entity – NLDE) NLDE sẽ cung cấp cơ chế cần thiết

để chuyển đổi dữ liệu Mặt khác NLME giám sát, quản lý các vấn đề được NLDEcung cấp và các cơ chế trong tầng mạng ví dụ như giám sát việc định tuyến.v.v

Hình 2.3: Kiến trúc lớp trong kiến trúc Zigbee.

ZigBee Device Object (ZDO) và ZigBee Application Profile (ZAP), được xâydựng trên tầng ứng dụng ZAP phù hợp với các thông điệp, định dạng thông điệp vàquá trình thực thi, nó sẽ cung cấp, đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị Mộtthiết bị ZigBee sẽ được khởi tạo bằng cách sử dụng chức năng cơ bản của ZDO,hơn thế nữa các chức năng quản lý cũng được thực thi bởi các ZDO

Mô hình mạng ZigBee

Mạng truyền thông ZigBee thường hỗ trợ 3 mô hình mạng chính: mạng hình sao,mạng hình cây và mạng sơ đồ lưới

Hình 2.4: Mô hình mạng Zigbee.

Trong lớp mạng ZigBee cho phép 3 kiểu thiết bị:

• Bộ điều phối Zigbee (ZigBee Coordinator - ZC): Chỉ có duy nhất 1 ZC trongbất kỳ mạng ZigBee nào và nó có chức năng chính là kích hoạt thông tin vềmạng thông qua cấu hình các kênh, PAN ID và hiện trạng ngăn xếp

• Bộ định tuyến Zigbee (ZigBee Router - ZR): Là một thành phần của hệthống mạng mà chức năng của nó là thực hiện việc vận chuyển các gói tintrong mạng Nó thực hiện các bảng kết nối cũng như định vị địa chỉ cho cácZED của nó

• Thiết bị cuối Zigbee (ZigBee End Device - ZED): Là một thành phần của hệthống mạng nhưng không tham gia vào quá trình vận chuyển tin Nó có đượctối ưu sao cho công suất tiêu thụ là nhỏ nhất nhờ các chế độ bắt tín hiệu và

kỹ thuật “ngủ” ("sleep")

Thiết lập mạng ZigBee diễn ra như sau

• Quét mạng (Network Scan): Các thiết bị trong mạng sẽ quét các kênh tínhiệu, ví dụ nếu dùng dải tần 2,4GHz thì sẽ có 16 kênh để quét, sau đó thiết bị

sẽ chọn kênh phù hợp nhất để giao tiếp trong mạng Ta gọi đó là sự chiếmchỗ (occupy)

• Thiết lập/Gia nhập mạng: Thiết bị có thể tạo ra một mạng trên một kênh hoặcgia nhập vào một mạng đã tồn tại sẵn

• Phát hiện thiết bị: Thiết bị sẽ yêu cầu mạng phát hiện ra địa chỉ của mình trêncác kênh được kích hoạt

• Phát hiện dịch vụ: Thiết bị quét các dịch vụ được hỗ trợ trên thiết bị trongphạm vi mạng

• Liên kết: Thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các lệnh và các tin nhắn điềukhiển

Một số ứng dụng của mạng truyền thông ZigBee

Mạng ZigBee rất phù hợp với những ứng dụng yêu cầu giá thành thấp, tiêuthụ năng lượng nhỏ và tính linh động tốt Vì vậy ngày nay ZigBee được dùng vàorất nhiều ứng dụng trong cuộc sống nhu: Các hệ chiếu sáng thông minh, HVAC,Công nghiệp, cảm biến không dây, bệnh viện và đặc biệt là hệ thống IoT đang rấtthịnh hành và là xu hướng phát triển hiện này

2.2 KIẾN TRÚC GIAO THỨC MQTT

2.2.1 Giới thiệu chung

Giao thức MQTT là một giao thức truyền thông điệp mở, và nhỏ gọn Nó hoạtđộng theo mô hình Xuất bản/Theo dõi (Publish/Subscribe) sử dụng băng thông thấp,

độ tin cậy cao, có khả năng hoạt động trong điều kiện đường truyền không ổn địnhphù hợp với các thiết bị có tài nguyên giới hạn, (ví dụ: mạng cảm biến không dây)

Hình 2.5: Tổng quan giao thức MQTT

Giao thức MQTT lần đầu tiên được giới thiệu bởi Andy Standford-Clark thuộcIBM và Arlen Nipper của Arcom vào năm 1999 để phục vụ dự án quản lý ống dẫndầu qua sa mạc Mục tiêu đặt ra là một giao thức có hiệu quả về mặt băng thông và

sử dụng công suất pin thấp vì các thiết bị này sử dụng truyền thông vệ tinh mà tạithời điểm đó chi phí rất đắt đỏ Hai nhà phát mình đã đặt ra các tiêu chí cụ thể chogiao thức MQTT :

