XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT THỜI TIẾT DỰA TRÊN NỀN TẢNG IoT Chuyên ngành :Khoa học máy tính LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hiện nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ đặc biệt dựa trên nền tảng Internet of Things thì việc thu thập dữ liệu và truyền về máy chủ tập trung đã trở nên dễ dàng hơn, đáp ứng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

BÙI HỒNG DŨNG

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT THỜI TIẾT

DỰA TRÊN NỀN TẢNG IoT

Chuyên ngành :Khoa học máy tính

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tác giả

Bùi Hồng Dũng

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 4

1.1 Internet of things 4

1.1.1 Một số khái niệm 4

1.1.2 Các vấn đề kỹ thuật liên quan đến IoT 6

1.1.3 Kết nối các thiết bị di động và xác định vị trí 8

1.2 Hệ thống cảm biến môi trường Tinkerforge 14

1.2.1 Một số khái niệm về Tinkerforge 14

1.2.2 Các ưu điểm của cảm biến Tinkerforge 15

1.2.3 Các thông số kỹ thuật cơ bản của Bricks 17

1.3 Tổng quan về điện toán đám mây dành cho IoT của Microsoft 20

1.3.1 Giải pháp IoT trên nền điện toán đám mây của Microsoft 20

1.3.2 Trung tâm xử lý dịch vụ hỗ trợ các thiết bị IoT 23

1.4 Một số hệ thống giám sát thời tiết hiện nay 26

1.4.1 Davis 6250 Vantage Vue 26

1.4.2 Ambient Weather WS-1001 Wifi 26

1.4.3 Các hệ thống giám sát thời tiết sử dụng nền tảng IoT 26

Chương 2 - ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP 28

2.1 Giới thiệu bài toán 28

2.2 Mô hình đề xuất 29

2.3 Đề xuất hệ thống phần cứng 30

2.3.1 Master Brick 30

2.3.2 Hệ thống cảm biến môi trường: 31

2.3.3 Hệ thống hiển thị số liệu 36

2.4 Đề xuất cách kết nối các cảm biến 37

2.4.1 Brick Deamon 37

2.4.2 Cách kết nối các hàm API của cảm biến 38

2.4.3 Brick MQTT Proxy và quản lý Brick bằng Rasberry PI 40

2.5 Giới thiệu cách gởi dữ liệu lên AZURE IoT Suite 41

2.5.1 Cấu trúc của giải pháp IoT trên Azure 41

2.5.2 Quản lý thiết bị IoT bằng Azure IoT Hub 42

2.5.3 Tiếp nhận và xử lý dữ liệu từ thiết bị IoT 46

Chương 3 - PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG 49

3.1 Lựa chọn công cụ phát triển 49

3.1.1 Xây dựng hệ thống và kết nối các cảm biến 49

3.1.2 Cấu hình và lựa chọn các ngôn ngữ lập trình 51

3.2 Phát triển các module chương trình 51

3.2.1 Hiển thị dữ liệu lên màn hình LCD 51

3.2.2 Hiển thị dữ liệu lên màn hình máy vi tính 53

3.2.3 Gởi dữ liệu lên Azure IoT Hub và hiển thị trên Power BI 54

3.3 Thử nghiệm và đánh giá 60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) Error! Bookmark not defined. PHỤ LỤC 65

TÓM TẮT LUẬN VĂN

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT THỜI TIẾT

DỰA TRÊN NỀN TẢNG IoT

Học viên: Bùi Hồng Dũng Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 60.48.01 Khóa: K31 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt: Khái niệm Internet of Things (IoT) đang ngày càng trở nên phổ biến và được

ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống, là một phần không thể thiếu trong Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 Cùng với đó, khi mà sự biến đổi về thời tiết đang diễn ra một lúc một phức tạp, yêu cầu cần có những phương pháp thu thập dữ liệu đủ tốt, đủ lớn và thời gian thực để có thể tiến hành phân tích và đưa ra dự đoán một cách gần chính xác nhất tình hình thời tiết là một nhu cầu cấp thiết

Nếu như trước đây việc thu thập dữ liệu dựa vào các thiết bị điện tử chuyên dùng đặt cách xa nhau, sau đó theo một lịch trình sẵn có để tiến hành thu thập số liệu

và phân tích Trong luận văn này, sẽ nghiên cứu và đưa ra một giải pháp nhằm kết nối các cảm biến môi trường, số hóa dữ liệu và tận dụng hạ tầng mạng sẵn có để tiến hành trao đổi dữ liệu lên nền tảng điện toán đám mây một cách nhanh nhất Từ đó có thể sử dụng các dữ liệu đã thu thập được ở các trạm giám sát để phục vụ cho các nhu cầu khác nhau trong cuộc sống

Từ khóa: Internet of things, cảm biến thời tiết, điện toán đám mây, Microsoft Azure

IoT Hub

BUILDING THE WEATHER MONITORING SYSTEM

USING IoT PLATFORM

Abstract: Nowadays, the concept about Internet of Things are more public and very

useful in many kind of life It is an indispensable part of the Age we offen call “The Fourth Industrial Revolution” And the climate change pose are more complexility, it affect the life, the food and mankind Therefore, we need to have useful methods to collect data correctly, much quantity and realtime to analysic and predict the weather

is the most exactly

As before, to received data we need a specialized equipment in Weather Station location in a difference areas and get it in schedule by hand, calculated base on some algorithm model to forcast the weather In this Thesis, we will research and resolved the problem to interlinks enviroment sensors, digitizing the collect data and transform base on the Internet, storage and analytics in the cloud in quickest way We collectively describe as the ‘Internet of Things’ will continue an ages-old trend of new technology to serve many kind on businesses, industry, government, and society more broadly

Key words: Internet of Things, weather sensor, cloud computing, Microsoft Azure

IoT Hub

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CÁC KÝ HIỆU:

Lux Đơn vị cường độ ánh sáng

Mbar Đơn vị đo áp suất khí quyển

RH Đơn vị đo độ ẩm khí quyển

0C Đơn vị đo nhiệt độ khí quyển

CÁC CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG ANH:

IoT Internet of Things

M2M Machine to Machine

MQTT Message Queuing Telemetry Transport

3.4 Kết quả kiểm tra dữ liệu môi trường phòng làm việc, tốc độ gió quạt 61 3.5 Kết quả kiểm tra dữ liệu môi trường ngoài trời, tốc độ gió tự nhiên 61 3.6 Kết quả kiểm tra dữ liệu môi trường trên nhà cao tầng 61

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.1 Lịch sử phát triển của các công nghệ thiết bị di động 08

1.3 Bảng điều khiển hiển thị giải pháp IoT điển hình 23

2.16 Tiến trình Reboot và Reset thiết bị trong Azure IoT Hub 45

2.18 Quá trình cập nhật firmware của thiết bị trong IoT Hub 46 2.19 Quá trình báo cáo tiến trình và trạng thái 46 3.20 Danh sách cảm biến kết nối hiển thị bởi Brick Viewer 50

3.23 Khởi tạo thiết bị đồng bộ trên Azure Portal 56

3.26 Quá trình khởi tạo một luồng phân tích dữ liệu 59 3.27 Dữ liệu được trích xuất ra Power BI của Microsoft 60 3.28 Hình ảnh hệ thống giám sát thời tiết thực tế 61

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, với sự gia tăng dân số và phát triển kinh tế của con người đã tác động vào môi trường một lượng khí thải vô cùng lớn, kèm theo đó là việc suy giảm diện tích cây xanh đã làm cho bầu khí quyển trái đất ngày càng nóng lên Chính sự biến đổi khí hậu diễn ra ngày càng nghiêm trọng làm băng tan, nước biển dâng cao, dẫn đến nhiều hiện tượng bất thường của thời tiết như bão lũ và hạn hán diễn ra phức tạp Điển hình

là cơn bão Miriane vào tháng 7 năm 2016 tuy cường độ không mạnh nhưng đã gây ra thiệt hại vô cùng lớn cho khu vực phía Bắc và Tây Bắc Bộ Thậm chí nhiều địa phương không nằm trong tâm bão như Hà Nội mà vẫn chịu ảnh hưởng, thiệt hại không nhỏ Nguyên nhân chính là việc cảnh báo biến đổi thời tiết ở Việt Nam vẫn chủ yếu sử dụng các thiết bị, kỹ thuật chưa hiện đại, dẫn đến nhiều sai số, khiến kết quả dự báo bị

sai lệch so với thực tế công tác dự báo chưa chính xác và kịp thời dẫn đến sự chủ quan

trong việc phòng và chống bão lũ

Ở các nước tiên tiến trên thế giới như: Hàn Quốc, Nhật Bản, Thái-lan có thể đưa ra các cảnh báo, dự báo gần đúng nhất vì có một mạng lưới ra-đa, hệ thống quan trắc tự động dày đặc, phủ kín lãnh thổ, thu thập các dữ liệu thông qua cảm biến được gắn trên các thiết bị như: máy bay, phao cứu sinh trên biển, khí cầu, vệ tinh Số liệu

sẽ liên tục được truyền về hệ thống thông qua mạng Internet hoặc vệ tinh trong vòng chưa tới một phút Ngay cả việc giải mã, phân tích cũng được siêu máy tính thực hiện, các dự báo viên chỉ là người tiếp nhận và đưa ra quyết định Tại Việt Nam, hiện nay, việc dự báo sẽ mất nhiều thời gian do vẫn làm bằng phương thức "thủ công" Tức là để đưa ra một bản tin dự báo thời tiết, các quan trắc viên trực tiếp thực hiện việc thu thập thông tin tại hiện trường, sau đó mã hóa và gửi đi (mất gần 30 phút) Khi tiếp nhận được thông tin, hệ thống sẽ giải mã, đưa lên các mô hình dự báo, các dự báo viên sẽ phân tích và đưa ra các cảnh báo dựa trên số liệu nhận được Mặt khác, để tăng xác suất dự báo, số liệu quan trắc của từng quốc gia sẽ được đưa vào mô hình để đồng hóa các số liệu cho phù hợp Nhưng, ở Việt Nam, mỗi trạm quan trắc chỉ có thể quan sát, ghi nhận thông tin trong bán kính khoảng 20 km Khoảng cách giữa hai trạm lại cách nhau từ 50 km đến 100 km, như vậy ít nhất 60 km giữa hai trạm không thể nắm được thông tin, diễn biến chính xác các hiện tượng đang xảy ra Số lượng trạm quan trắc rất

ít, dẫn đến việc quan trắc không đầy đủ, cho nên mặc dù đã có tất cả các mô hình hiện đại trên thế giới, nhưng kết quả dự báo ở các mô hình vẫn chưa đủ độ tin cậy, cho nên

số liệu có độ chính xác thấp

Như vậy, để đảm bảo công tác việc dự báo thời tiết được chính xác và kịp thời thì cần có ba yếu tố chính là “Công nghệ - Mạng lưới trạm quan sát và Hệ thống xử lý thông tin” Chúng ta sẽ cần có một hệ thống các trạm quan sát thời tiết với số lượng

nhiều và dày đặt Các cảm biến đo được các thông số môi trường cần thiết phục vụ công tác dự báo Dữ liệu được truyền về trung tâm được nhanh chóng và kịp thời

Hiện nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ đặc biệt dựa trên nền tảng Internet of Things thì việc thu thập dữ liệu và truyền về máy chủ tập trung đã trở nên

dễ dàng hơn, đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của việc giám sát thông tin thời tiết như giám sát được dữ liệu thời gian thực, hoạt động tự động, sử dụng năng lượng thấp… Do đó để hỗ trợ cho việc quan trắc dữ liệu thời tiết được dễ dàng và dữ liệu

