(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc

(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc

1

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài luận văn cao học “Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động

hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc” là kết quả nghiên cứu của chính học viên Phạm

Thế Bẩy, lớp cao học Kỹ thuật viễn thông K17 – Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông, ĐHTN Đề tài được học viên thực hiện dựa trên sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn

Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình

Thái Nguyên, năm 2020

Học viên

Phạm Thế Bẩy

Trước tiên, học viên xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn khoa học TS Hoàng Quang Trung, đã tận tình hướng dẫn học viên trong suốt thời gian thực hiện đề tài luận văn này

Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô là giảng viên Khoa Công nghệ Điện tử

và Truyền thông, các phòng chức năng, Trường đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông, ĐHTN, đã tạo điều kiện về mặt thời gian, địa điểm nghiên cứu, cơ sở vật chất cho học viên

Để hoàn thành đề tài luận văn này, tác giả cũng xin được cảm ơn các thành viên của nhóm nghiên cứu thuộc đề tài khoa học công nghệ, mã số: ĐH2018-TN07-02

Trong bài luận, chắc hẳn không thể tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót,

tác giả mong muốn sẽ nhận được nhiều đóng góp quý báu đến từ các quý thầy cô và bạn đọc để đề tài được hoàn thiện hơn nữa và có ý nghĩa thiết thực áp dụng trong thực tiễn cuộc sống

Xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, năm 2020

Học viên

Phạm Thế Bẩy

3

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ viết tắt Chú giải (viết đầy đủ)

4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

CHƯƠNG 1 CÁC MẠNG IOT VÀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 8

1.1 Giới thiệu về internet vạn vật 8

1.2 Các mô hình triển khai ứng dụng IoT 10

1.2.1 Nhà thông minh và tự động hóa trong các tòa nhà 10

1.2.2 Thành phố thông minh 11

1.2.3 Lưới điện thông minh 12

1.2.4 Ứng dụng IoT trong công nghiệp 13

1.2.5 Nông trại thông minh (Smart Farm) 15

1.3 Nền tảng hỗ trợ dịch vụ IoT của các mạng thông tin di động 17

1.3.1 Các mạng di động có khả năng hỗ trợ IoT 17

1.3.2 Phân loại các chuẩn IoT di động 19

1.4 Nền tảng dịch vụ IoT đám mây (Cloud) 20

1.5 Kiến trúc REST: Web of things 22

1.6 Hạ tầng mạng di động hỗ trợ dịch vụ IoT tại Việt Nam 23

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT CÁ THỂ BÒ TRÊN NỀN TẢNG IOT 25

2.1 Thiết kế mô hình hệ thống tổng thể 25

2.2 Lựa chọn giao thức kết nối thông tin 26

2.2.1 Mạng cảm biến không dây 26

2.2.2 Phương thức kết với máy chủ sử dụng MQTT 45

2.3 Phương pháp thu thập và xử lý dữ liệu 45

2.3.1 Chuẩn hóa dữ liệu 45

5

2.3.2 Thuật toán phân loại hành vi các thể bò 49

CHƯƠNG 3 THỰC THI HỆ THỐNG GIÁM SÁT CÁ THỂ BÒ 54

3.1 Giải pháp thực thi hệ thống 54

3.2 Thiết bị phần cứng 57

3.2.1 Lựa chọn thiết bị 57

3.2.2 Thuật toán đọc và truyền dữ liệu 61

3.3 Thử nghiệm với thuật toán phân loại hành vi cá thể bò 61

3.4 Thực thi hệ thống giám sát từ xa theo thời gian thực 64

3.4.1 Thiết kế giao diện và thiết lập cấu hình hệ thống 64

3.4.2 Truyền dữ liệu giám sát 66

3.5 Đánh giá tính khả thi của hệ thống 67

KẾT LUẬN 68

PHỤ LỤC 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

6

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô tả tương tác của mạng lưới thiết bị kết nối Internet 8

Hình 1.2 Minh họa ứng dụng nhà thông minh và tự động hóa tòa nhà 11

Hình 1.3 Các thành phần của Thành phố thông minh 12

Hình 1.4 Kiến trúc điển hình của IIoT 15

Hình 1.5 Minh họa mô hình triển khai nông trại thông minh 16

Hình 1.6 Các phát hành hỗ trợ IoT của 3GGP [2] 18

Hình 1.7 Phân loại các hệ thống IoT 19

Hình 1.8 Các thông số hoạt động của eMTC, NB-IoT và EC-GSM-IoT 20

Hình 1.9 Minh họa kiến trúc nền tảng IoT dựa trên đám mây 21

Hình 1.10 Lộ trình triển khai hạ tầng dịch vụ IoT của Viettel tại Việt Nam 23

Hình 1.11 Tổng thể giải pháp triển khai hạ tầng dịch vụ IoT của Viettel [6] 24

Hình 2.1 Sơ đồ tổng thể hệ thống mạng giám sát cá thể bò 25

Hình 2.2 Minh họa các mạng cảm biến vô tuyến 27

Hình 2.3 Kiến trúc mạng Zigbee 29

Hình 2.4 Mô hình mạng Zigbee 30

Hình 2.5 Minh họa tô-pô mạng của IEEE 802.15.4 33

Hình 2.6 Kiến trúc mạng WPAN 34

Hình 2.7 Cấu trúc siêu khung 37

Hình 2.8 Cấu trúc khung chỉ báo 37

Hình 2.9 Cấu trúc khung dữ liệu 38

Hình 2.10 Cấu trúc khung báo nhận 39

Hình 2.11 Cấu trúc khung điều khiển MAC 39

Hình 2.12 Các thành phần của mạng LoRaWAN 42

Hình 2.13 Bộ thu phát vô tuyến Adafruit RFM96W LoRa, 433 MHz 43

Hình 2.14 Minh họa một piconet 44

Hình 2.15 Chuẩn hóa giá trị trục X 47

Hình 2.16 Chuẩn hóa giá trị trục Y 47

Hình 2.17 Chuẩn hóa giá trị trục Z 48

7

Hình 2.18 Dữ liệu gia trốc theo ba trục X, Y, Z tương ứng với các hành vi của bò

49

Hình 2.19 Thuật toán Cây quyết định cho phân loại hành vi bò 50

Hình 2.20 Đường cong ROC để nhận ngưỡng A, B1, B2 52

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống thu thập dữ liệu và phân loại hành vi cá thể bò 54

Hình 3.2 Mô hình truyền dữ liệu giám sát cá thể bò 55

Hình 3.3 Sơ đồ khối thiết bị gắn trên cổ bò 56

Hình 3.4 Sơ đồ khối thiết bị gateway node 56

Hình 3.5 Minh họa hoạt động thu thập dữ liệu để gắn nhãn hành vi các thể bò 57

Hình 3.6 Module MPU-6050 58

Hình 3.7: (a) Sơ đồ chân PIC18F4520, (b) IC PIC18F4520 59

Hình 3.8 Module thu phát LoRA 60

Hình 3.9 Minh hoạ Kit Arduino nano 60

Hình 3.10 Đọc và truyền dữ liệu 61

Hình 3.11 Vị trí của node cảm biến trên cổ bò 62

Hình 3.12 Hình ảnh thiết bị cảm biến thực tế 62

Hình 3.13 Các mẫu dữ liệu về gia tốc thu nhận được cho hai trạng thái 62

Hình 3.14 Dữ liệu đo thực nghiệm về gia tốc các trục X, Y, Z cho bốn trạng thái 63 Hình 3.15 Các giá trị VeDBA, SCAY tướng ứng với bốn hoạt động 64