• Khả năng thực hiện đơn giản

• Truyền dữ liệu với sự đảm bảo

• Giao thức nhẹ và sử dụng băng thông hiệu quả

• Không thể dự đoán dữ liệu

• Khả năng nhận thức các phiên MQTT liên tiếp

Những mục tiêu này vẫn là cốt lõi của giao thức MQTT hiện tại Tuy nhiên, trọngtâm chính của giao thức đã thay đổi từ các hệ thống nhúng độc quyền sang cáctrường hợp sử dụng Internet of Things (IoT) mở Sau này, giao thức MQTT đượcchuẩn hoá bởi tổ chức OASIS vào năm 2013 Giao thức MQTT được sử dụng để kết

nối các thiết bị nhúng, các mạng truyền thông với các ứng dụng hoặc phần mềmtrung gian Quá trình kết nối sử dụng cơ chế định tuyến (một-một, một-nhiều,nhiều-nhiều), làm cho MQTT trở thành giao thức kết nối tối ưu cho các hệ thốngIoT và M2M Giao thức MQTT hoạt động trên nền giao thức TCP, nó vận chuyểncác bản tin theo ba mức chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau Giao thức MQTT cómột biến thể là giao thức MQTT-SN (hay còn gọi là MQTT-S) dành cho các mạngcảm biến không dây Khác với giao thức MQTT, giao thức MQTT-SN hoạt độngtrên nền giao thức UDP và sử dụng cờ định danh (ID) thay cho tên của các chủ đề.Các phiên bản hiện tại của giao thức MQTT và MQTT-SN tương ứng là v5.0 vàv1.2 Tuy nhiên, đối với giao thức MQTT, phiên bản v3.1.1 vẫn đang được sử dụngrộng rãi nhất

Hình 2.6: Các tiêu chuẩn MQTT được phát triển bởi IBM và EROTECH.

Kiến trúc giao thức

MQTT sử dụng mô hình Client-Server, trong đó, các Clients (ví dụ các thiết bịIoT như cảm biến, cơ cấu chấp hành, v.v.) kết nối tới một server (được gọi làBroker) trên nền giao thức TCP MQTT được coi là giao thức định hướng bản tin,

và nó sử dụng các “chủ đề” thay thế cho địa chỉ (ví dụ địa chỉ IP, cổng) mà bản tinđược gửi đến Giao thức MQTT bao gồm 2 thành phần chính: MQTT Client, MQTTBroker, phiên MQTT, khối đăng kí, và các chủ đề

Hình 2.7: Kiến trúc của giao thức MQTT

Một thiết bị có thể theo dõi nhiều chủ đề khác nhau, và nó sẽ nhận được tất cảcác bản tin được xuất bản tới các chủ đề đó.

Hình 2.8: Mô hình Xuất bản/Theo dõi.

Hình 2.9: Publisher và Subscriber.

MQTT Broker

MQTT Broker là một thiết bị trung tâm chịu trách nhiệm xử lý truyền thông giữacác MQTT Client và phân phát các bản tin giữa chúng dựa vào các chủ đề màchúng theo dõi Một Broker có khả năng xử lý hàng ngàn thiết bị kết nối tới nó tạicùng một thời điểm Dựa trên bản tin nhận được, Broker sẽ xác định và tìm kiếm tất

cả các thiết bị đã theo dõi tới chủ đề của bản tin đó và sẽ chuyển các bản tin tới cácthiết bị đó Một nhiệm vụ khác của Broker là xác thực và uỷ quyền cho các Client

Vì mọi tin nhắn đều đi qua Broker nên nó phải có khả năng mở rộng cao, có thể tíchhợp vào các hệ thống Backend, dễ dàng giám sát và có khả năng chống lỗi

Phiên MQTT

Một phiên MQTT được định nghĩa là toàn bộ quá trình Client được kết nối đếnServer Tất cả các hoạt động truyền thông giữa Client và Server đều được diễn ratrong phiên MQTT Có hai loại phiên MQTT được định nghĩa trong giao thức

MQTT là thường trực và không thường trực được bởi thiết lập cờ cleanSession

2.3 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MQTT

Mô hình Xuất bản/Theo dõi

Mô hình Xuất bản/Theo dõi thay thế cho kiến trúc Client-server truyền thống Ở

mô hình Client-server, các Client sẽ giao tiếp trực tiếp với server Trong khi đó, môhình Xuất bản/Theo dõi sẽ tách riêng Client gửi bản tin (publisher) với các Clientnhận bản tin (subscriber) Nói cách khác là publisher và subscriber không bao giờgiao tiếp trực tiếp với nhau, thậm chí chúng còn không biết đến sự tồn tại của nhau.Kết nối giữa chúng được thực hiện bởi thành phần thứ ba là Broker Như mô tả ởtrên, Broker sẽ làm nhiệm vụ lọc tất cả các bản tin đến và phân phát tới chính xáccác Client đã theo dõi các topic chứa các bản tin đó