được tập trung thì tôi chọn đề tài “Xây dựng hệ thống giám sát thời tiết dựa trên

nền tảng IoT” Với hy vọng giải pháp này được triển khai thực tế góp phần tăng

cường được khả năng dự báo thời tiết được chính xác và kịp thời, giảm bớt các rủi ro

và thiệt hại về tài sản cũng nhưng con người trong lương lai

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là xây dựng hệ thống giám sát thời tiết sử dụng các cảm biến môi trường và truyền tải hệ thống dữ liệu đã ghi nhận được sử dụng nền tảng Internet of things

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài này bao gồm các thành phần sau:

- Các cảm biến vật lý ghi nhận được các thông số môi trường

- Hệ thống tiếp nhận và xử lý dữ liệu dựa trên nền tảng IoT

Phạm vi nghiên cứu

Trong khuôn khổ của luận văn sẽ tập trung vào cách ghi nhận thông tin môi trường xung quanh thiết bị từ các cảm biến đọc và truyền tải thông tin dữ liệu về môi trường từ các cảm biến và truyền tải thông tin qua mạng Lan, mạng Internet và truyền tải dữ liệu lên các hệ thống điện toán đám mây để giám sát dữ liệu và phân tích theo thời gian thực tại một trạm quan sát

4 Phương pháp nghiên cứu

Chúng tôi sử dụng hai phương pháp chính là nghiên cứu lý thuyết và phương pháp thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Với phương pháp này, chúng tôi nghiên cứu

các tài liệu về các cảm biến vật lý để đo các thông số môi trường, cách kết nối các cảm biến bộ xử lý trung tâm Các tài liệu về việc tiếp nhận và phản hồi thông tin giữa các cảm biến vật lý thông qua Internet cũng như cách xử lý các dữ liệu này và hiển thị thời gian thực trên nền tảng IoT

Phương pháp thực nghiệm: Với phương pháp này, chúng tôi tập trung sử dụng

ngôn ngữ C# để xây dựng một trạm giám sát thời tiết kiểu mẫu thu thập các thông số môi trường với các cảm biến vật lý phù hợp, hiển thị lên màn hình máy tính, thiết bị

Sau đó tiến hành kết nối, trao đổi thông tin và phân tích dữ liệu dựa trên nền tảng Internet of things do Microsoft cung cấp

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

Về khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần thúc đẩy việc phối hợp sử

dụng các cảm biến vật lý để thu thập và trao đổi thông thông tin trên môi trường Internet thời gian thực để phát triển các ứng dụng trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống

Về thực tiễn: Đề tài sẽ xây dựng một trạm quan sát dữ liệu tiêu biểu thu thập

thông tin về nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng, áp suất khí quyển, tốc độ gió, hướng gió dựa trên nền tảng Internet of things Giúp cho việc tổng hợp dữ liệu về môi trường được nhanh chóng và trực quan để ứng dụng trong việc dự báo thời tiết hoặc các công việc khác liên quan

6 Cấu trúc luận văn

Nội dung báo cáo của luận văn sẽ tổ chức thành 3 chương chính:

Chương 1 Nghiên cứu tổng quan

Trong chương này, chúng tôi trình bày tổng quan về Internet of things, các cảm biến vật lý cũng như giải pháp kết nối và trao đổi thông tin trên môi trường Internet của Microsoft

Chương 2 Đề xuất giải pháp

Chương 2 được dành để trình bày mô hình bài toán và các giải pháp để có thể xây dựng một trạm quan sát môi trường sử dụng các cảm biến một cách đồng bộ Cách kết nối các cảm biến với nhau cũng như cách thức gởi dữ liệu từ một thiết bị vật lý sử dụng nền tảng Internet of things

Chương 3 Triển khai ứng dụng

Trong chương này sẽ trình bày các công cụ ngôn ngữ lập trình để phát triển ứng dụng Cách thức tiến hành cài đặt và cấu hình xây dựng hệ thống giám sát dữ liệu môi trường bao gồm các hình thức hiển thị dữ liệu trên máy tính trung tâm, trên thiết bị đo đạc và trên nền tảng Internet of things của Microsoft cho các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển, tốc độ gió, hướng gió và cường độ ánh sáng

Chương 1 - NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

Trong chương này tôi sẽ trình bày một số nội dung cơ bản liên quan đến việc hình thành và xây dựng một giải pháp tổng thể để thiết lập “Hệ thống giám sát thời tiết dựa trên nền tảng IoT” bao gồm khái niệm về IoT, các yếu tố cấu thành nên một giải pháp để giải quyết bài toán từ các cảm biến vật lý đến giao thức kết nối, truyền dẫn và cuối cùng là giải pháp hỗ trợ trên nền điện toán đám mây của Microsoft

1.1 Internet of things

1.1.1 Một số khái niệm

a) Internet of Everything (IoE)

Mặc dù khái niệm IoE nổi lên như là một sự phát triển tự nhiên của các hoạt động IoT và sự phối hợp toàn diện với chiến lược mới của Cisco để khởi tạo một lĩnh vực marketing mới, IoE là một khái niệm mở với tất các các vật đều được kết nối với nhau thông qua các công nghệ IoE có thể được xem như là tập hợp bao gồm có 3 phần:

- Con người: Được xem như là điểm cuối cùng kết nối đến Internet để chia sẻ các thông tin và hoạt động Ví dụ như các mạng xã hội và sức khỏe của từng cá nhân, thông tin của các cảm biến thể chất cơ thể

- Things: Cảm biến vật lý, thiết bị, động cơ và những thành phần khác có phát sinh dữ liệu hoặc nhận thông tin từ các nguồn khác nhau Ví dụ như các cảm biến nhiệt

độ thông minh hoặc các công cụ

- Dữ liệu: Nguyên liệu thô sẽ được phân tích và xử lý để xử dụng những thông tin hữu ích để đưa ra những quyết định thông minh và điều khiển máy móc Ví dụ như chúng ta căn cứ vào dữ liệu ghi nhận nhiệt độ để chuyển hóa thành con số trung bình của nhiệt độ cho phép theo giờ hằng ngày để rồi từ đó tính toán nhiệt độ phòng cho phù hợp

b) Internet of Things (IoT)

Các thiết bị, máy vi tính và các máy móc đều được sẵn sàng kết nối từ thời điểm

mà Kevin Ashton định nghĩa Internet of Things Khái niệm này được nâng lên thành khả năng kết nối đến các thiết bị vật lý không có khả năng kết nối trước đây, trao đổi

và nhận thông tin như là một yếu tố làm tăng thêm trọng lượng cho khái niệm này Các cảm biến nhúng, hệ thống điều khiển và các hệ xử lý vào những đối tượng này giúp

mở rộng khả năng trao đổi thông tin thông qua nhiều node, mạng mở các thiết bị vật lý khác nhau Khái niệm này cũng được sử dụng để miêu tả các thiết bị số đầu tiên như các thiết bị đeo tay thuộc lớp “Internet of Digital” trong khi chờ đợi những chức năng thông minh được phát triển sau này Những ý nghĩa và ứng dụng của khái niệm IoT sẽ tiếp tục được phát triển với những kỹ thuật kết nối mới, thay thế dần các thiết bị vật lý

đời đầu với những kết nối thông minh hơn và tính khả dụng sang một lớp mới

“Internet of X” Một vài ứng dụng của IoT bao gồm cả các xe kết nối, các thiết bị đo lường thông minh và kể cả là những thành phố thông minh

c) Industrial Internet of Things (IIoT)

Nền công nghiệp IoT là việc ứng dụng các công nghệ IoT trong kinh doanh và thiết lập sản xuất (giống như các ứng dụng, công nghiệp hóa dầu, sản xuất, các công ty công nghiệp nặng và xây dựng các hệ thống tự động) được sử dụng để theo dấu tài sản, các sản phẩm/ dịch vụ mới, cách điều hành các hoạt động một cách hiệu quả Khái niệm IIoT là một khái niệm rộng lớn có nghĩa bao gồm IoT như là việc chấp nhận nó

là một phần chính trong việc sản xuất Trong vòng 20 năm tới, khái niệm “Công nghiệp Internet” có tiềm năng thêm vào từ $10 đến $15 tỷ tỷ GDP toàn cầu Nền công nghiệp IoT có thể chia thành 03 phần chính:

Xây dựng các hệ thống tự động hóa: Là những ứng dụng của công nghệ IoT vào trong các hệ thống như là sưởi ấm, chiếu sáng, an ninh Trong vòng 150 năm gần đây, chúng ta đã đi từ việc đốt củi sang hệ thống tự động IoT có thể điều khiển một cách chính xác những thành phần môi trường bên ngoài bao gồm cả việc quản lý nhiệt

độ để điều chỉnh nhiệt độ một cách tự động, dựa vào thời thiết và xây dựng không gian bên trong, không cần sự can thiệp của con người Các hệ thộng tự động hóa này hiện diện trên ½ các tòa nhà ở Mỹ

Xây dựng các hệ thống thông minh: Việc duy trì các hệ thống này như là áp dụng một phần của IIoT vào trong các tài sản và hệ thống quản lý có sẵn Những lợi ích của việc này giúp giảm thời gian hư hỏng không mong đợi, chi phí bảo trì thấp, và thậm chí là tính toán được thời gian hỏng hóc của máy móc Một nghiên cứu đã chỉ ra rằng họ có thể tiết kiệm được 12% thời gian sửa chửa, giảm 30% chi phí bảo trì và giảm đến 70% thời gian tạm dừng hệ thống

Xây dựng các hệ máy tự động: để phối hợp nhằm dự đoán việc cơ giới hóa và các kỹ thuật sản xuất được linh hoạt hơn để nâng cao khả năng sản xuất lên đến 30%

d) Giao tiếp Machine – to Machine (M2M)

Khái niệm giao tiếp giữa máy và máy, giao tiếp điểm – điểm giữa các đối tượng vật lý với nhau gần như đã bị loại bỏ Sự bùng nổ của các thiết bị di động và các máy móc có kết nối dựa trên nền tảng IP đã xây dựng nên việc truyền tải dữ liệu thông qua một hệ thống các mạng lưới Bây giờ, khái niệm M2M chỉ để nói đến các công nghệ để có thể giao tiếp giữa các máy móc mà không có sự can thiệp của con người

Ví dụ như việc đo đạc từ xa, điều khiển giao thông, robot và những những dụng khác liên quan đến việc giao tiếp giữa thiết bị đến thiết bị

1.1.2 Các vấn đề kỹ thuật liên quan đến IoT

a) Kết nối cho các cảm biến

Internet có thể truy cập trong nhiều cách khác nhau, hoàn toàn phụ thuộc vào thiết bị và ứng dụng Vẫn có nhiều tranh cãi về mỗi công nghệ kết nối, đặc biệt trong việc ứng dụng những dự án lớn trong IoT/M2M

Các kết nối có dây và không dây của IoT: Đối với một căn hộ, một văn phòng hay một mạng lưới các thiết bị IoT/M2M có thể kết nối đến Internet thông qua những kết nối có dây hoặc không dây Nếu các kết nối là có dây, thông thường nó được kết nối trực tiếp đến một Internet router, và thiết bị này cần để duy trì cố định tại một vị trí Còn một thiết bị với những kết nối không dây có thể là một modem di động, hoặc

là một Wifi router, hoặc là kết nối bằng những công nghệ kết nối khác nhau, và trong những thứ này, điều này các thiết bị phải là các thiết bị vật lý di động