Hình 3.16 Giao diện hệ thống giám sát từ xa 65

Hình 3.17 Lưu đồ ràng buộc dữ liệu 65

Hình 3.18 Cửa sổ giám sát các thông số liên quan đến hoạt động các thể bò 66

Hình 3.19 Hệ thống thử nghiệm truyền dữ liệu giám sát hoạt động cá thể bò 66

8

CHƯƠNG 1 CÁC MẠNG IOT VÀ THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Giới thiệu về internet vạn vật

Internet vạn vật (IoT: Internet of things), hay cụ thể hơn là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet, là một liên mạng, trong đó các thiết bị, phương tiện vận tải (được gọi là "thiết bị kết nối" và "thiết bị thông minh"), phòng ốc và các trang thiết bị khác được nhúng với các bộ phận điện

tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu [1]

Hình 1.1 Mô tả tương tác của mạng lưới thiết bị kết nối Internet

Năm 2013, tổ chức IoT-GSI đinh nghĩa IoT là "hạ tầng cơ sở toàn cầu phục

vụ cho xã hội thông tin, hỗ trợ các dịch vụ (điện toán) chuyên sâu thông qua các vật thể (cả thực lẫn ảo) được kết nối với nhau nhờ vào công nghệ thông tin và truyền thông hiện hữu được tích hợp", và với mục đích ấy, một "vật" là "một thứ trong thế giới thực (vật thực) hoặc thế giới thông tin (vật ảo), mà vật đó có thể được nhận dạng và được tích hợp vào một mạng lưới truyền thông"

Hệ thống IoT cho phép vật được cảm nhận hoặc được điều khiển từ xa thông

qua hạ tầng mạng hiện hữu, tạo cơ hội cho thế giới thực được tích hợp trực tiếp hơn vào hệ thống điện toán, hệ quả là hiệu năng, độ tin cậy và lợi ích kinh tế được tăng cường bên cạnh việc giảm thiểu sự can dự của con người Khi IoT được gia cố cảm biến và cơ cấu chấp hành, công nghệ này trở thành một dạng thức của hệ thống ảo-thực với tính tổng quát cao hơn, bao gồm luôn cả những công nghệ như điện lưới

kỷ nguyên tự động hóa trong hầu hết các ngành, từ những ứng dụng chuyên sâu như điện lưới thông minh, mở rộng tới những lĩnh vực khác như thành phố thông minh

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 với sự trợ giúp của công nghệ hiện hữu, các thiết bị này thu thập dữ liệu hữu ích rồi sau đó tự động truyền chúng qua các thiết bị khác Các ví dụ hiện thời trên thị trường bao gồm nhà thông minh được trang bị những tính năng như kiểm soát và tự động bật tắt đèn, lò sưởi (giống như bộ ổn nhiệt thông minh), hệ thống thông gió, hệ thống điều hòa không khí, và

dữ liệu này hiệu quả hơn Internet vạn vật hiện nay là một trong các nền tảng của thành phố thông minh, và các hệ thống quản lý năng lượng thông minh

1.2 Các mô hình triển khai ứng dụng IoT

1.2.1 Nhà thông minh và tự động hóa trong các tòa nhà

Khi thị trường nhà thông minh (smart home) được nhìn nhận để đầu tư và

không ngừng phát triển, ngày càng có nhiều ứng dụng tự động hóa trong các tòa nhà xuất hiện, mỗi ứng dụng được thiết kế cho một đối tượng cụ thể Kết quả là hình thành một số phân khúc thị trường riêng biệt Các ứng dụng điển hình có xu hướng phát triển liên quan đến vấn đề về an ninh tòa nhà, hiệu quả năng lượng và tiết kiệm năng lượng Nhờ có những đổi mới trong điều khiển thiết bị đền chiếu sáng và các gian phòng của toàn nhà, IoT sẽ thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các ứng dụng cho hoạt động tự động hóa tòa nhà Một ví dụ điển hình của tự động hóa trong ngôi nhà là ứng dụng IoT cho lĩnh vực chăm sóc sức khỏe gia đình, cụ thể là giải pháp trợ giúp IoT đối với những người ít di chuyển (người già) hay người khuyết tật hoặc mãn tính (theo dõi sức khỏe từ xa và theo dõi chất lượng không khí)

Nhìn chung, các giải pháp tự động hóa trong các tòa nhà đang bắt đầu hội tụ

và cũng đang chuyển từ các ứng dụng hiện tại sang trọng, bảo mật và tiện nghi, sang một loạt các ứng dụng và giải pháp được kết nối; điều này sẽ tạo ra các cơ hội

về thị trường ứng dụng IoT Trong khi các giải pháp nhà thông minh ngày nay chưa

có sự hội tụ, các ứng dụng IoT được mong chờ để hướng tới một mức độ tương tác mới giữa các giải pháp nhà thương mại và tòa nhà Một số mô hình triển khai ứng dụng nhà thông minh và tự động hóa trong các tòa nhà được minh họa như trong Hình 1.2 [2]

11

Hình 1 2 Minh họa ứng dụng nhà thông minh và tự động hóa tòa nhà

1 2.2 Thành phố thông minh

Thành phố thông minh (smart cities) là hệ sinh thái phức tạp, trong đó chất

lượng cuộc sống là một mối quan tâm quan trọng Trong môi trường đô thị như vậy,

người dân, công ty và cơ quan công quyền trải nghiệm các nhu cầu và yêu cầu cụ thể trong các lĩnh vực như chăm sóc sức khỏe, truyền thông, năng lượng và môi

trường, an toàn và dịch vụ công cộng Một thành phố được nhận thức ngày càng giống như một “sinh vật” đơn lẻ, mà cần phải được giám sát một cách hiệu quả để cung cấp cho công dân thông tin chính xác

Các công nghệ IoT là nền tảng để thu thập dữ liệu về tình trạng thành phố và phổ biến chúng cho công dân Trong bối cảnh này, các thành phố và khu vực đô thị đại diện cho một khối quan trọng khi nói đến việc định hình nhu cầu về các dịch vụ dựa trên IoT

12

Hình 1 3 Các thành phần của Thành phố thông minh

1.2.3 Lưới điện thông minh

Lưới thông minh (smart grid) là lưới điện bao gồm các hệ thống vận hành, trong đó phải kể đến như đồng hồ thông minh, thiết bị thông minh, tài nguyên năng

lượng tái tạo và tài nguyên tiết kiệm năng lượng Truyền thông trên đường dây điện (PLC) liên quan đến việc sử dụng cáp điện hiện có để vận chuyển dữ liệu và đã được xem xét trong một thời gian dài Các tiện ích điện đã sử dụng công nghệ này trong nhiều năm để gửi hoặc nhận (với số lượng hạn chế) dữ liệu trên lưới điện hiện

có

Mặc dù truyền thông trên đường dây tải điện hầu như bị hạn chế bởi môi trường lan truyền, người ta có thể sử dụng hệ thống dây dẫn hiện có trong mạng phân phối Theo các tiêu chuẩn và quy định của liên minh Châu Âu (EU), các công

ty tiện ích điện có thể sử dụng PLC để truyền dữ liệu tốc độ bit thấp (với tốc độ dữ

liệu thấp hơn 50 Kbps) trong dải tần số từ 3 kHz đến 148 kHz Công nghệ này mở

ra những cơ hội mới và các dạng thức tương tác mới giữa con người và mọi thứ trong nhiều lĩnh vực ứng dụng, như các dịch vụ đo đạc thông minh và báo cáo tiêu thụ năng lượng Điều này làm cho PLC trở thành một công cụ hỗ trợ cho cảm biến, điều khiển và tự động hóa trong các hệ thống lớn trải rộng trên các khu vực tương