Hình 2.10: Ví dụ về mô hình Xuất bản/Theo dõi

Các đặc tính của mô hình Xuất bản/Theo dõi như sau

Khả năng tách rời các MQTT Client

Đặc tính quan trọng nhất của mô hình Xuất bản/Theo dõi là tách rời publisher vàsubscriber theo các hướng:

Tách rời về mặt không gian: Publisher và subscriber không cần biết nhau, ví dụ,chúng không cần trao đổi địa chỉ IP và cổng Để xuất bản hoặc nhận các bản tin,publisher và subscriber chỉ cần biết địa chỉ IP hoặc hostname và cổng của Broker.Tách rời về mặt thời gian: Publisher và subscriber không cần phải hoạt độngcùng một thời điểm Mặc dù trong hầu hết các trường hợp thì giao thức MQTT sẽthực hiện việc gửi tin nhắn xấp xỉ theo thời gian thực Tuy nhiên, nếu muốn thì giaothức MQTT cũng có thể lưu trữ các bản tin cho các Client đang không hoạt động,

và nó sẽ gửi các bản tin lưu trữ tới các Client khi chúng hoạt động trở lại Hai điềukiện cần thiết để thực hiện việc lưu trữ các bản tin là Client phải kết nối với mộtphiên MQTT liên tục và theo dõi một chủ đề có QoS > 0

Bất đồng bộ: Giao thức MQTT hoạt động một cách bất đồng bộ Hầu hết các thưviện dành cho Client đề hoạt động không đồng bộ dựa trên các hàm callback hoặc

mô hình tương tự, do đó, các hoạt động khác của Client không bị gián đoạn bởi việcchờ bản tin đến hoặc xuất bản bản tin

Khả năng mở rộng

Khả năng mở rộng của mô hình Xuất bản/Theo dõi là tốt hơn so với mô hìnhClient/Server Đó là vì Broker có khả năng thực hiện song song một lượng lớn cáctác vụ và các bản tin được xử lý theo kiểu hướng sự kiện Việc lưu đệm các bản tin

và định tuyến thông mình là yếu tố quyết định để cải thiện khả năng mở rộng Tuynhiên, việc mở rộng lên đến hang triệu kết nối vẫn là một thách thức đối với MQTT.Với số lượng lớn kết nối như vậy cần một cụm các Broker kết nối với nhau để thựchiện chia sẻ tải sử dụng cân bằng tải

• Lọc theo nội dung: Broker lọc các bản tin dựa trên bộ lọc nội dung cụ thể.Các Client theo dõi các truy vấn của các bản tin mà nó quan tâm Một nhượcđiểm của phương pháp này là nội dung của bản tin phải được biết trước và

nó không thể mã hoá hoặc thay đổi một cách dễ dàng

• Lọc theo loại bản tin

2.4 QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA MQTT

2.4.1 Thiết lập kết nối và đăng kí theo dõi

Giao thức MQTT chạy trên nền TCP/IP Cả Client và Broker đều cần sử dụngTCP/IP stack Kết nối MQTT luôn luôn được thực hiện giữa một Client và Broker.Các Client không bao giờ kết nối trực tiếp với nhau Để khởi tạo kết nối, Client sẽgửi một bản tin CONNECT đến Broker Ngược lại, khi nhận được bản tinCONNECT từ Client, Broker sẽ phản hồi một bản tin CONNACK chứa mã phảnhồi Một khi kết nối được thiết lập, Broker sẽ giữ cho kết nối luôn luôn mở cho đếnkhi Client gửi một gói tin DISCONNECT để ngắt kết nối

Trong nhiều trường hợp, MQTT Broker thường được đặt trên mạng Internet do

đó nó có địa chỉ công cộng, trong khi đó, MQTT Client thường được đặt ở phía sau

bộ định tuyến, có sử dụng tính năng NAT để đổi địa chỉ riêng thành địa chỉ côngcộng Đồng thời, Broker luôn giữ kết nối mở để cho phép việc gửi và nhận các bảntin Do đó, việc các Client được đặt sau bộ định tuyến có thể kết nối tới Broker bìnhthường mà không có bất kỳ hạn chế nào

Có 2 quy trình thiết lập phiên MQTT và đăng kí theo dõi:

• Đăng kí ngắn hạn, tương ứng với cờ cleanSession = 1

• Đăng kí dài hạn, tương ứng với cờ cleanSession = 0

Quy trình thiết lập phiên MQTT và đăng kí theo dõi với cờ cleanSession = 1

Quy trình thiết lập phiên MQTT và đăng kí với cờ cleanSession = 1 (đăng kíngắn hạn) bao gồm các bước sau (Hình 1.11):

• Client và Broker thiết lập kết nối qua giao thức TCP

• Client gửi gói tin CONNECT yêu cầu kết nối đến Broker với cờcleanSession = 1 Đây là thời điểm đánh dấu phiên MQTT được thiết lập