Các kết nối có dây thông thường là các hệ thống M2M, ví dụ như nhiều nhà máy cài đặt hệ thống đi dây sẵn để điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu Để kinh doanh và hệ thống an ninh, các trạm báo động có thể sử dụng các mạch điện thoại để giao tiếp các sự kiện, giống như báo trộm hoặc báo cháy đến trạm giám sát trung tâm

Tuy nhiên, các kết nối này phụ thuộc hoàn toàn vào nơi mà các đường truyền ISP có thể mở rộng đến, và việc thiết lập sẽ khó khăn Nhưng ứng dụng này phải được thiết lập trước, có nghĩa là mỗi một nhà máy hay công ty phát triển mỗi loại thiết bị và

hệ thống phần mềm đi kèm

Đến những năm thập niên 90 các công ty đã hướng tới việc sử dụng công nghệ sóng không dây trong những ứng dụng này Như công ty Ademco, đi đầu trong việc phát triển hệ thống phát hiện và kiểm tra báo cháy, đã bắt đầu xây dựng một mạng lưới không dây riêng biệt Năm 1995, tập đoàn Siemens cũng giới thiệu thiết bị không dây đầu tiên trong việc truyền nhận dữ liệu từ các ứng dụng Không lâu sau đó, Aeris cũng giới thiệu dịch vụ MicroBurst sử dụng các kênh điều khiển của hệ thống Advanced Mobile Phone System (AMPS) và Ademco đã trở thành khách hàng đầu tiên trong việc triển khai các thiết bị M2M sử dụng cách vận chuyển dữ liệu này

Những công nghệ mới đã giải phóng máy móc ra khỏi sự ràng buộc của hệ thống dây truyền tải dữ liệu, và nhiều chức năng của IoT/M2M đã được triển khai ở những ngành công nghiệp khác nhau và thậm chí là sản phẩm thương mại thông thường OnStar đã là một hệ thống xe được kết nối với nhau được triển khai năm 1995,

nó được đề nghị phối hợp giữa các dịch vụ an toàn và các chức năng giải trí Một giải pháp theo giõi tương tự như việc sử dụng các hệ thống truyền tin di dộng để theo dõi các hoạt động trong nền công nghiệp vận tải Thêm vào đó, các thiết bị di động kết nối với nhau có thể được mở rộng đến những vị trí ở xa mà các mạng lưới có dây không thể triển khai được

Đến những năm 2000, các dịch vụ như Short Message Service (SMS), Geneneral Packet Radio Service (GPRS) và 1 Tiem Raidio Transmission Technology

(1xRTT) bắt đầu phổ biến Tuy nhiên, có 2 hình thức truyền tải thông tin trong các thiết bị số đó là CDMA và GSM, và mỗi ngành công nghiệp chọn một loại công nghệ Trong ngành công nghiệp vận tải thì đã số chọn các thiết bị CDMS, trong khi ngành công nghiệp báo động và an ninh thì thích hệ thống GSM Cho đến năm 2017 thì hầu hết các nhà mạng điều hành 2G GSM sẽ gần như chấm dứt dịch vụ này, vì thế ngành công nghiệp báo động và an ninh cũng phải cập nhập những công nghệ mới nhất hoặc chuyển đổi hệ thống di động

Tương lại thì sẽ có nhiều công nghệ truyền dữ liệu không dây như 4G LTE, thậm chí là 5G trong một vài thập niên tới Các phương thức truyền tải trong khoảng cách ngắn như Bluetooth, ZigBee hay 6LowPAN, có thể được ứng dụng trong một vài ứng dụng Chúng ta cũng thấy được tiềm năng triển khai ở mức độ thương mại của LPWAN (Lower Power Wide Area Netwokrs) có thể cung cấp một giao tiếp ở khoảng cách lớn hơn tương tự so với các thiết bị di động truyền thống

b) Các vấn đề liên quan đến hệ thống địa chỉ IP

Tổ chức đăng ký địa chỉ và tên miền quốc tế The Internet Corporation for Assigned Names and Numbers (ICANN) quản lý và khai báo tên miền cấp cao nhằm mục đích để cho không cùng một địa chỉ ICANN làm việc với nhiều nhà đăng ký tên miền ở các khu vực khác nhau- ví dụ RIPE Network Coordination Center chịu trách nhiệm trong việc quản lý IP ở châu Âu, Trung Đông và một phần của châu Á, trong khi đó thì LACNIC chịu trách nhiệm khu vực Mỹ Latin Nhưng nhóm vùng địa lý đăng ký địa chỉ đến các nước khác nhau Việc kết hợp này khá là quan trọng bởi vì thế giới gần như đã cạn kiệt địa chỉ Ipv4 từ năm 2011

Do có sự bùng nổ về số lượng các website, thiết bị di động và luôn luôn có các kết nối IP (sau đó quyết định cốt yếu là việc triển khai các thiết bị IoT/M2M trong tương lai), các chính phủ dần nhận ra rằng không gian dành cho IPV4 đã dần trở nên chật chội trong thời gian tới Thật may mắn, trong năm 2011 đã giải quyết được vấn đề nghiêm trọng này cho nhiều người bởi một kỹ thuật như NAT (Network Address Translastion Nó cho phép các thiết bị định tuyến chia sẻ cùng một địa chỉ public, hoặc một tập các địa chỉ công cộng cho hầu hết các lưu lượng được thực hiện từ trong mạng nội bộ Bởi vì NAT, nhiều hệ thống nội bộ có thể chia sẻ địa chỉ IP chung cho việc truy cập Internet ra bên ngoài

Nhưng trong thời gian dài sắp tới, với sự phát triển của hàng tỷ các thiết bị được thêm vào mạng Internet, đặc biệt là các ứng dụng IoT/M2M Do đó thế giới đang dịch chuyển dần lên IPv6

Bởi vì không đủ số lượng địa chỉ IPv4 để giải quyết vấn đề này, do đó cả thế giới đang dần dịch chuyển sang IPv6 Với IPv6, tổng số không gian địa chỉ có thể mở rộng lên tới 128 bits (thay vì 32 bit như của IPv4) Mặc dù việc triển khai này chưa hoàn toàn, nhưng IPv6 gần như đều được hỗ trợ bởi các công ty lớn như Google và Facebook đã cung cấp việc truy cập vào hệ thống của họ trong mạng IPv6

Cuối cùng, mỗi thiết bị và router sẽ sử dụng địa chỉ IPv6 để truy cập vào mạng Internet Trong thời gian chuyển tiếp này, hệ thống gateway sẽ cung cấp các hàm chuyển đổi IP - cho phép các hệ thống IPv4 cũ có khả năng truy cập vào hệ thống IPv6 trong tương lai

1.1.3 Kết nối các thiết bị di động và xác định vị trí

Trong thế giới các ứng dụng Internet of Things và M2M, việc biết chính xác các vị trí của các thiết bị điều khiển từ xa cũng là một trong những tác vụ yêu cầu quan trọng, có nghĩa là mỗi ứng dụng đều xây dựng các hành vi và các chức năng phụ thuộc vào vị trí của các thiết bị

Những hệ thống máy móc khác nhau cung cấp những vị trí vật lý khác nhau để đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác Trong một số ứng dụng thì cần phải xác định được vị trí thiết bị di chuyển tới vị trí vật lý như là một yêu cầu thông thường, các công nghệ di động được ứng dụng để truyền tải thông tin Trong phần này, chúng ta sẽ tìm hiểu các công nghệ di động được sử dụng trong các ứng dụng của IoT/M2M và những phương thức được sử dụng để quyết định được vị trí vật lý của các thiết bị sử dụng ứng dụng này

Hình 1.1: Lịch sử phát triển của các công nghệ thiết bị di động

Các dịch vụ di động đã có một cuộc cách mạng lớn trong một khoảng thời gian dài, thông thường, một sự thay đổi trong việc sắp xếp công nghệ nhằm mục đích tích hợp và thay thế dần các thiết bị cầm tay và có sóng radio cùng với sự thay đổi mạng lưới để hỗ trợ việc phát triển các sóng mới

Trong nền công nghiệp di động, những thay đổi lớn lao dần mất đi khái niệm gọi là thế hệ để có thể phân biệt và tổng hợp các công nghệ đó, các giao thức đã sử dụng, sự thay đổi mạng lưới và sự phát triển của những hoạt động thương mại

3G CDMA (EV-DO) 3G UMTS (HSPA/HSPA+)

4G LTE

5G

Dịch vụ di động đầu tiên được biết đến là hệ thống di động Analog hay còn gọi

là thế hệ thứ 1 (1G - First Genereration) Được phát triển ở Bắc và Nam Mỹ, đây là Hệ thống Advanced Mobile Phone System (AMPS) Đầu tiên được triển khai ở US trong những năm thập niên 1980s và có thể được chấm dứt vào tháng 2 năm 2008 AMPS sử dụng tầng số Radio (spectrum) riêng biệt so với các dịch vụ không dây khác Ở một lĩnh vực nào đó, các công nghệ được sử dụng có liên quan đến việc truyền tải thông tin

ở mức độ năng lượng thấp, các công nghệ này sẽ bị phụ thuộc vào khoảng cách của các tín hiệu radio, để đến được các điểm cao (hay còn được gọi là các base station) nơi

mà các cuộc gọi thoại có thể được gởi đến các hệ thống điện tín bằng dây

Nó cho phép việc tái sử dụng các kênh radio trước đây để phân biệt khoảng cách từ một điểm cao này đến điểm cao khác để nhận và truyền thông tin chỉ cho các thiết bị di động nằm trong cùng một khu vực đó Nhóm chúng lại thành một cell (có lẽ đây cũng là thuật ngữ cellular ra đời từ đây) giống như một tổ ong, các cột sóng radio không tương tác với những thiết bị bên ngoài các cell này Các thiết bị di dộng giao tiếp với các cell ở xa có thể sử dụng cùng một kênh radios mà không chịu sử ảnh hưởng cuộc gọi bởi các cell gần đó

Khi nhiều và nhiều các thiết bị di động sử dụng AMPS, nó trở nên trong suốt và các kênh trống không thể hỗ trợ các yêu cầu kinh doanh của các nhà điều hành, những công ty cung cấp dịch vụ và nâng cấp lên theo yêu cầu Chính vì vầy mà các công nghệ sóng radio bắt đầu khám phá các cách thức sử dụng những quang phổ không dây một cách hiệu quả hơn Đầu tiên là việc gia tăng các giao thức mã hóa số cho các giao tiếp tốt hơn analog Có 02 hệ thống số mã hóa cạnh tranh với nhau mà ta có thể dễ dàng nhận thấy nhất đó là ANSI-136 TDMA, ANSI-95 CDMA và GSM Từ thời điểm trở đi thì những hệ thống mới này (và những giao thức truyền tải dữ liệu được trình bày sau đâu) có thể tạm được định nghĩa là thế hệ 2 (2G - Second Generation) Hệ thống AMPS Sunset đã không được phát triển (tại Mỹ thì hệ thống này đã chấm dứt từ tháng 2-2008)