13

đối rộng, chẳng hạn như trong thành phố thông minh và các trường hợp của lưới điện thông minh Ngoài PLC, người ta cũng có thể áp dụng các công nghệ cho phép cải thiện các quy trình tự động hóa thông minh, như IoT Chẳng hạn, việc áp dụng công nghệ PLC trong bối cảnh công nghiệp (ví dụ: điều khiển từ xa trong các công

ty sản xuất và tự động hóa), mở ra hướng phát triển cho ứng dụng IoT trong công nghiệp Một số ứng dụng đã được phát triển bởi công nghệ PLC để phục hồi từ các thay đổi mạng (về mặt sửa chữa và cải tiến, loại bỏ vật lý và chức năng truyền tải) giảm thiểu sự đứt quãng đối với truyền dẫn tín hiệu

Tuy nhiên, ai cũng biết rằng các đường dây tải điện là khác xa so với các kênh lý tưởng để truyền dữ liệu (do sự thay đổi bên trong về vị trí, thời gian, dải tần

và loại thiết bị được kết nối với đường dây này) Kết quả là ngày càng nhận được nhiều giới quan tâm đến việc áp dụng chung các mô hình IoT và PLC để cải thiện hiệu lực của truyền thông trên đường dây tải điện Điều này đã dẫn đến gợi ý sử dụng các thiết bị nhỏ, tài nguyên hạn chế (cụ thể là IoT), với khả năng tính toán phổ biến và các giải pháp tiêu chuẩn hóa internet (như đề xuất của các tổ chức tiêu chuẩn hóa Internet, chẳng hạn IETF, ETSI và W3C) Các hệ thống như vậy có thể là thành phần chính để thực hiện lưới điện thông minh trong tương lai

1.2.4 Ứng dụng IoT trong công nghiệp

Internet vạn vật công nghiệp (IIoT) mô tả IoT được sử dụng trong các ngành công nghiệp như sản xuất, hậu cần, dầu khí, vận tải, năng lượng / tiện ích, khai thác

mỏ và kim loại, hàng không và các ngành khác Những ngành này đại diện cho phần lớn tổng sản phẩm quốc nội trong số các quốc gia G20 IIoT vẫn còn ở giai đoạn đầu, tương tự như thời điểm Internet mới phát triển vào cuối những năm 1990 Trong khi sự phát triển của Internet tiêu dùng trong hai thập kỷ qua cho thấy một số bài học quan trọng, thì IIoT vẫn chưa được vận dụng một cách rõ ràng, do phạm vi

và yêu cầu riêng biệt của nó Ví dụ, vấn đề đáp ứng yêu cầu thời gian thực thường rất quan trọng trong sản xuất, năng lượng, vận tải và chăm sóc sức khỏe: yêu cầu thời gian thực đối với internet ngày nay thường vào khoảng một vài giây, trong khi thời gian thực được yêu cầu cho các máy công nghiệp vào cỡ một vài mili giây (tức

14

cỡ 1/1000 giây) Một vấn đề quan trọng nữa đó là yêu cầu về độ tin cậy Internet ngày nay thể hiện một cách tiếp cận tốt nhất đối với người dùng, đáp ứng được yêu cầu đối với hoạt động thương mại điện tử hoặc tương tác giữa các người dùng Tuy nhiên, các sự cố của lưới điện, hệ thống kiểm soát không lưu hoặc một nhà máy tự động sẽ gây ra hậu quả nghiêm trọng hơn nhiều Hiện nay, có rất nhiều các công ty, tập đoàn trên thế giới và chính phủ của nhiều nước chú trọng đến IIoT:

- Chính phủ Đức đang tài trợ cho Công nghiệp 4.0, một sáng kiến chiến lược kéo dài nhiều năm, tập hợp các nhà lãnh đạo từ các lĩnh vực công và tư nhân cũng

như từ viện đào tạo để có được tầm nhìn toàn diện và kế hoạch hành động cho việc

áp dụng công nghệ kỹ thuật số vào lĩnh vực công nghiệp của nước Đức

- Các quốc gia châu Âu khác thiết lập các dự án chuyển đổi công nghiệp của riêng mình, trong đó IIoT chiếm vị trí trung tâm, như Nhà máy thông minh (Hà Lan), Công nghiệp 4.0 (Ý), Công nghiệp tương lai (Pháp) và các dự án khác

- Trung Quốc gần đây cũng đã đưa ra chiến lược “Made in China 2025” của

họ để thúc đẩy khả năng tích hợp các công nghệ số và công nghiệp hóa trong nước

Khi IIoT đang trên đà phát triển, một trong những điểm nghẽn lớn nhất phải đối mặt là không thể chia sẻ thông tin giữa các thiết bị thông minh mà có thể nói bằng các “ngôn ngữ” khác nhau Khoảng cách giao tiếp này bắt nguồn từ nguyên nhân do có nhiều giao thức được sử dụng trong môi trường nhà máy Vì vậy, trong khi bạn có thể đặt cảm biến trên máy để thu thập dữ liệu, khả năng đẩy thông tin đó qua mạng và cuối cùng là “nói chuyện” với các hệ thống khác thì khó khăn hơn một chút Do đó, tiêu chuẩn hóa là một khía cạnh quan trọng của IIoT Hình 1.4 dưới đây minh họa kiến trúc điển hình của IIoT Trong đó, có ba phân mảng chính: tính toán biên (edge), kết nối mạng (network) và tính toán đám mây (cloud)

15

Hình 1.4 Kiến trúc điển hình của IIoT

1.2.5 Nông trại thông minh (Smart Farm)

Nông nghiệp thời hiện đại đang phải đối mặt với những thách thức to lớn để

có thể tạo ra sự phát triển bền vững tương lai, trên các khu vực khác nhau của thế giới Điển hình đó là sự gia tăng về dân số, đô thị hóa, môi trường ngày càng xuống cấp, xu hướng tiêu thụ protein động vật ngày càng tăng, yêu cầu về thực phẩm cũng thay đổi do dân số già và yếu tố di cư, và tất nhiên là bao gồm cả sự biến đổi về khí hậu Do vậy, một nền nông nghiệp hiện đại cần được phát triển, đặc trưng bởi việc

áp dụng các quy trình sản xuất, công nghệ và công cụ, có được từ những tiến bộ khoa học hay từ kết quả của các hoạt động nghiên cứu và phát triển

Nông nghiệp chính xác hay nông nghiệp thông minh là một lĩnh vực có cơ hội lớn nhất để phát triển/chuyển đổi kỹ thuật số, nhưng cho đến nay, sự thâm nhập vào lĩnh vực này vẫn ở mức thấp nhất đối với các giải pháp số hóa