Chuẩn ANSI-136 TDMA: Để duy trì khả năng phản hồi với AMPS trong

những khai thác đầu tiền, các nhà công nghệ ở US đã sử dụng một hệ thống để phân chia mỗi kênh radio AMPS trong từng khoảng thời gian Khi người sử dụng nói vào trong điện thoại, giọng người sẽ được chuyển hóa thành các tín hiệu điện từ microphone, sau đó chuyển hóa thành Analog to Digital Converter (ADC) Đối với người nghe sẽ nhận giọng nói từ các trạm phát sóng, các bits số sẽ được chuyển hóa thành các tín hiệu điện (DAC) và sau đó sẽ sử dụng bộ biến tần để chuyển hóa thành giọng người ở điện thoại người nghe Trong chuẩn này sẽ sử dụng giao thức phổ biến nhất đó là Time Domain Multiple Access (TDMA) Mỗi cuộc thoại sẽ được chỉ định ở

⅓ kênh thời gian mà kênh đó được thiết lập để chuyển hóa tín hiệu số

Về cơ bản, mỗi kênh này có thể chỉ hỗ trợ 3 cuộc thoại TDMA ( tốt hơn so với

1 cuộc thoại khi sử dụng AMPS)

Chuẩn ANSI-95 CDMA: Trong những năm thập niên 90, một giao thức số

khác cũng được triển khai, tốt hơn việc sử dụng mã hóa TDMA, bằng việc số hóa giọng nói, sau đó kết hợp hoặc phân rã, bằng những thuật toán khác nhau Và giao thức mã hóa này được gọi là Code Division Multiple Access (CDMA)

Việc kết hợp các bits số giọng nói với mã cho phép dữ liệu được truyền trên một kênh band rộng Ở ANSI-95 CDMA, mỗi kênh có độ rộng khoảng 1.25 Mhz Về

cơ bản, giao thức CDMA có nhiều hiệu quả hơn giao thức TDMA Nó cho phép triển khai công nghệ CDMA để phục vụ tốt hơn so với các giao thức khác Mỗi time slot ở TDMA không cần thiết tối ưu cho tất cả các ca sử dụng Ở CDMA, việc thêm cuộc gọi thì chỉ cần việc kết nối hoặc giải mã Số lượng các cuộc gọi có thể thực thi được thực hiện ở kênh cho phép Theo tính toán thì ANSI-95 CDMA có hiệu quả gấp 10 đến 20 lần so với AMPS, trong khi ANSI-136 TDMA thì chỉ có hiệu quả gấp 3 lần so với AMPS

Chuẩn GSM: Ở Châu Âu (và thậm chí là phần còn lại của thế giới), có một

phương thức khác được sử dụng cho việc triển khai hệ thống thông tin di động đầu tiên Mặc dù việc giải mã thuật toán vẫn là TDMA, nhưng khả năng quang phổ được nhóm thành các kênh 200 kHz với 8 time slot, , nhiều hơn so với một kênh 30kHz với

3 khe thời gian trong chuẩn ANSI-136 TDMA Hệ thống này được gọi là Global System for Mobile Communications (GSM) - một thuật ngữ kinh doanh được miêu tả

hệ thống di động kỹ thuật số Việc xác định vị trí băng thông và các kênh khác nhau trong việc truyền tải dữ liệu ở các giao thức TDMA trong chuẩn ANSI-136 và TDMA trong chuẩn GSM là không phù hợp lẫn nhau Trong các điện thoại mạng GSM không thể hoạt động trong mạng TDMA chuẩn ANSI-136 và ngược lại Tất nhiên, trong 2 mạng này thì có những điều khác nhau (chẳng hạn như tin nhắn được sử dụng trong các kênh điều khiển của các công nghệ khác nhau), nhưng về cơ bản thì các kỹ thuật truyền sóng radio là giống nhau GSM nhanh chóng trở nên phổ biến ở Châu Âu và phần còn lại của thế giới Điều này có vẻ đúng bởi vì những mạng Analog đời đầu ở nhiều nước đều được thay thế một cách nhanh chóng và không được triển khai ở những những nước phát triển sau này

b) Việc truyền tải dữ liệu của các thiết bị di động:

Khi hệ thống thông tin di động đã được mã hóa số, về mặt tự nhiên các giọng nói sẽ được số hóa thành các bít Điều này cho phép triển khai các dịch vụ truyền dữ liệu cho các mục đích khác nhau của con người Điều này bao gồm các giao tiếp từ các thiết bị không dây (dữ liệu cầm tay) và các thẻ dữ liệu cho các thiết bị máy vi tính di dộng (laptops) có thể mở rộng việc truy cập Internet và World Wide Web

Các thuật toán cho việc xử lý các bits số như là một ứng dụng dữ liệu, các giọng nói sẽ được xử lý bởi những công nghệ triển khai khác nhau Chuẩn ANSI-136 trong quá khứ đã phát triển quá nhanh cho việc triển khai các giao thức đánh dấu truyền dữ

liệu, nhưng cả 2G GSM và ANSI-95 CDMA có kinh nghiệm trong cuộc cách mạng này

2G GSM Data: GPRS, EDGE: GSM đã giới thiệu một công nghệ truyền tải

dữ liệu được gọi là GPRS (General Packet Radio Service), sau đó được nâng cấp lên được gọi là Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) với băng thông cao hơn Những công nghệ được phổ biến cho việc truyền tải các giao tiếp dữ liệu mặc dù năng lực truyền tải ngày càng chậm chạp so với yêu cầu sử dụng Internet hiện nay cho các thiết bị điện thoại di động thông minh để có thể truy cập Internet Trong các ứng dụng IoT/M2M thì chỉ cần năng lực truyền tải thấp và GPRS là một công nghệ hoàn hảo cho việc truyền tải thông tin

Mặc dù vậy, GPRS được sử dụng thường xuyên xung quanh thế giới cho các ứng dụng IoT/M2M Nhưng với nhu cầu ngày càng phát triển của con người cũng như các ứng dụng đi kèm Thì ở Mỹ, các nhà cung cấp dịch vụ 2G GSM thông báo rằng họ

sẽ chấm dứt việc cung cấp các dịch vụ GRPS và EDGE dự kiến từ tháng 1 năm 2017

2G CDMA DATA: 1xRTT Cũng giống như GPRS trong GSM, các nhà cung

cấp CDMA ở nhiều nước khác nhau cũng triển khai một công nghệ truyền tải dữ liệu mới gọi là 1xReal Time Transmission (1x RTT) Điều này nó cho phép việc truyền tải nhanh hơn GPRS thông qua việc nâng cao năng lực xử lý và cũng được triển khai nhiều ở các ứng dụng IoT/M2M Được định nghĩa trong tập quy chuẩn ANSI-2000, nó cung cấp (và tiếp tục được cung cấp) mở mức độ tin cậy, mở rộng và bao phủ trong tất

cả ứng dụng IoT/M2M

Ở Mỹ, việc mở rộng khả năng của 1xRTT đã tăng lên sự lựa chọn dễ dàng hơn cho các ứng dụng các thiết bị vật lý, giống như trong nền công nghiệp vận tải hay công nghiệp tự động hóa, cần sự hội tụ giữa các lục địa Những triển khai sớm và mở rộng của CDMA và 1xRTT đã đi đầu trong việc mở rộng sự bao phủ giữa các nước với nhau (trong khi những nhà nghiên cứu khác lại bận rộn với việc chuyển tiếp từ chuẩn ANSI-136 lên GPRS Tuy nhiên, sự phức tạp của việc mã hóa dữ liệu CDMA so với TDMA nên kết quả là chi phí cao hơn cho một modules radios, đặc biệt là chipset cho CDMA ngày càng trở nên phức tạp Chính vì vậy, GSM được triển khai một cách rộng rãi hơn, các modules 1xRTT ngày càng mắc hơn các modules GRPS

3G CDMA (EV-DO) Đối với những người sử dụng điện thoại thông minh,

chuẩn dữ liệu CDMA được nâng cấp và mở rộng khả năng xử lý Các công nghệ thay đổi vòng đời bằng cách thêm EV-DO Rev A và EV-DO Rev B, việc thay đổi này đã thêm vào một chuẩn mới gọi là ANSI-2000 (để miêu tả chỉ tiết công nghệ 1xRTT và EV-DO)

Mặc dù được sử dụng bởi một vài ứng dụng của IoT/M2M, 3G EV-DO không được sử dụng rộng rãi cho những loại ứng dụng này Việc bao phủ xuất sắc và khả năng của 1xRTT ở Mỹ được xem như là không cần thiết, từ khi các modules radio có chi phí cao hơn EV-DO

3G UMTS (HSPA/HSPA+) Trong băng tần GSM, việc sử dụng 2G GSM thoại

và truyền tải dữ liệu sang GPRS và EDGE- được sử dụng các giao thức mã hóa TDMA có vẻ không hiệu quả cho lắm Thêm vào đó, chi phí để tăng thêm băng tần ngày cả trở nên đắt đỏ, và các chính phủ đã bắt đầu giới hạn các băng tầng cho việc truyền tải thông tin Chính vì vậy, một tổ chức đã định nghĩa và triển khai một công nghệ mới được gọi là Universal Mobile Telephone Service (UMTS) Với công nghệ UMTS, các kỹ thuật truyền dẫn dữ liệu đã phát triển nhanh chóng ví dụ như High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) và High-Speed Uplink Packet Access (HSUPA) - đã dần thay thế bởi High-Speed Packet Access (HSPA), hay hiện nay hay gọi là HSPA+

Ở trong hầu hết các ứng dụng IoT/M2M, việc sử dụng 3G HSPA không cần thiết nữa trừ khi hiệu năng và lưu lượng của công nghệ này đạt hiệu quả cao Chính vì vậy, các kênh 5 Mhz cho phép việc cung cấp tất cả các dịch vụ nhanh hơn là các kênh EV-DO 1.25 Mhz Tuy nhiên, từ khi dữ liệu 2G GSM truyền tải đã được triển khai ở thị trường Bắc Mỹ thì cần phải có một sự thay đổi và chuẩn 3G HSPA là một trong những dịch vụ đáp ứng được yêu cầu đó Mặc khác là 3G-HSPS là một công nghệ có

độ mở rộng không bằng 2G GSM GPRS hay 2G CDMA 1xRTT, và mạng 4G LTE cũng được triển khai khá nhanh chóng Chính vì vậy mà một số thiết bị IoT/M2M đã chuyển từ 2G CDMA 1xRTT bỏ qua 3G mà lên thẳng luôn 4G LTE trong tương lại gần Việc lựa chọn này thông thường căn cứ vào chi phí của các modules radio và sự

mở rộng của các dịch vụ

4G LTE Một trong những hạn chế của công nghệ 3G là họ sử dụng kênh có độ

rộng cố định Với việc gia tăng số lượng dữ liệu của các người sử dụng, khả năng còn khả dụng của các quang phổ không dây đã tạo nhiều băng tần không thường xuyên được tối ưu hóa bởi công nghệ 3G Các chính phủ đã phải đấu giá một số lượng lớn các băng tần dành cho người sử dụng điện thoại di động