16

Hình 1.5 Minh họa mô hình triển khai nông trại thông minh

Ngành nông nghiệp sẽ trở nên quan trọng hơn bao giờ hết trong vài thập kỷ tới Nó có thể thu được lợi ích to lớn từ việc sử dụng các cảm biến môi trường và mặt đất, các ứng dụng theo dõi thời tiết, tự động hóa để áp dụng chính xác hơn trong hoạt động tưới tiêu, phân bón và thuốc trừ sâu (do đó giảm lãng phí tài nguyên thiên nhiên) và áp dụng các chiến lược lập lịch để bảo trì

Nông nghiệp thông minh đã trở nên phổ biến, nhờ áp dụng các công nghệ mới, như máy bay không người lái và mạng cảm biến (để thu thập dữ liệu) và nền tảng đám mây (để quản lý dữ liệu được thu thập) Tập hợp các công nghệ được sử dụng trong nông trại thông minh cũng phức tạp như các hoạt động được vận hành bởi người nông dân, người trồng trọt và các bên liên quan khác trong lĩnh vực này

Có rất nhiều ứng dụng khả thi: giám sát chăn nuôi, nuôi cá, chăm sóc và bảo vệ rừng, canh tác trong nhà, và nhiều hơn nữa Tất cả các công nghệ liên quan đều xoay quanh khái niệm về IoT và nhằm mục đích hỗ trợ nông dân trong quá trình ra quyết định của họ thông qua các hệ thống hỗ trợ quyết định Chúng liên quan đến

dữ liệu thời gian thực ở mức độ chi tiết mà trước đây không thể có được

Công nghệ truyền thông là một thành phần chính của các ứng dụng nông nghiệp thông minh Đặc biệt, các công nghệ truyền thông không dây rất hấp dẫn, vì

17

sự giảm thiểu và đơn giản hóa đáng kể so với hệ thống liên quan sử dụng dây dẫn Các tiêu chuẩn không dây khác nhau đã được thiết lập Người ta có thể nhóm chúng thành hai loại chính, tùy thuộc vào phạm vi hay khoảng cách truyền dẫn:

 Truyền thông trên khoảng cách ngắn (short range), bao gồm các tiêu chuẩn:

- IEEE 802.11 (sử dụng cho các mạng WLAN hay Wi-Fi)

ZigBee/6LoWPAN), được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng trong đo đạc thông số

và tự động hóa các hoạt động

 Truyền thông trên khoảng cách dài (long range):

Bao gồm các công nghệ truyền thông IoT mà ngày càng trở lên quan trọng, như là LoRA, hoạt động ở băng tần cỡ 868 – 870 MHz Các tốc độ truyền dẫn dữ liệu thương mại này (chỉ vào cỡ một vài trăm kbps) là để đạt được khoảng cách truyền dẫn dài hơn

1.3 Nền tảng hỗ trợ dịch vụ IoT của các mạng thông tin di động

1.3.1 Các mạng di động có khả năng hỗ trợ IoT

IoT và công nghệ truyền thông di động đang hợp nhất với nhau và đặc biệt là trong các công nghệ truyền thông di động tương lai Có nhiều ý tưởng mới đưa ra trong kiến trúc và thiết kế ban đầu sao cho các dịch vụ và ứng dụng IoT có thể được

hỗ trợ một cách hoàn hảo Ví dụ, trong truyền thông di động 5G (sắp tới đây sẽ được triển khai đồng loạt), giao tiếp kiểu máy (machine) đã được phát triển để hỗ trợ IoT theo nhiều cách khác nhau Ngoài ra, mạng di động 5G tổng thể cũng được chia thành các mục tiêu ứng dụng IoT cụ thể Quan tâm đến tất cả những vấn đề này, theo quy luật phát triển thì IoT và mạng truyền thông di động cần phải được nghiên cứu đồng bộ

Nhìn chung, nhóm tiêu chuẩn hóa đang dẫn đầu vấn đề này là 3GPP Đây là

Dự án đối tác Thế hệ thứ ba và có bảy nhóm tiêu chuẩn hóa viễn thông đang xây dựng các tiêu chuẩn cho truyền thông mạng di động Các tiêu chuẩn 3GPP được xây dựng theo các phiên bản khác nhau Phát hành Re.8 và các tiêu chuẩn theo sau bao gồm khả năng hỗ trợ IoT [2] Theo bản phát hành 8, chúng ta có LTE (Long-

18

Evolution Evolution), là tiêu chuẩn truyền thông di động thế hệ thứ tư (4G) loại một (Cat 1) Có thể thấy sự phát triển của phiên bản tiêu chuẩn này, trong đó có LTE-MTC (viết tắt của giao tiếp loại máy, MTC: Machine Type Communications) Nghĩa là các ứng dụng dịch vụ IoT đang được hỗ trợ Ngoài ra, trong phiên bản Re.8 còn có LP-WAN, là công nghệ mạng diện rộng công suất thấp Theo đó, có GSM-MTC, đó là MTC dựa trên hệ thống thông tin di động toàn cầu, và trong tiêu chuẩn này, đây là một chế độ khác của công nghệ truyền thông di động tế bào, một công nghệ truyền thông di động GSM rất phổ biến sẽ được sử dụng để hỗ trợ các ứng dụng IoT Quan tâm tới cách mà các tiêu chuẩn phát triển, có thể thấy rằng từ các tiêu chuẩn LTE Cat.1, chúng đang được hợp nhất và hỗ trợ các tiêu chuẩn LTE-MTC và sự phát triển tiếp tục trở thành LTE Cat M1 là tiêu chuẩn eMTC Điều này hiện đang đạt đến phiên bản Re.14 và hơn thế nữa đó là một tiêu chuẩn truyền thông

di động tế bào thế hệ thứ năm (5G)

Hình 1.6 Các phát hành hỗ trợ IoT của 3GGP [2]

Các nhà sản xuất thiết bị và mô-đun IoT có thể cần chú ý đến hỗ trợ toàn cầu cho các mạng 2G hoặc 3G Cả mạng 2G và 3G đều chậm hơn 4G, với cơ sở hạ tầng hiện tại mà chi phí của nó là cao hơn LTE 4G Điều này làm cho 2G và 3G trở

sở hạ tầng 2G hoặc 3G vì lưu lượng truy cập giảm dần, cùng với người dùng Các nhà mạng di động nhận thấy việc chi phí để giữ cho các mạng hoạt động không còn hiệu quả khi lượng người dùng nhiều nhất đang hướng tới 5G

1.3.2 Phân loại các chuẩn IoT di động

Theo ITU, các hệ thống IoT được phân vào hai nhóm chính [3]: (i) Các tiêu chuẩn không thuộc 3GPP và (ii) Các tiêu chuẩn do 3GPP định nghĩa Hình 1.7 dưới đây chỉ ra tên của các hệ thống IoT khác nhau

Hình 1.7 Phân loại các hệ thống IoT

Trong bản phát hành R.13, 3GPP đã thực hiện một nỗ lực lớn để giải quyết thị trường IoT Danh mục công nghệ mà các nhà khai thác 3GPP hiện nay có thể sử dụng để giải quyết các yêu cầu thị trường khác nhau của họ bao gồm [4]:

trên công việc đã bắt đầu trong bản phát hành-12 (UE Cat 0, chế độ tiết kiệm năng

lượng mới: PSM)