Để sử dụng những băng tần này, những tiêu chuẩn dần được phát triển một công nghệ mới thích hợp sử dụng và áp dụng một các linh hoạt cho các quang phổ còn trống này Từ khi họ có cơ hội để lựa chọn các giao thức mã hóa để sử dụng những băng tần mới này, Long Term Evolution (LTE) đã được thiết kế để sử dụng một giao thức mới được gọi là Orthogonal Frequency Domain Multiple Access (OFDMA) Một lần nữa, những tính năng mã hóa trong OFDMA lại nằm ngoài phạm vi của cuốn sách này, tuy nhiên nó cũng được định nghĩa là công nghệ thế hệ thứ 4 Fourth Geneation (4G), nó rất khác so với 3G Điều rất quan trọng đó là LTE thì rất linh động trong việc triển khai độ rộng các kênh được sử dụng, và chính vì vậy mà các băng tần quan phổ

có thể được chia thành các block nhỏ hơn và dễ dàng sử dụng Và nó cũng cho phép các dải quang phổ tồn tại có thể được phân vùng thành nhiều các block nhỏ cho phép một nhà mạng có thể triển khai 4G mà không cần phải gạt bỏ hoàn toàn các công nghệ

cũ

Việc linh động còn đến từ giá cả Có hơn 30 băng tần khả dụng cho LTE sử dụng, và những nước không đấu giá hoặc có thể để dành các băng tần này để trở thành những băng tần có thể sử dụng Thực vậy, một số băng tần LTE không được sử dụng bởi vì chúng được chỉ định cho một số công việc khác

Global Postion System: Ngày nay, nhiều thiết bị điện thoại di động được trang

bị hệ thống GPS cho phép điện thoại cung cấp thông tin về vị trí của nó đến mạng di dộng, hay cho hệ thống 911 của Mỹ hoặc các mục đích khác Việc kích hoạt chức năng này thông thường là một tùy chọn khả dụng trên các điện thoại di dộng được trang bị

hệ thống GPS Trong các ứng dụng IoT/M2M, hầu hết các modules đều hỗ trợ và tích hợp GPS (đôi khi hỗ trợ cả 2 hệ thống của chính phủ US và Nga) Trong tương lai, thì việc hỗ trợ hệ thống định vị Galileo cũng sẽ được ứng dụng trong hầu hết các modules

và thiết bị cầm tay

Trong nửa thế kỷ trở lại đây, Bộ Quốc Phòng Mỹ đã triển khai một hệ thống gồm 24 vệ tinh vào quỹ đạo trái đất cho những mục đích khác nhau: Nó cho phép hệ thống các thiết bị trang bị GPS xác định được vị trí của nó trên bề mặt trái đất với vị trí chính xác nhất Mục đích chính trước đây được sử dụng cho hệ thống quân sự, chính phủ Mỹ đã xây dựng hệ thống và thông tin của người dân từ những năm thập niên

1980, mà không thu bất kỳ chi phí nào Việc này được mở rộng số lượng các ứng dụng

ở các vị trí khác nhau trên toàn thế giới

Một ví dụ, dữ liệu của một xe tải hạng nặng căn cứ vào hệ thống GPS để xác định chính xác vị trí của xe tải và các trailers Các người đi bộ hoặc các người quá giang có thể căn cứ vào các thiết bị cầm tay để có thể xác định được chính xác vị trí của xe tải để bắt xe hay nhiều ứng dụng khác trong nông nghiệp…

Một dịch vụ định vị vệ tinh tương tự như hệ thống GPS, còn được gọi là GLONASS, được phát triển bởi chính phủ Nga Liên hiệp châu Âu cũng đang khởi động một tiến trình xây dựng một hệ thống định vị riêng biệt mang tên một nhà thiên văn học là Galileo Như đã nói ở trên, hệ thống các vệ tinh của hệ thống Galileo chưa

đi vào hoạt động Chính phủ Ấn độ cũng khởi tạo một hệ thống định vị vệ tinh tương

tự, được gọi là IRNSS để xác định vị trí, tuy nhiên chỉ hoạt động trên Ấn độ Tương tự như vậy, chính phủ Trung Quốc cũng khởi tạo phiên bản đầu tiên của hệ thống định vị riêng của chính họ, được gọi là BeiDou-1 (Bắc đẩu 1) để kiểm soát toàn bộ Trung Quốc Bây giờ họ đã tiếp tục phát triển thêm hệ thống mới, Được gọi là BeiDou-2 và BeiDou3, phủ sóng cho toàn bộ trái đất tương tự như của chính phủ Mỹ và Nga

Trong tương lai, hệ thống Galileo sẽ được cung cấp miễn phí, có độ chính xác thấp nhất khoảng 1 mét, những dịch vụ khác có độ chính xác cao hơn sẽ được thu phí

Từ bây giờ cho đến khi có hệ thống mới, và nhiều đặc tính khác không được phổ biến

ở các hệ thống định vị vệ tinh GPS và Glonass Ví dụ như hệ thống Galileo có sóng radio để hỗ trợ và cung cấp các dịch vụ tín hiệu SAR (Search-and-Rescuse), nó cho phép khởi tạo thông tin cứu hộ trên toàn hành tinh

1.2 Hệ thống cảm biến môi trường Tinkerforge

1.2.1 Một số khái niệm về Tinkerforge

Tinkerforge là một hệ thống các thiết bị cảm biến được thiết kế để phát triển các

dự án xây dựng dựa trên các modules và sử dụng các hàm API đã được cung cấp cho các ngôn ngữ khác nhau Tinkerforge Gmb là một công ty của Đức được thành lập năm 2011 với mục đích sản xuất các thiết bị điều khiển hệ thống nhúng, mục đích là làm ra các sản phẩm mà người sử dụng không cần phải quan tâm đến những công việc không cần thiết để tập trung vào các tính năng chính của cảm biến Từ năm 2011 với chỉ một vài modules chức năng, đến nay hãng có hơn 70 modules có các chức năng khác nhau Tất cả đều được xây dựng trên các công cụ mã nguồn mở kể cả mã nguồn,

sơ đồ mạch và bản vẽ

Những giới thiệu sau đây sẽ cho chúng ta một cái nhìn toàn cảnh về những sản phẩm và những khái niệm của hệ thống xây dựng các khối Tinkerforge Trong mục này sẽ không đề cập đến những tính năng chi tiết cũng như các hàm API của từng loại thiết bị Về cơ bản, để sử dụng được các cảm biến của Tinkerforge được chia ra làm năm khái niệm như sau:

- Bricks: Đây là các modules vi điều khiển dạng ngăn xếp (stacks) dành cho

các cảm biến và được điều khiển thông qua USB

- Bricklets: Đây là các cảm biến, modules hoạt động để mở rộng tính năng của

các Bricks không ở dạng ngăn xếp

- Master Extension: Đây là những modules cho phép thay đổi giao tiếp với

thiết bị so với các giao tiếp USB với Master Bricks khác (Wifi, Enthernet, RS 485)

- Nguồn cung cấp: Nguồn cung cấp dạng ngăn xếp cho các Bricks

a) Bricks:

Các modules Bricks có kích thước 4x4cm (1.57x1.57") có thể được điều khiển bởi các thiết bị, ví dụ như các máy tính nhúng, thông qua cổng mini USB để thực thi những tác vụ khác nhau, mỗi Brick này thực thi những tác vụ cảm biến phức tạp (IMU Brick), giao tiếp (Master Brick) và điều khiển motor (DC Brick)

Với mỗi Bricklets thì đặc tính của Bricks có thể được mở rộng, phụ thuộc vào mỗi tính năng mà mỗi Brick có thể có từ 2 đến 4 kết nối đến các Bricklet Các Bricks

có thể được lắp ráp với nhau theo dạng ngăn xếp Giao tiếp USB của Master Brick có thể thay thế bằng Wifi, Ethernet hay RS 485 bằng Master Extension Bằng việc kết nối

dưới dạng ngăn xếp, các Brick và Bricklets có thể điều khiển bởi Wifi, Ethernet thay

vì USB

b) Bricklets:

Các Bricklet được sở dụng để mở rộng các tính năng của Brick Những Bricklet được sử dụng để đo các đại lượng vật lý ví dụ như độ xoay chuyển, hiệu điện thế, cường độ dòng điện hay là cường độ sáng cũng như các Bricklet để chuyển mạch, đo

dữ liệu số vào/ra hay xuất dữ liệu ra màn hình LCD

Không giống như các Brick, các Bricklet không có kích thước cố định Mỗi Bricklet có những kích thước nhỏ nhất có thể, và mỗi Brick thì có thể kết nối được tối

đa 4 Bricklet và các Bricklet này được điều khiển khi nó kết nối trực tiếp đến Brick

Mỗi Bricklet thì không được trang bị các Bộ vi xử lý nhưng chúng có thể được

xử lý bởi các hàm API, chính vì vậy mà các lập trình viên có thể điều khiển chúng như các modules độc lập Khi khởi động thì các Brick sẽ kiểm tra trạng thái của tất cả các Bricklet kết nối đến chúng Các plugin của Bricklet, được lưu trữ trong EEPROM của mỗi Bricklet, sẽ được nạp vào trong flash của Brick Điều này nó sẽ thêm vào các chức năng vào Brick, và có thể được sử dụng ở máy tính

c) Master Extension:

Một Master Brick sẽ được sử dụng một mình hoặc sử dụng trong cùng một ngăn xếp chồng lên nhau và quản lý thông qua giao diện USB Master Extension mở rộng giao tiếp của Master Brick Đó là các kết nối có dây (Ethernet, RS 485) và các kết nối không dây Chính vì sự linh hoạt này mà đối với các lập trình viên, nếu chúng ta muốn mở rộng quản lý các Bricklet thì chỉ việc xây dựng sản phẩm hoạt động cho đúng với giao tiếp USB Sau đó chỉ việc tiến hành thêm các Master Extension cho phù hợp và khởi chạy, không cần phải thay đổi hay chỉnh sửa gì thêm

d) Ngăn xếp Bricks:

Các Brick có thể xếp chồng lên nhau, một Master Brick (nằm ở dưới cùng) chịu trách nhiệm giao tiếp giữa tất cả các Brick trong cùng một ngăn xếp Nó sẽ định tuyến chính các thông điệp trong cùng một ngăn xếp và điều khiển các thiết bị Chỉ cần một kết nối USB là có thể điều khiển tất cả các Brick và Bricklet trong cùng một ngăn xếp Chúng ta có thể thay thế việc kết nối bằng USB bằng các giao thức có dây và không dây như Ethernet, RS485 hay Wifi Nếu như cổng USB không phân phối đủ nguồn điện thì chúng ta sẽ sử dụng thêm nguồn cung cấp thêm

1.2.2 Các ưu điểm của cảm biến Tinkerforge

a) Dễ sử dụng

Xây dựng các Block dựa trên sự mở rộng của các các modules, chính sự dễ dàng trong việc khớp nối các modules cho phép các nhà lập trình viên tập trung vào công việc xây dựng phần mềm, giúp dự án phát triển nhanh hơn Những lập trình viên tập sự cũng có thể học lập trình thông qua các ứng dụng mẫu có sẵn

Không cần biết nhiều các kiến thức về điện tử: Ưu điểm của việc sử dụng các cảm biến này đó là không gặp bất kỳ các vấn đề nào về điện tử Bạn chỉ đơn giản là lắp ráp các modules và kết nối chúng lại với nhau thông qua các jack, không cần phải hàn mạch

Sử dụng các hàm API trực quan, đơn giản trong lập trình, ví dụ bạn có thể thiết lập gia tốc của động cơ thông qua hàm setVelocity() hay đọc dữ liệu nhiệt độ bằng hàm getTemperature()

b) Khả năng tùy biến cao

Có khả năng điều khiển thông qua Máy tính bảng, Smartphone hay PC (nhúng) Ngôn ngữ hỗ trợ lập trình đa dạng (C/C++, C#, Java, PHP, Python, PHP, Ruby, Shell ), có thể điều khiển trực tiếp các module thông qua giao thức TCP/IP