 NB-IoT: Thành phần vô tuyến mới được bổ sung cho nền tảng LTE tối ưu

20

đối với phân khúc thị trường mức thấp

 EC-GSM-IoT: Những cải tiến của EGPRS kết hợp với PSM giúp các thị

trường GSM/EDGE chuẩn bị sẵn sàng cho IoT

Bản phát hành Re.3 sau đó ngừng phát triển và công việc bổ sung đang được tiến hành cho bản phát hành R.14 Các thông số hoạt động của ba tiêu chuẩn IoT nói trên được thể hiện như trong Hình 1.8

Hình 1.8 Các thông số hoạt động của eMTC, NB-IoT và EC-GSM-IoT

1.4 Nền tảng dịch vụ IoT đám mây (Cloud)

Ở thời điểm ban đầu, phương pháp tiếp cận đơn giản được áp dụng để tạo kết nối giữa các thiết bị IoT với nhau: bằng cách dựa vào sự sẵn có của các dịch vụ đám mây, tất cả những gì cần làm là kết nối mọi thứ với Internet (thông qua mạng di động hoặc trong nhiều trường hợp thông qua một cổng kết nối Internet) và gửi tất cả

dữ liệu lên đám mây Dịch vụ đám mây khi đó sẽ cung cấp một cơ sở lưu trữ cho tất

cả dữ liệu được gửi bởi các thiết bị từ một phía, và giao diện dựa trên HTTP để khách hàng truy cập (thông qua trình duyệt hoặc ứng dụng di động cụ thể của nhà cung cấp) từ phía khác Tất cả các nhà cung cấp dịch vụ đám mây lớn (như được minh họa trong Hình 1.9), như Amazon và Microsoft, hiện đã tham gia vào thị

trường này và phát hành nền tảng IoT trên nền tảng đám mây của riêng họ

21

Hình 1.9 Minh họa kiến trúc nền tảng IoT dựa trên đám mây

Bộ ứng dụng AWS IoT của Amazon và Azure IoT của Microsoft có lẽ là những nền tảng IoT đám mây phổ biến nhất [1] Các nền tảng IoT trên đám mây này cho phép các nhà sản xuất dễ dàng triển khai các ứng dụng của họ mà không yêu cầu họ phải đầu tư phát triển thêm tài nguyên để thực thi một hệ thống phụ trợ

Mặc dù rõ ràng dễ thực hiện và rất hiệu quả về chi phí, cách tiếp cận này đã tạo ra sự hiểu lầm rằng IoT có thể được xây dựng đơn giản bằng cách kết nối mọi thứ với Internet Đây là điều kiện tiên quyết cho IoT nhưng thực sự không đủ để tạo

ra một mạng lưới các thiết bị kết nối trên toàn thế giới Thế hệ phần cứng và phần mềm đầu tiên liên quan này đã xuất hiện một số vấn đề vì không chú ý đến việc phát triển một thiết kế dài hạn mà nó thực sự sẽ kiểm soát mạng, cũng như không tính đến các yếu tố như dưới đây:

- Khả năng mở rộng: Số lượng thiết bị IoT dự kiến sẽ đạt 50 tỷ vào năm

2020 Hiện tại, với hàng trăm triệu thứ, mọi thứ đều hoạt động, nhưng các mạng và dịch vụ đã sẵn sàng để xử lý lưu lượng được tạo ra bởi hàng tỷ thứ chưa?

- Độ khả dụng: Điều gì xảy ra nếu kết nối Internet tạm thời hoặc vĩnh viễn

không khả dụng? Dựa vào đám mây sẽ khiến dịch vụ không khả dụng

- Khả năng tương tác: Tất cả các ứng dụng trên thiết bị kết nối đám mây

không cho phép tương tác trực tiếp giữa những thứ được tạo ra bởi các nhà sản xuất khác nhau Khả năng tương tác chỉ có thể xảy ra ở cấp độ đám mây, thông qua tích

22

hợp hệ thống của chính dữ liệu, nếu dữ liệu đó được cung cấp cho các ứng dụng bên ngoài

- Tính b ảo mật: Mặc dù việc truy cập vào các dịch vụ đám mây có thể được

thực hiện theo cách truyền thống (cấp quyền và xác thực thông tin), những kẻ tấn công có thể khai thác kẽ hở trên đám mây để truy cập trái phép một lượng lớn dữ liệu riêng tư hoặc thực hiện một cuộc tấn công DoS để ngăn người dùng truy cập dữ liệu của họ

- Sự phát triển của hệ thống: Các ứng dụng trên thiết bị kết nối đám mây

thường cần phải gắn chắc thông tin vào “các vật” (đóng vai trò là máy khách), do đó làm cho chúng không trở nên linh hoạt đối với các thay đổi ở phía máy chủ Bất kỳ cập nhật hoặc nâng cấp nào trong chức năng máy chủ đều có thể có tác động phá hủy đối với hoạt động của “mọi vật”, sau đó có thể yêu cầu nâng cấp phần mềm / phần sụn để thay đổi cách chúng vận hành (giả sử, điểm kết cuối mà chúng hướng tới hoặc định dạng dữ liệu mà chúng sử dụng)

Các giải pháp dựa trên đám mây sẽ không bao giờ biến mất, ít nhất là sớm hơn bất cứ lúc nào Tuy nhiên, cách tiếp cận này không thể là kiến trúc tham chiếu cho một IoT phát triển và tiến hóa

1.5 Kiến trúc REST: Web of things

Một cách tiếp cận đầy hứa hẹn đang được đưa vào IoT đó là ý tưởng xây dựng theo cách tương tự như Internet Có một số lý do để sử dụng cách tiếp cận dựa trên web trong IoT Web đã tồn tại trong nhiều thập kỷ và mang lại rất nhiều lợi ích

Kể từ khi được triển khai vào năm 1991, World Wide Web đã phát triển mạnh mẽ

và trở thành cơ sở hạ tầng để lưu trữ tài liệu, tài nguyên và để xây dựng các ứng dụng phân tán Các khía cạnh quan trọng nhất của việc sử dụng web là tham chiếu tài nguyên thông qua các thẻ định danh tài nguyên thống nhất (URIs) và sử dụng

giao thức truyền tải siêu văn bản (HTTP) làm giao thức lớp ứng dụng cho các hệ thống điều khiển đa phương tiện Cùng với hai trụ cột chính này, các tiêu chuẩn và công nghệ thiết yếu khác đã được phát triển, như Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản (HTML) cho các tài liệu web, trình duyệt web và máy chủ web

23

Khi web ngày càng trở nên phổ biến, các trình duyệt đã tích hợp hành vi động thông qua Javascript và Cascading Stylesheets (CSS) Sau nhiều năm, HTTP cho đến nay là thư viện phần mềm và giao thức lớp ứng dụng phổ biến nhất thực hiện các giao thức web có sẵn (máy chủ web, máy khách HTTP, v.v.) cho bất kỳ ngôn ngữ lập trình nào Các cách xây dựng ứng dụng web được biết đến và sử dụng rộng rãi: áp dụng các cách tiếp cận tương tự cho IoT do đó có thể tận dụng chuyên môn của các nhà phát triển hiện tại Hơn nữa, web đã minh chứng cho phạm vi hoạt động cực kỳ tốt: điều này cực kỳ quan trọng đối với IoT, nơi hàng tỷ thiết bị được kết nối dự kiến sẽ hoạt động IoT có thể hưởng lợi rất nhiều từ tất cả kinh nghiệm thu được trong quá trình phát triển web và do đó việc sử dụng một kiến trúc tương

tự dường như là một lựa chọn thiết kế khôn ngoan

1.6 Hạ tầng mạng di động hỗ trợ dịch vụ IoT tại Việt Nam

Hiện nay, Viettel là nhà mạng di động đầu tiên tại Việt Nam triển khai thành công dịch vụ IoT Ngày 12/9/2019, Viettel đã phát sóng 1.000 trạm sử dụng công nghệ NB-IoT, phủ kín 100% địa bàn TP Hồ Chí Minh hỗ trợ kết nối Internet cho vạn vật và đưa thành phố này trở thành địa phương đầu tiên trên cả nước phủ sóng IoT diện rộng [5] Viettel cho biết, sóng NB-IoT của Viettel phủ 100% thủ đô với số lượng trạm tương tự TP Hồ Chí Minh, tính đến thời điểm hiện tại (năm 2020) Lộ trình triển khai dịch vụ IoT di động của Viettel Group như trong Hình 1.10