Mỗi modules đều có một địa chỉ với một ID duy nhất, không dựa vào hệ thống

đi dây Điều này cho phép thay đổi cấu trúc hệ thống bất kỳ lúc nào, không cần thay đổi mã nguồn

Tất cả các mã nguồn phần mềm điều khiển cảm biến này đều là mã nguồn mở

có giấy phép của GPL v2+, phần cứng có giấy phép của tổ chức CERN Open Hardware License

Điều khiển không dây Điều khiển có dây Hoạt động độc lập

1.2.3 Các thông số kỹ thuật cơ bản của Bricks

Bảng 1.1 Sơ đồ chân kết nối dữ liệu của Ngăn xếp (Stack Data Connector)

Extension 0: General Purpose 0/ Interrupt 0 EX-0-GP-0/nINT0 19

Extension 0: General Purpose 1/ Interrupt 1 EX-0-GP-1/nINT1 21

Extension 0: General Purpose 2/ Interrupt 2 EX-0-GP-2/nINT2 23

(Tất cả các tín hiệu đều dựa trên nguồn 3.3V)

Stack SPI: SPI bus để giao tiếp giữa Brick và Master Brick

JTAG: Giao diện gỡ lỗi, được chia sẻ bởi các tín hiệu khác.JTAG sẽ không được sử

dụng khi một Brick được xếp chồng với các Brick khác

Reset: Tín hiệu được gởi tới Brick để khởi tạo lại, nó được định hướng để khi có tín

hiệu này thì toàn bộ Brick đều được khởi tạo lại cùng thời điểm

Stack Detect: Tín hiệu này để kiểm tra sự hiện diện của Master Brick Tất cả các

Brick , ngoại trừ Master Brick đều có sử dụng tín hiệu này để xác định các kết nối trong ngăn xếp từ trên xuống dưới để phát hiện các hoạt động của ngăn xếp Đối với Master Brick thì có hai tín hiệu độc lập để xác định ở phía trên hay phía dưới, mỗi Master Brick được khởi tạo ở tín hiệu cao hơn nếu đặt phía trên và thấp hơn dần nếu

để phía dưới Nếu tín hiệu được thiết lập ở mức thấp thì có nghĩa là đây là Master Brick chủ, còn nếu kiểm tra đây là tín hiệu cao thì có nghĩa sẽ có một Master Brick khác ở phía dưới làm chủ

Stack Synchoronization: Tín hiệu này được sử dụng bởi Master Brick để đồng bộ hóa

các hoạt động của các Brick khác trong cùng một ngăn xếp

Extension SPI : SPI bus cho các Master Brick và Master Extention giao tiếp với nhau Extension General Purpose 0,1: Có ba mục đích chung có thể được sử dụng bởi một

Master Brick để điều khiển Master Extension Việc sử dụng này phụ thuộc vào việc kết nối của các Master Extension

Interrupt 0,1,2: Tín hiệu ra ngắt, được sử dụng tùy thuộc vào cấu hình

Stack I2C: Bus I2C được sử dụng bởi Master để giao tiếp với Master Extensions hay

các giao diện Bricks thông qua bus I2C

Select 0-7: Có đến 8 đường tín hiệu được lựa chọn có thể được sử dụng bởi Master

chủ của ngăn xếp chọn tối đa 8 Brick trong cùng một ngăn xếp Một Brick chỉ được phép trả lời thông điệp nếu nó được lựa chọn (tín hiệu Select ở mức thấp) Mỗi Brick lấy tín hiệu lựa chọn đầu tiên, các Brick khác nếu muốn lựa chọn thì phải tiếp tục dịch chuyển sang tín hiệu thứ hai và tiếp tục như vậy cho đến Brick thứ 8 Nếu có nhiều hơn 8 Brick lựa chọn tín hiệu thì Master Brick chỉ chọn 8 Brick có tín hiệu thấp nhất

để có thể giao tiếp với chúng

Extension Select 0,1: Dùng để cho Master Brick lựa chọn các mở rộng, cách lựa chọn

tín hiệu này cũng giống như các Brick lựa chọn

Extension Serial Interface: Được sử dụng bởi Master Brick để giao tiếp với Master

Extension thông qua giao diện Serial

Bảng 1.2 Sơ đồ chân kết nối nguồn của Ngăn xếp

Function Pin Function Pin

PGND: Tín hiệu nguồn nối đất của ngăn xếp

PVCC: Tín hiệu nguồn ngăn xếp (tối đa 27V, 0.5A trên chân, tổng 5A)

GND: Tín hiệu nguồn nối đất

5V: Tín hiệu nguồn (Tối đa 0.5A trên chân, tổng 1.5A) cung cấp nguồn cho mọi Brick Đối với các Brick xài USB thì phụ thuộc vào cấu hình của nguồn cung cấp cho

3 3V3 Hiệu điện thế 3.3V được khởi tạo bởi Brick

4 SCL I2C Serial Clock

5 SDA I2C Serial Data

6 ADDR Địa chỉ (cao/thấp) được sử dụng để lựa chọn Brickets cho

giao tiếp I2C

7 IO_1/AD I/O 1 với khả năng chuyển đổi analog-to-digital

8 IO_2 I/O 2

9 IO_3 I/O 3

10 IO_4 I/O 4

Bảng 1.4 Sơ đồ chân nguồn kết nối USB

Chân Chức năng Miêu tả

1.3 Tổng quan về điện toán đám mây dành cho IoT của Microsoft

1.3.1 Giải pháp IoT trên nền điện toán đám mây của Microsoft

Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu về Microsoft Azure và Internet of things, giới thiệu một mô hình giải pháp IoT để miêu tả những đặc tính chung của một giải pháp IoT mà chúng ta có thể sử dụng để triển khai sử dụng các dịch vụ của Azure Giải pháp IoT yêu cầu độ an toàn, giao tiếp giữa các thiết bị với nhau, có thể lên đến hàng triệu thiết bị và là một giải pháp back end Ví dụ, sử dụng một giải pháp backend

tự động nhằm mục đích phân tích, dự đoán để quản lý được những gì bên trong thiết bị khi tiến hành giám sát trạng thái từ thiết bị lên cloud

Azure IoT Hub là chìa khóa để xây dựng các giải pháp khi bạn ứng dụng giải pháp nền tảng của IoT sử dụng các dịch vụ của Azure, và IoT Suite cung cấp các giải pháp toàn diện, end-to-end, ứng dụng của nền tảng này cho những kịch bản đặc biệt của IoT Ví dụ, các giải pháp giám sát từ xa cho phép mọi người có thể giám sát trạng thái của các thiết bị giống như các động cơ hoặc việc bảo trì thiết bị giúp chúng ta có thể quyết định thiết bị nào bị sự cố và trục trặc trặc để có kế hoạch bảo trì, thay thế Giải pháp đưa ra các dự đoán bảo trì giúp chúng ta bảo trì các thiết bị như các máy bơm ở xa để từ đó dần loại bỏ các sự cố ngoài ý muốn hay là giải pháp kết nối nhà máy giúp chúng ta kết nối và giám sát các thiết bị trong công nghiệp

a) Kiến trúc của giải pháp IoT trong Azure

Đây là mô hình Kiến trúc của giải pháp IoT, chú ý rằng nó chưa bao gồm tên hoặc bất kỳ ứng dụng dịch vụ nào của Azure, nhưng nó miêu tả những thành phần chính và tổng quát trong kiến trúc giải pháp IoT Trong mô hình kiến trúc này, các thiết bị IoT sẽ thu thập dữ liệu để gởi tới Gateway của Cloud Gateway cloud sẽ tiếp nhận các dữ liệu hiện hữu để xử lý bởi các dịch vụ back-end từ nơi mà dữ liệu được cung cấp bởi các ứng dụng hoặc các hoạt động điều hành của con người thông qua

Dashboard hoặc những thiết bị trình diễn khác

Hình 1.2: Mô hình giải pháp IoT của Azure b) Thiết bị kết nối

Trong kiến trúc giải pháp IoT này, thiết bị sẽ gởi dữ liệu từ xa, ví dụ như các cảm biển đọc trạng thái bơm nước từ trạm bơm, sau đó gởi đến đầu cuối để lưu trữ và

xử lý trên đám mây Trong kịch bản dự đoán bảo trì đã đề cập ở trên, giải pháp back end ở đây là sử dụng luồng dữ liệu của cảm biến gởi đến để quyết định máy bơm nào được yêu cầu chỉ định bảo trì Thiết bị đó cũng cũng có thể nhận và hồi đáp thông điệp

từ trên đám mây bằng cách đọc thông điệp điều khiển được gởi đến Với giải pháp này thì chúng ta có thể điều khiển được các hệ thống sớm nhất trước khi cử nhân sự xuống thực hiện các thao tác

Một trong những thách thức lớn nhất mà các giải pháp IoT phải đối mặt đó là làm thế nào để bảo đảm bảo mật và độ tin cậy của các thông tin kết nối từ thiết bị đến Cloud và làm thế nào để có thể giúp các thiết bị có thể gởi và nhận thông tin So với trình duyệt, ứng dụng Mobile các thiết bị IoT có những đặc điểm khác

Đặc trưng của các thiết bị IoT

- Thông thường là hệ thống nhúng không có sự can thiệp của con người

- Có thể khai thác thông qua một vị trí địa lý ở xa, nơi mà việc tiếp xúc bằng vật

- Có sự giới hạn về năng lượng cũng như tài nguyên xử lý

- Có thể bị gián đoạn, chậm hoặc có những kết nối tốn nhiều chi phí

- Có thể được cá nhân hóa, hoặc sử dụng các giao thức ứng dụng riêng biệt trong công nghiệp

- Có thể được tạo ra với số lượng lớn các thiết bị sử dụng phần cứng, phần mềm nền tảng phổ biến

Ngoài các yêu cầu ở trên, các giải pháp IoT cũng cần phải an toàn và tin cậy và

mở rộng dễ dạng Các kết quả được được dựa vào việc tiếp nhận thông qua các kết nối

mà sử dụng các công nghệ truyền thông như Web Container hay Mesaging Brokers Azure IoT Hub và IoT Device SDKs có thể được ứng dụng để giải quyết các yêu cầu này

Một thiết bị có thể kết nối trực tiếp dến một Cloud Gateway Endpoint, hoặc nếu thiết bị đó không có thể sử dụng các giao thức giao tiếp mà cloud gateway hỗ trợ, nó

có thể kết nối thông qua các gateway thứ cấp, ví dụ như IoT Hub protocol gateway, để hoán đổi việc thực hiện, ví dụ như Common Industrial Protocol (CIO) hay AMQPS

c) Phân tích và xử lý dữ liệu

Trong đám mây, giải pháp IoT back-end là nơi mà hầu hết việc xử lý dữ liệu sẽ được diễn ra, ví dụ như lọc và tập trung dữ liệu thu thập được và chuyển hướng nó đến các dịch vụ khác cần thực thi Các giải pháp IoT back-end bao gồm:

- Nhận dữ liệu từ thiết bị và quyết định xử lý và lưu trữ dữ liệu đó như thế nào

- Có thể kích hoạt và gởi các lệnh điều khiển từ cloud đến các thiết bị chỉ định

- Cung cấp khả năng đăng ký các thiết bị để bạn có thể kiểm soát các thiết bị và điều khiển thiết bị nào và cho phép thiết bị nào được kết nối trong hạ tầng mình quản

lý

- Cho phép bạn giám sát, theo dõi trạng thái của thiết bị

Trong kịch bản việc dự đoán công việc bảo trì, một giải phải ở back-end lưu trữ toàn bộ dữ liệu từ xả để xác định một khuôn mẫu và phân tích các dữ liệu ngay khi nó được gởi tới cloud để xử lý và đưa ra quyết định Ví dụ với nhiệt độ trong một mức độ nào đó vượt quá ngưỡng thì nó sẽ kích hoạt và gởi một lệnh tới thiết bị, hướng dẫn cách xử lý

d) Hiển thị và sử dụng các kết nối

Lớp hiển thị và sử dụng các kết nối cho phép người sử dụng cuối có thể giao tiếp được với các giải pháp IoT và các thiết bị của nó Nó cho phép người sử dụng có thể xem và phân tích dữ liệu thu thập được từ các thiết bị Những cách nhìn có thể được hiển thị theo các dạng chuẩn dashboard hoặc các báo cáo BI nhằm có thể hiển thị

cả các dữ liệu lịch sử và các dữ liệu gần như là thời gian thực Ví dụ, một động cơ có thể được kiểm tra trạng thái tại một trạm bơm nào đó và có thể được thấy bất kỳ báo động nào phát sinh từ hệ thống Tại khu vực này nó cho phép việc tích hợp các giải pháp IoT back-end và những những ứng dụng kết hợp chặt chẽ với nhau Ví dụ như

việc dự đoán các giải pháp bảo trì có thể kết hợp với lịch hệ thống để có thể tắt hoặc bật thiết bị khi có một động cơ cần được bảo trì

Hình 1.3 Bảng điều khiển hiển thị giải pháp IoT điển hình

1.3.2 Trung tâm xử lý dịch vụ hỗ trợ các thiết bị IoT

Azure IoT Hub là một dịch vụ đầy đủ các chức năng để xây dựng quản lý các kết nối giữa hàng ngàn thiết bị IoT cũng như các giải pháp Back-End một cách tin cậy

Thêm vào đó, một giải pháp IoT cũng phải đáp ứng được khả năng mở rộng hệ thống, an toàn và tin cậy Kết quả để quản lý môt của một tập các yêu cầu kết nối thiết

bị nêu trên thì rất khó khăn và tốn thời gian khi chúng ta sử dụng các công nghệ truyền thống chẳng hạn như web container hay messaging brokers

b) Các tính năng hỗ trợ kết nối các thiết bị IoT của IoT Hub

Việc thêm vào một loạt các yêu cầu giao tiếp từ device-to-cloud và device, bao gồm cả truyền thông điệp, truyền tệp tin, và các phương thức yêu cầu – hồi đáp, Azure IoT Hub sẽ giải quyết các vấn đề này bằng các cách sau đây:

cloud-to Ghép cặp thiết bị: Bằng việc sử dụng ghép cặp thiết bị, bạn có thể lưu trữ, đồng

bộ và truy vấn thông tin trạng thái và dữ liệu của thiết bị (metadata, cấu hình và tình trạng) IoT Hub sẽ cố định một thiết bị trên đám mây với một thiết bị kết nối ngay khi bạn kết nối đến IoT Hub

IoT Field Gateway

IoT Client

IoT Protocol Gateway

GIẢI PHÁP HẬU KỲ DÀNH CHO THIẾT BỊ IoT

Phương thức xác thực và bảo mật kết nối

Thông điệp tin cậy

từ cloud đến thiết bị

Ghi nhận sự kiện từ thiết bị đến cloud

- Việc định danh và xây dựng kết nối an toàn bằng việc cung cấp mỗi thiết bị một

mã khóa an ninh riêng để kết nối đến IoT Hub Phần định danh IoT Hub được lưu trữ

mã định danh và khóa trong một giải pháp riêng Đối với các giải pháp back end có thể thêm những thiết bị riêng biệt để cho phép hoặc từ chối việc quản trị hoàn toàn việc truy cập thiết bị đó hay không

- Định hướng được các thông điệp device-to-cloud dựa trên các dịch vụ cơ bản của Azure bằng cách khai báo các luật IoT Hub cho phép bạn định nghĩa các luật dựa vào việc điều khiển thiết bị, chúng ta không cần viết bất kỳ dòng lệnh nào, và có thể lấy thông tin từ một phần thông điệp được gởi tới

- Giám sát và xử lý tất cả các kết nối của thiết bị Chúng ta có thể nhận được một tệp tin nhật ký về các hoạt động của thiết bị và các sự kiện kết nối Việc giám sát này cho phép các giải pháp IoT giải quyết các vấn đề định danh, ví dụ thiết bị cố gắng kết nối nhưng không cho phép, gởi quá nhiều thông điệp thường xuyên hay là từ chối tất

cả các thông điệp từ cloud-to-device

- Có khả năng mở rộng các thư viện thiết bị Azure IoT SDK cho phép và hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau từ C#, Java và Javascript Kể cả các nền tảng từ Linux cho đến Windows, và các hệ điều hành thời gian thực

- Các giao thức IoT và mở rộng Nếu giải pháp của bạn không thể sử dụng thư viện thiết bị, IoT Hub cũng cho phép sử dụng các giao thức khá phổ biến hiện nay như MQTT v3.1.1, HTTP 1.1 và AMQP 1.0 Chúng ta có thể mở rộng IoT Hub để cung cấp và hỗ trợ các giao thức khác do người sử dụng định nghĩa

- Với Azure IoT Hub có khả năng mở rộng và xử lý hàng triệu các sự kiện được gởi tới của hàng triệu thiết bị trong một giây

c) Quá trình hoạt động của một IoT Hub

Azure IoT Hub ứng dụng một mẫu gọi là giao tiếp hỗ trợ dịch vụ để gián tiếp

hỗ trợ sự tương tác giữa thiết bị và giải pháp back end Mục đích của việc này là thiết lập một giao tiếp đáng tin cậy, hai chiều giữa hệ thống điều khiển, và mục đích đặc biệt của thiết bị đó là triển khai trong một không gian vật lý không tin cậy Từ những yêu cầu trên đã xuất hiện những khái niệm sau đây:

- Vấn đề an toàn, bảo mật được đặt lên hàng đầu so với các yêu cầu khác

- Các thiết bị không được phép sử dụng các thông tin mạng một cách tự do Một thiết bị thiết lập tất cả các kết nối và định tuyến trong một hệ thống chỉ có truy vấn thông tin Đối với các thiết bị có khả năng nhận lệnh từ giải pháp back-end thì thiết bị

đó phải khởi tạo một kết nối thông thường để kiểm tra bất kỳ câu lệnh nào bị treo để

xử lý

- Thiết bị chỉ có kết nối hoặc thiết lập định tuyến đến những dịch vụ tin cậy mà

họ sử dụng, chẳng hạn như IoT Hub

- Các trao đổi thông tin giữa thiết bị và dịch vụ hoặc giữa thiết bị và gateway phải được bảo mật ở lớp giao thức ứng dụng

- Việc định danh và xác thực hệ thống dựa vào thông tin định danh của từng thiết

bị Những thông tin này phải có sự cho phép và ủy quyền gần như là ngay tức khắc

- Các giao tiếp hai chiều của thiết bị cho phép xử lý các kết nối không liên tục bởi vì các lý do như nguồn năng lượng hoặc các lo ngại về kết nối là một trong những yếu tố bằng cách giữ lại các lệnh và các cảnh báo thiết bị cho đến khi một thiết bị kết nối nhận được chúng IoT Hub duy trì những tập lệnh này trong một hàng đợi đặc biệt trước khi gởi đi

- Dữ liệu của những ứng dụng này được bảo mật một cách độc lập để bảo vệ thông tin di chuyển qua gateway đến một dịch vụ độc lập

1.4 Một số hệ thống giám sát thời tiết hiện nay

Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều sản phẩm được sản xuất để xác định các thông số môi trường Các sản phẩm này đa số được sản xuất theo dạng công nghiệp, hệ thống phần cứng và phần mềm được đóng gói thành một sản phẩm thương mại, rất ít sản phẩm gởi dữ liệu lên trên Internet hoặc chỉ gởi lên trên các máy chủ có sẵn Sau đây là một vài hệ thống giám sát thời tiết

1.4.1 Davis 6250 Vantage Vue

Hệ thống này dùng để giám sát tình hình thời tiết không dây, khoảng cách tối đa

để truyền dữ liệu khoảng 300 m thông qua một màn hình LCD Các thông số đo đạc được bảo gồm nhiệt độ, tốc độ gió, hướng gió, độ ẩm, lượng mưa và áp suất khí quyển

Nó hoạt động dựa trên nguồn năng lượng mặt trời nên có thể được đặt ở các khu vực khác nhau, sử dụng sóng radio để truyền tải thông tin và lưu trữ thông tin tại thiết bị, thời gian lưu trữ lượng mưa, tốc độ gió, hướng gió cập nhật chưa theo thời gian thực

Ưu điểm và cũng là nhược điểm của hệ thống này là do sử dụng năng lượng mặt trời nên hệ thống hoạt động không được ổn định khi trời nhiều mây hoặc mưa Việc truyền tải thông tin ở khoảng cách gần nên chỉ áp dụng được trong các ứng dụng cơ bản

1.4.2 Ambient Weather WS-1001 Wifi

Hệ thống không dây Ambient Weather WS-1001 được sử dụng để có thể đo các thông số thời tiết cả trong và ngoài tự nhiên, sử dụng tầng số 915 MHz để kết nối và đưa ra các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, hướng do, tia UV và lượng mưa

Sử dụng các cảm biến từ -400 C đến 650C Với hệ thống này thì dữ liệu được cập nhật khoảng 14 giây một lần và có thể tích hợp vào trang thông tin dữ liệu https://www.wunderground.com, nơi lưu trữ thông tin dữ liệu môi trường trên Internet hoặc có thể sử dụng các ứng dụng trên các thiết bị sử dụng hệ điều hành IOS hoặc Android để triển khai

1.4.3 Các hệ thống giám sát thời tiết sử dụng nền tảng IoT

Thực tế tính đến thời điểm hiện nay, việc triển khai các hệ thống giám sát thời tiết sử dụng nền tảng IoT có rất ít các sản phẩm mang tính thương mại Hầu hết các

sản phẩm đều nằm ở giai đoạn nghiên cứu và phát triển Đa số đều sử dụng các mini computer như Arduino hay Rasberry PI để triển khai kết nối, cấu hình và liên kết các cảm biến với nhau Việc sử dụng nền tảng hỗ trợ các thiết bị IoT nào cũng chưa xác định rõ ràng bởi các nhà cung cấp dịch vụ hiện nay rất nhiều, có thu phí như Amazon Web Services IoT (https://aws.amazon.com/iot/), Microsoft Azure IoT Hub (https://www.microsoft.com/en-us/internet-of-things/azure-iot-suite), IBM Waston (ibmbigdatahub.com)… hay miễn phí như Kaa IoT (kaaproject.org), Thinger.io (https://thinger.io/)

Trên cơ sở đó, bước đầu học viên đã nghiên cứu các ưu, nhược điểm của các hệ thống đang có để có những phải pháp, phương thức và lựa chọn hợp lý các nền tảng hỗ

trợ IoT để giải quyết bài toán “Xây dựng hệ thống giám sát thời tiết dựa trên nền tảng IoT”

Chương 2 - ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP

Trong chương này, tôi sẽ tập trung trình bày mô hình để xây dựng một "Hệ thống giám sát thông tin thời tiết" Đề xuất giải pháp sử dụng các cảm biến ghi nhận các thông tin môi trường cũng như cách kết nối các cảm biến với nhau, cách thức gởi

dữ liệu từ một thiết bị vật lý lên điện toán đám mây sử dụng nền tảng Internet of things của Microsoft