Hình 1.10 Lộ trình triển khai hạ tầng dịch vụ IoT của Viettel tại Việt Nam

Song song với quá trình xây dựng cơ sở hạ tầng mạng lưới cho IoT, hiện nay, Viettel đang đẩy nhanh tiến độ triển khai nền tảng (platform) để sớm cung cấp hệ

ở đâu, bao gồm cả những vị trí thách thức nhất như hầm tòa nhà, đường hầm hay khu vực nông thôn, miền núi, hải đảo Công nghệ NB-IoT được Viettel thiết kế, phát triển trên hạ tầng 4G hiện có bao gồm cả trạm gốc, ăng ten và băng tần được cấp phép

thấp cho IoT) với ưu điểm vùng phủ rộng, tiết kiệm pin, chi phí kết nối thiết bị thấp

và cho phép một lượng lớn các thiết bị có thể kết nối tới mạng Bức tranh tổng thể về giải pháp IoT được Viettel sử dụng như thể trong Hình 1.11 dưới đây:

Hình 1.11 Tổng thể giải pháp triển khai hạ tầng dịch vụ IoT của Viettel [6]

Sink node/

Gateway

2.5G/3G/4G/5G

LTE-M

Hình 2.1 Sơ đồ tổng thể hệ thống mạng giám sát cá thể bò

Như được chỉ ra trong Hình 2.1, phía mạng cảm biến bao gồm các node cảm biến được gắn trực tiếp trên cá thể bò và node Sink/Gateway để tổng hợp dữ liệu trực tiếp, và chuyển tiếp dữ liệu về máy chủ đám mây thông qua mạng internet Các giao thức truyền thông có thể sử dụng trong mạng cảm biến là: Bluethooth, Zigbee, LoRA, Trong khi giao tiếp giữa node Sink/Gateway với phía mạng internet có thể lựa chọn để sử dụng sóng Wifi hoặc sóng di động (2.5/3G/4G/5G) Máy chủ đám mây có vai trò lưu trữ, tính toán xử lý dữ liệu, hiển thị thông báo, cảnh báo dựa trên các kịch bản được thiết lập thông qua một nền tảng hỗ trợ IoT mã nguồn mở Ví dụ

26

như máy chủ Thingsboard Ngoài ra, các kết quả xử lý dữ liệu còn được chuyển tới trang web để người dùng có thể quan sát được trên các phương tiện như máy tính

hay smart phone

2.2 Lựa chọn giao thức kết nối thông tin

2.2.1 Mạng cảm biến không dây

Mặc dù nhiều cảm biến kết nối trực tiếp với bộ điều khiển và trạm xử lý (ví dụ: sử dụng mạng cục bộ), ngày càng nhiều cảm biến truyền dữ liệu được thu thập không dây đến trạm xử lý tập trung Điều này rất quan trọng vì nhiều ứng dụng mạng yêu cầu hàng trăm hoặc hàng nghìn nút cảm biến, thường được triển khai ở các khu vực xa xôi và không thể tiếp cận Do đó, một cảm biến không dây không chỉ có một thành phần cảm biến, mà còn có khả năng xử lý, truyền thông và lưu trữ tại chỗ Với những cải tiến này, một nút cảm biến thường không chỉ chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu mà còn phân tích trong mạng, tương quan và hợp nhất dữ liệu cảm biến và dữ liệu từ các nút cảm biến khác Khi nhiều cảm biến hợp tác với nhau để giám sát các môi trường cụ thể lớn, chúng tạo thành một mạng cảm biến không dây (WSN)

Các nút cảm biến không chỉ truyền thông với nhau mà còn truyền thông với một trạm cơ sở/trạm gốc (BS) thông qua khối thu phát vô tuyến, nhằm gửi dữ liệu cảm biến của chúng đến các hệ thống xử lý, quan sát, phân tích và lưu trữ từ xa Ví

dụ, Hình 2.1 cho thấy hai khu vực cảm biến theo dõi hai vùng địa lý khác nhau và kết nối với Internet bằng các trạm cơ sở của chúng Khả năng của các nút cảm biến trong WSN có thể rất khác nhau, nghĩa là, các nút cảm biến đơn giản có thể theo dõi một hiện tượng vật lý đơn lẻ, trong khi các thiết bị phức tạp hơn có thể kết hợp nhiều kỹ thuật cảm biến khác nhau (ví dụ: âm thanh, quang học, từ tính) Chúng cũng có thể khác nhau về khả năng giao tiếp, ví dụ, sử dụng các công nghệ siêu âm, hồng ngoại hoặc tần số vô tuyến với tốc độ dữ liệu và độ trễ khác nhau

27

Hình 2.2 Minh họa các mạng cảm biến vô tuyến

Trong khi các cảm biến đơn giản chỉ có thể thu thập và truyền thông tin về môi trường quan sát, các thiết bị cảm biến công suất lớn hơn (nghĩa là, các thiết bị

có khả năng xử lý, năng lượng và lưu trữ lớn hơn) cũng có thể thực hiện thêm các chức năng xử lý và tổng hợp dữ liệu Các thiết bị như vậy thường đảm nhận thêm trách nhiệm trong WSN, ví dụ, chúng có thể hình thành các đường trục kết nối thông tin cho các thiết bị cảm biến hạn chế tài nguyên khác sử dụng để tiếp cận trạm gốc Ngoài ra, một số thiết bị cảm biến có thể được tích hợp thêm các công nghệ khác nhau, ví dụ: các máy thu GPS, cho phép chúng xác định chính xác vị trí của chúng

 Mạng Zigbee

- Lược sử phát triển

Khi các mạng ZigBee bắt đầu được quan tâm đến vào năm 1998, mọi người nhận ra rằng bên cạnh các mạng yêu cầu tốc độ dữ liệu cao, có nhiều mạng không dây yêu cầu độ trễ thấp và tiêu thụ năng lượng thấp nhưng tốc độ dữ liệu không cao, chẳng hạn như mạng điều khiển hoặc mạng cảm biến Các chỉ tiêu kỹ thuật của phiên bản ZigBee 1.0 được phát hành vào ngày 14 tháng 12 năm 2004, để hỗ trợ phần nào cho những yêu cầu đó Mạng ZigBee thực sự là một tiêu chuẩn được xác

- Kiến trúc mạng:

Chồng giao thức ZigBee như minh họa trong Hình 2.3, lớp PHY và lớp MAC được xác định theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 ZigBee Alliance xây dựng trên nền tảng này, cung cấp lớp mạng (NWK) và nền tảng cho các tiêu chuẩn lớp ứng dụng, bao gồm lớp con hỗ trợ ứng dụng (APS), các đối tượng thiết bị ZigBee (ZDO) và các đối tượng ứng dụng do nhà sản xuất xác định [7]

- Lớp mạng: được xây dựng dựa trên các tính năng của IEEE 802.15.4 MAC

để cho phép khả năng mở rộng vùng phủ sóng Cụm bổ sung có thể được thêm vào; mạng có thể được hợp nhất hoặc chia nhỏ Lớp ZigBee NWK chủ yếu chịu trách nhiệm thiết lập một kết nối mạng mới và rời khỏi một mạng, định cấu hình ngăn xếp để hoạt động khi một thiết bị mới tham gia vào mạng, gán địa chỉ cho thiết bị đang tham gia mạng, hoạt động này do điều phối viên thực hiện, định tuyến dung

dữ liệu đến các đích của chúng, cho phép thiết bị đồng bộ hóa với thiết bị khác thông qua việc truy tìm các chỉ thị thông báo hay thăm dò, và áp dụng các hoạt động bảo mật

- Lớp ứng dụng: bao gồm lớp con APS và ZDO Về mặt logic, nó bao gồm

các ứng dụng do nhà sản xuất xác định, có thể là phần cứng hoặc phần mềm Lớp con APS cung cấp các dịch vụ khai thác và ràng buộc Discovery được sử dụng để

29

phát hiện các thiết bị đang hoạt động trong phạm vi của nó Liên kết được sử dụng

để kết hợp hai hoặc nhiều thiết bị với nhau và chuyển tiếp tin nhắn giữa các thiết bị liên kết

Hình 2.3 Kiến trúc mạng Zigbee

- Mô hình mạng Zigbee

Mạng ZigBee hỗ trợ ba cấu trúc liên kết mạng: cấu trúc liên kết hình sao, cấu trúc liên kết ngang hàng và cấu trúc liên kết cây cụm Hình 2.4 cho thấy ba cấu trúc liên kết đó Mạng hình sao phù hợp với các yêu cầu đơn giản với mức tiêu thụ điện năng thấp Mạng ngang hàng có khả năng tin cậy mức độ cao và cung cấp nhiều đường dẫn khác nhau trong mạng Cấu trúc liên kết cây cụm thực sự chỉ sử dụng cấu trúc liên kết hình sao lai và cấu trúc liên kết ngang hàng, mang lại lợi ích cho cả mức độ tin cậy cao và hỗ trợ cho các nút nguồn pin

Có thể thấy trước rằng, tùy thuộc vào ứng dụng, phạm vi dài hơn với tốc độ

dữ liệu thấp hơn có thể là một sự thỏa hiệp chấp nhận được Mục đích của dự án này là hướng tới mức tồn tại đồng thời với các thiết bị không dây khác liên hợp với

LR-WPAN là một mạng truyền thông đơn giản, chi phí thấp, cho phép kết nối không dây trong các ứng dụng có công suất hạn chế và yêu cầu thông lượng vừa phải Các mục tiêu chính của LR-WPAN là dễ cài đặt, truyền dữ liệu đáng tin cậy, tầm hoạt động ngắn, chi phí cực thấp và tuổi thọ pin hợp lý trong khi vẫn duy trì một giao thức đơn giản và linh hoạt Một số đặc điểm bao gồm:

31

o Tốc độ dữ liệu vô tuyến 250 kb/s, 40 kb/s và 20 kb/s

o Hoạt động kiểu ngang hàng hoặc hình sao

o Được phân bổ địa chỉ ngắn 16 bit hoặc mở rộng 64 bit

o Phân bổ các khe thời gian bảo vệ (GTS)

o Sử dụng kỹ thuật đa truy câp cảm nhận sóng mang với cơ chế tránh xung đột (CSMA-CA)

o Giao thức truyền thông điệp được sử dụng để mang lại độ tin cậy truyền dẫn

o Tiêu thụ năng lượng thấp

o Có cơ chế phát hiện năng lượng (ED)

o Sử dụng LQI (Chỉ báo chất lượng liên kết)

o 16 kênh ở băng tần 2450 MHz, 10 kênh ở băng tần 915 MHz và 1 kênh ở

băng tần 868 MHz

Hai kiểu thiết bị khác nhau có thể tham gia vào mạng LR-WPAN Một FFD (thiết bị đầy đủ chức năng) và một thiết bị chức năng hạn chế (RFD) FFD có thể hoạt động ở ba chế độ phục vụ như một bộ điều phối PAN (mạng khu vực cá nhân), một bộ điều phối hoặc một thiết bị FFD có thể thông tin với RFD hoặc các FFD khác, trong khi RFD chỉ có thể thông tin với FFD RFD dành cho các ứng dụng cực

kỳ đơn giản, chẳng hạn như công tắc đèn hoặc cảm biến hồng ngoại thụ động Chúng không cần gửi một lượng lớn dữ liệu và có thể chỉ kết hợp với một FFD duy nhất tại một thời điểm Do đó, RFD có thể được thực hiện bằng cách sử dụng tài nguyên và dung lượng bộ nhớ tối thiểu

Công nghệ liên kết mạng:

Tùy thuộc vào các yêu cầu ứng dụng, LR-WPAN có thể hoạt động trong một trong hai cấu trúc liên kết: cấu trúc liên kết hình sao hoặc cấu trúc liên kết ngang hàng Trong cấu trúc liên kết hình sao, truyền thông được thiết lập giữa các thiết bị

và một bộ điều khiển trung tâm duy nhất, được gọi là bộ điều phối PAN Một thiết

bị thường có một số ứng dụng liên quan và là điểm khởi tạo hoặc điểm kết thúc cho các truyền thông trong mạng Bộ điều phối PAN cũng có thể có một ứng dụng cụ thể, nhưng nó có thể được sử dụng để bắt đầu, kết thúc hoặc định tuyến truyền

32

thông trong mạng Bộ điều phối PAN là bộ điều khiển chính của PAN Tất cả các thiết bị hoạt động trên một mạng cấu trúc liên kết sẽ có địa chỉ mở rộng 64-bit duy nhất Địa chỉ này có thể được sử dụng để truyền thông trực tiếp trong PAN hoặc nó

có thể được trao đổi để lấy một địa chỉ ngắn do bộ điều phối PAN cấp phát khi thiết

bị kết hợp

Bộ điều phối PAN có thể được cấp nguồn chính, trong khi các thiết bị rất có thể sẽ được cấp nguồn bằng pin Các ứng dụng đạt được lợi ích từ cấu trúc liên kết hình sao bao gồm tự động hóa gia đình, thiết bị ngoại vi máy tính cá nhân (PC), đồ

chơi và trò chơi cũng như chăm sóc sức khỏe cá nhân Cấu trúc liên kết ngang hàng cũng có bộ điều phối PAN Tuy nhiên, nó khác với cấu trúc liên kết hình sao ở chỗ bất kỳ thiết bị nào cũng có thể truyền thông với thiết bị khác miễn là chúng nằm trong phạm vi truyền dẫn của nhau