2.1 Giới thiệu bài toán

Hiện nay, để thu thập các thông tin về thời tiết thông thường được tham khảo qua các kênh thông tin được cung cấp miễn phí hoặc có phí ở trên Internet như accuweather.com, weather.com Tại Việt Nam thì có dữ liệu từ Trung tâm dự báo khí tượng thủy văn Trung ương (www.nchmf.gov.vn) hoặc tham khảo qua các thiết bị đo thông số môi trường như Oregon Scientific Helios hay AccuRite 02007 Tuy nhiên các dữ liệu này hoặc là mang tính chất cục bộ tại một địa điểm cụ thể, hoặc là chỉ thể hiện thông số theo giờ Bài toán đặt ra là chúng ta sẽ tận dụng nền tảng Internet để xây dựng một hệ thống giám sát thời tiết khắc phục được 2 điểm yếu của các thiết bị hiện nay để từ đó xây dựng được một mạng lưới các điểm giám sát thời tiết có chi phí và sử dụng năng lượng thấp, các thông số cơ bản về môi trường được truyền tải và hiển thị

và lưu trữ thời gian thực Tận dụng một số tính năng nổi trội của các nhà cung cấp dịch

vụ hỗ trợ cho các thiết bị IoT, phân tích hệ thống dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo để từ

đó có thể đưa ra các mô hình dự đoán thời tiết được chính xác và cụ thể hơn

Chính vì vậy, việc xây dựng hệ thống với mong muốn hỗ trợ tích cực hơn trong việc thu thập các dữ liệu thông tin môi trường từ các địa điểm địa lý khác nhau và sử dụng các giao thức truyền tin để truyền tải thông tin lên Internet và sử dụng một số công cụ trực tuyến để hiển thị, lưu trữ, lọc và phân tích dữ liệu đã thu thập được phục

vụ cho tất cả các nhu cầu liên quan đến môi trường như nông nghiệp, công nghiệp, dịch vụ du lịch

Như vậy, một hệ thống giám sát thông tin môi trường sẽ cần có các chức năng

cơ bản như:

- Hiển thị thời gian thực dữ liệu thông tin môi trường ngay tại địa điểm cục bộ

- Hiển thị thời gian thực dữ liệu thông tin môi trường tại các điểm đo đạc được đến máy chủ giám sát trung tâm thông qua hệ thống có dây hoặc không dây

- Sử dụng các giao thức truyền tin truyền tải và xử lý thông tin trên nền điện toán đám mây

- Hiển thị thời gian thực dữ liệu thông tin môi trường đã được xử lý tại các điểm đo đạc được sử dụng các dịch vụ hỗ trợ các thiết bị IoT

Qua yêu cầu trên, chúng ta xác định được các thông số đầu vào là điều kiện hiện tại của thời tiết tại các địa điểm giám sát như nhiệt độ, độ ẩm hay áp suất khí quyển, cường độ ánh sáng, tốc độ gió và hướng gió Các thông số này sẽ được tiếp nhận, số hóa và truyền tải dữ liệu lên hệ thống điện toán đám mây hỗ trợ các thiết bị IoT Tại đây, chúng ta xử lý dữ liệu một cách trực tuyến tùy theo yêu cầu hoặc trong tương lai có thể tận dụng trí tuệ nhân tạo để có thể đưa ra những dữ liệu theo yêu cầu hoặc những dự đoán trên cơ sở các số liệu đã được tổng hợp và gởi về một cách nhanh chóng và kịp thời

2.2 Mô hình đề xuất

Để đưa ra một giải pháp đồng bộ giải quyết bài toán thu thập thông tin về độ

ẩm, nhiệt độ, ánh sáng dựa trên nền tảng IoT hiện nay là một vấn đề khó khăn Đây là một bài toán kết hợp và đồng bộ về mặt vật lý giữa các thiết bị cảm biến vật lý đến việc đồng bộ về mặt dữ liệu thời gian thực

Hiện nay, có rất nhiều giải pháp cho việc xử lý các công việc thu thập dữ liệu nêu trên tuy nhiên mang tính chất rời rạc, chưa đồng nhất về mặt thiết bị Chẳng hạn

để đo nhiệt độ, độ ẩm thì có các cảm biến DHT11, SHT10…, cảm biến đó cường độ ánh sáng BH1750 hay cảm biến đo áp suất khí quyển BM180, HP032 Về IoT Platform thì cũng có rất nhiều các nhà cung cấp dịch vụ có thể ứng dụng để triển khai việc thu thập và xử lý dữ liệu như tại Việt Nam thì có koor.io, smartlines cũng như một số nhà cung cấp lớn như Microsoft, Errisson, Google, Logmein

Chính vì vậy, trong khuôn khổ luận văn này sẽ trình bày một giải pháp tổng thể tận dụng được tối đa sự đồng bộ về mặt phần cứng cũng như lựa chọn sử dụng một nền tảng IoT ổn định để có thể giải quyết được yêu cầu bài toán đặt ra Đó là sử dụng

hệ sinh thái cảm biến Tinkerforge, đây là một hệ sinh thái có nhiều giải pháp đồng bộ,

mã nguồn mở đồng thời hỗ trợ đa dạng các ngôn ngữ lập trình được Sau đó, dữ liệu được trích xuất và hiển thị trên màn hình LCD của thiết bị, trên Computer và trên Power BI sau khi tiến hành kết nối dữ liệu lên Azure IoT Hub của Microsoft

Mô hình bài toán xây dựng sẽ bao gồm bốn khối chức năng chính, chức năng của mỗi khối dự kiến như sau:

Khối cảm biến: Chứa các cảm biến đo được các thông số của môi trường như

nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, ánh sáng, tốc độ gió và hướng gió

Khối số hóa dữ liệu: Đối với một số cảm biến không chuyển đổi được trực tiếp

sang dữ liệu số, ADC (Analog Digital Converter) có nhiệm vụ chuyển đổi dữ liệu đã

đo được chuyển sang một loại dữ liệu có thể kiểm soát được dưới dạng số

Khối xử lý dữ liệu: Đây là các bộ vi xử lý hoặc các mini computer chịu trách

nhiệm tiếp nhận, chuyển đổi các dữ liệu từ các cảm biến hoặc các bộ chuyển đổi ADC sau đó tiếp nhận và truyền thông tin đến các nơi tiếp nhận

Khối hiển thị: Dữ liệu sau khi được xử lý bởi Khối xử lý dữ liệu sẽ gởi đến đây

để hiển thị kết quả hoặc gởi lên các dịch vụ trên nền điện toán đám mây xử lý và sử dụng cho các nhu cầu khác nhau

Hình 2.5 Mô hình một hệ thống giám sát thời tiết

2.3 Đề xuất hệ thống phần cứng

2.3.1 Master Brick

a) Miêu tả:

Master Brick được sử dụng cho hai mục đích sau:

- Đầu tiên là nó có bốn cổng kết nối dành cho các Bricklet phù hợp cho các ứng dụng nơi mà cần sử dụng nhiều cảm biến Nó có thể được điều khiển trực tiếp thông qua giao diện USB của Master Brick Nó có thể được sử dụng cho các cảm biến sử dụng giao diện USB như cảm biến đo nhiệt độ hoặc độ ẩm, hoặc giống như một USB điều khiển, giống như một bộ relays để thu thập cho các nhu cầu cá nhân cần sử dụng

Thứ hai là Master Brick có thể được sử dụng cho mục đích giao tiếp Khi xây dựng một chồng các Brick thì Master Brick thấp nhất hoạt động như là một thiết bị quản lý ngăn xếp đó và định tuyến tất cả các giao tiếp giữa các bảng điều khiển của ngăn xếp đó và điều khiển thiết bị Những Master Brick khác trong ngăn xếp được xác định không phải là ở dưới cùng thì nhiệm vụ của nó chỉ để các Bricklet kết nối đến mà thôi Và chỉ cần duy nhất một kết nối USB đến Master Brick thấp nhất là cần thiết

Việc kết nối bằng giao diện USB của Master Brick cũng có thể thay đổi bằng Master Extension Có thể dùng các Master Extension kết nối có dây dùng các giao thức Ethernet, RS485 hoặc giao diện không dây như Wifi Master Extension phải được gắn lên trên cùng của Master Brick và sẽ được nhận diện như một giao diện mới Bằng cách này thì các Brick và Bricklet có thể được điều khiển trực tiếp từ thiết bị ở trong

Hiển thị LCD Display Hiển thị PC

Azure IoT

Dữ liệu

Hiển thị

dữ liệu trên Power BI MQTT JSON

CẢM BIỂN SỐ HÓA

DỮ LIỆU

XỬ LÝ DỮ LIỆU

cùng hệ thống mạng (Wifi hoặc Ethernet) và cũng có thể kết nối liên kết trong một khoảng cách lớn hơn nếu sử dụng giao thức RS485 Một ngăn xếp tối đa bao gồm các thiết bị sau (tính từ dưới lên trên): 01 bộ nguồn cung cấp, 01 Master Brick, 8 Brick chuyên biệt, 02 Master Extension Như vậy với một ngăn xếp gồm khoảng 9 Master Brick sẽ có tối đa 36 Bricklets có thể nối tới

b) Đặc điểm:

- Có khả năng kết nối lên đến 4 Bricklet thông qua cổng USB

- Là thiết bị cơ bản để xây dựng các chồng kết nối

- Có khả năng kết nối với các thiết bị có dây hoặc bộ phát không dây

Thông số kỹ thuật kỹ thuật:

Thuộc tính Giá trị

Kích thước (R x D x C) 40 x 40 x 19mm (1.57 x 1.57 x 0.75")

Công suất tiêu thụ 410mW (82mA at 5V)

Hình 2.6 Sơ đồ kết nối một Brick

2.3.2 Hệ thống cảm biến môi trường:

a) Cảm biến nhiệt độ, áp suất khí quyển:

Để đo áp suất, nhiệt độ khí quyển, chúng ta sẽ sử dụng Barometer Bricket để đo áp suất khí quyển nằm trong khoảng từ 10 đến 1200 mbar với độ chính xác khoảng 0.012 bar, đồng thời hệ thống cũng đo đạc được nhiệt độ Bricklet này được trang bị cảm biến MS5611-01BA01 của hãng MEAS Thụy Sĩ, con cảm biến này cũng được sử dụng

để đo độ cao

Thông số kỹ thuật:

Thuộc tính Giá trị

Khoảng áp suất đo được 10 - 1200mbar

Độ chính xác (25°C, 750mbar) +/- 1.5mbar

Kích thước (D x R x C) 25 x 15 x 5mm (0.98 x 0.59 x 0.19")

Hình 2.7 Bricklet Barometer b) Cảm biến ánh sáng

Để đo cường độ ánh sáng , ta sử dụng The Ambient Light Bricklet, đơn vị đo ánh sáng được xuất ra đơn vị Lux Nó có thể đo được ánh sáng xung quanh lên đến

900 lux, với mỗi bước nhảy là 0,1 lux (độ phân giải 12 bits)

Thông số kỹ thuật

Cường độ sáng 0lux - 900lux in 0.1lux steps, 12bit resolution

Kích thước (D x R x C) 25 x 15 x 5mm (0.98 x 0.59 x 0.19")

Hình 2.8: Ambient Light Bricklet