Cấu trúc cơ bản của mạng hình sao có thể được chỉ ra như trong Hình 2.5 Sau khi FFD được kích hoạt lần đầu tiên, FFD có thể thiết lập mạng riêng và trở thành bộ điều phối PAN Tất cả các mạng có tô-pô dạng sao hoạt động độc lập với tất cả các mạng tô-pô sao khác hiện đang hoạt động Điều này đạt được bằng cách chọn một bộ nhận dạng PAN, hiện không được sử dụng bởi bất kỳ mạng nào khác trong dải nhiễu của truyền dẫn vô tuyến Khi bộ nhận dạng PAN được chọn, bộ điều phối PAN có thể cho phép các thiết bị khác tham gia vào mạng của nó Cả hai loại thiết bị FFD và RFD đều có thể tham gia vào mạng

Trong cấu trúc liên kết ngang hàng, mỗi một thiết bị có khả năng truyền thông với bất kỳ thiết bị nào đó trong phạm vi ảnh hưởng vô tuyến của nó Ví dụ, một thiết

bị sẽ được chỉ định làm bộ điều phối PAN, vì là thiết bị đầu tiên truyền thông trên kênh Các cấu trúc mạng khác có thể được xây dựng theo cấu trúc liên kết ngang hàng và có thể áp đặt các hạn chế cấu trúc liên kết đối với việc hình thành mạng

33

Hình 2.5 Minh họa tô-pô mạng của IEEE 802.15.4

Một ví dụ về việc sử dụng cấu trúc liên kết truyền thông ngang hàng là cây cụm Mạng cụm cây là một trường hợp đặc biệt của mạng ngang hàng trong đó hầu hết các thiết bị là FFD RFD có thể kết nối với mạng cây cụm như một nút rời ở cuối nhánh, vì nó chỉ có thể kết hợp với một FFD tại một thời điểm Bất kỳ FFD nào cũng có thể hoạt động như một bộ điều phối và cung cấp dịch vụ đồng bộ hóa cho các thiết bị khác hoặc bộ điều phối khác Chỉ một trong những bộ điều phối này

có thể là bộ điều phối PAN tổng thể, có thể có tài nguyên tính toán lớn hơn bất kỳ thiết bị nào khác trong PAN

Bộ điều phối PAN tạo thành cụm đầu tiên bằng cách tự thiết lập là CLH (đầu cụm) với CID (định danh cụm) bằng 0, chọn mã nhận dạng PAN không sử dụng và phát các khung báo hiệu đến các thiết bị lân cận Một thiết bị ứng viên nhận được khung báo hiệu có thể yêu cầu tham gia mạng tại CLH Nếu bộ điều phối PAN cho phép thiết bị tham gia, nó sẽ thêm thiết bị mới làm thiết bị con trong danh sách hàng xóm của nó Sau đó, thiết bị mới được tham gia sẽ thêm CLH làm cha mẹ của nó trong danh sách hàng xóm của nó và bắt đầu truyền các báo hiệu định kỳ Các thiết bị ứng cử viên khác sau đó có thể tham gia mạng tại thiết bị đó Nếu thiết bị ứng cử viên ban đầu không thể tham gia mạng tại CLH, nó sẽ tìm kiếm một thiết bị cha khác

Dạng đơn giản nhất của mạng cụm cây là một mạng cụm đơn lẻ, nhưng các mạng lớn hơn có thể bằng cách tạo thành một lưới gồm nhiều cụm lân cận Khi một

34

ứng dụng hoặc yêu cầu mạng được xác định trước được đáp ứng, bộ điều phối PAN

có thể hướng dẫn một thiết bị trở thành CLH của một cụm mới liền kề với cụm đầu tiên Các thiết bị khác dần dần kết nối và tạo thành cấu trúc mạng đa cụm

Kiến trúc mạng:

Kiến trúc LR-WPAN được định nghĩa theo một số khối để đơn giản hóa tiêu chuẩn Các khối này được gọi là các lớp Mỗi lớp chịu trách nhiệm về một phần của tiêu chuẩn và cung cấp dịch vụ cho các lớp cao hơn Các giao diện giữa các lớp dùng

để xác định các liên kết logic được mô tả trong tiêu chuẩn này Thiết bị LR-WPAN bao gồm PHY, chứa bộ thu phát RF (tần số vô tuyến) cùng với cơ chế điều khiển mức thấp của nó và phân lớp MAC cung cấp quyền truy cập vào kênh vật lý cho tất

cả các loại truyền thông tin Hình 2.6 cho thấy các khối này dưới dạng biểu diễn đồ họa Các lớp trên bao gồm một lớp mạng, cung cấp cấu hình mạng, thao tác và định tuyến tin nhắn, và một lớp ứng dụng, cung cấp chức năng dự định của thiết bị

Hình 2.6 Kiến trúc mạng WPAN

Định nghĩa của các lớp trên nằm ngoài phạm vi của tiêu chuẩn này IEEE 802.2 Loại 1 LLC (điều khiển liên kết logic) có thể truy cập phân lớp MAC thông qua SSCS (phân lớp hội tụ dịch vụ xác định) Kiến trúc LR-WPAN có thể được triển khai dưới dạng thiết bị nhúng hoặc thiết bị yêu cầu sự hỗ trợ của thiết bị bên ngoài như PC

35

Lớp vật lý (PHY):

PHY cung cấp hai dịch vụ: dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản lý PHY giao tiếp với PLME (thực thể quản lý lớp vật lý) Dịch vụ dữ liệu PHY cho phép truyền và nhận PPDU (đơn vị dữ liệu giao thức PHY) qua kênh vô tuyến vật lý Các tính năng của PHY là kích hoạt và hủy kích hoạt bộ thu phát vô tuyến, ED (Phát hiện năng lượng máy thu), LQI, lựa chọn kênh, CCA (đánh giá kênh rõ ràng) và truyền cũng như nhận các gói tin qua môi trường vật lý Khối vô tuyến sẽ hoạt động

ở một trong các băng tần không cấp phép sau đây,

o 868: 868,6 MHz (Châu Âu)

o 2400: 2483,5 MHz (Toàn thế giới)

một phần của thuật toán chọn kênh Đây là ước tính của công suất tín hiệu nhận được trong băng thông của kênh IEEE 802.15.4 Không có nỗ lực nào được thực hiện để xác định hoặc giải mã các tín hiệu trên kênh Thời gian ED phải bằng 8 khoảng thời gian ký hiệu (symbol) Khi nhận được một gói tin, PHY sẽ gửi độ dài

LQI là một đặc trưng của độ mạnh tín hiệu và/hoặc chất lượng của một gói tin nhận được Phép đo có thể được thực hiện bằng cách sử dụng ED của máy thu, ước tính tín hiệu trên nhiễu hoặc kết hợp các phương pháp này Việc sử dụng kết quả LQI tùy thuộc vào mạng hoặc các lớp ứng dụng CCA được thực hiện theo ít nhất một trong ba phương pháp sau

o Năng lượng trên ngưỡng: CCA sẽ báo cáo môi trường bận khi phát hiện bất kỳ năng lượng nào trên ngưỡng ED

o Cảm nhận sóng mang duy nhất: CCA sẽ thông báo môi trường truyền dẫn bận khi thăm do được tín hiệu có đặc tính điều chế và trải tần của IEEE 802.15.4 Tín hiệu này có thể ở trên hoặc dưới ngưỡng ED

o Cảm nhận sóng mang với năng lượng trên ngưỡng: CCA sẽ thông báo môi trường truyền dẫn bận khi phát hiện ra tín hiệu có đặc tính điều chế và trải tần của IEEE 802.15.4 có năng lượng trên ngưỡng ED