Nghiên cứu iot trong nông nghiệp công nghệ cao

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn L ỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫ

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN VĂN HẢI

NGHIÊN CỨU IOT TRONG NÔNG NGHIỆP

CÔNG NGHỆ CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

THÁI NGUYÊN - 2020

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGHIÊN CỨU IOT TRONG NÔNG NGHIỆP

CÔNG NGHỆ CAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60.52.02.03

HỌC VIÊN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS ĐÀO HUY DU KHOA CHUYÊN MÔN

TRƯỞNG KHOA

THÁI NGUYÊN - 2020

Trang 3

L ỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Văn Hải

Sinh ngày: 10/10/1981

Học viên lớp cao học CHK20KTĐT - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

- Đại học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường Cao Đẳng Kỹ Kỹ Thuật Công Nghiệp

Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu IOT trong nông nghiệp công nghệ

cao ” do Thầy giáo PGS.TS Đào Huy Du hướng dẫn là công trình nghiên cứu của

riêng tôi Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật

Thái Nguyên, ngày 28 tháng 3 n ăm 2020

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Hải

Trang 4

L ỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS.Đào Huy Du, luận

văn với đề tài “Nghiên cứu IOT trong nông nghiệp công nghệ cao” đã hoàn thành

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS.Đào Huy Du đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi

hoàn thành luận văn này

Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp và đặc biệt là các Thầy, cô trong Khoa Điện tử đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện và hoàn thành luận văn này./

Thái Nguyên, ngày 28 tháng 3 n ăm 2020

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Hải

Trang 5

M ỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 2

1.1 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 2

1.1.1 Trên thế giới 2

1.1.2 Tình hình trong nước 5

1.2 Tính cấp thiết của luận văn 6

1.3 Phạm vi nghiên cứu của luận văn 7

1.4 Mục tiêu của luận văn 7

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ INTERNET OF THINGS 8

2.1 Tổng quan về Internet of Things 8

2.1.1 Giới thiệu về mô hình Internet of Things (IoT) 8

2.1.1.1.IoT 8

2.1.1.2.Xu hướng và tính chất của IoT 9

2.1.1.2.1.Sự thông minh 9

2.1.1.2.2.Kiến trúc dựa trên sự kiện 10

2.1.1.2.3.Là một hệ thống phức tạp 10

2.1.1.2.4.Kích thước 10

2.1.1.2.5.Vấn đề không gian, thời gian 10

2.1.1.2.6.Luồng năng lượng mới 10

2.1.1.3 Những thách thức ảnh hưởng đến sự phát triển của mô hình IoT 11 2.1.1.3.1.Chưa có sự chuẩn hóa 11

2.1.1.3.2.Hàng rào subnetwork 11

2.1.1.3.3.Chi phí phát triển mạng 12

2.1.2 Các công nghệ thành phần 12

2.1.2.1 Hệ thống nhúng (Embedded Sstems) 13

2.1.2.1.1.Định nghĩa 13

2.1.2.1.2.Đặc điểm 13

2.1.2.1.3.Kiến trúc phần mềm của hệ thống nhúng 14

Trang 6

2.1.2.2.Mạng cảm biến không dây và mạng cảm biến rộng khắp (Wireless

Sensor and Ubiquitous Sensor Networks ) 14

2.1.2.3 Máy tính di động(Mobile Computing) 15

2.1.2.4.Mạng máy tính (Computer Networking) 17

2.1.3.Cấu trúc mạng mở rộng 18

2.1.4.Các mô hình ứng dụng của IoT 19

2.1.4.1.Lưới điện thông minh 20

2.1.4.2.Nhà thông minh 20

2.1.4.3.Tự động hóa tòa nhà 21

2.1.4.4.Mạng các thành phố và đô thị thông minh 22

2.1.4.5.Hệ thống giao thông thông minh 22

2.1.5.Phần cứng và phần mềm của một node mạng trong mô hình ứng dụng IoT 23

2.1.5.1.Phần cứng 23

2.1.5.2.Phần mềm 23

2.2.Kiến trúc tham chiếu của IoT 24

2.2.1.Tổng quan 24

2.2.2.Phân loại thiết bị IoT và phương thức kết nối Internet 25

2.2.3.Các yêu cầu của kiến trúc tham chiếu cho IoT 26

2.2.4.Mô hình tham chiếu của IoT 27

2.2.4.1.Lớp thiết bị (Devices) 28

2.2.4.2.Lớp truyền thông (Communications) 28

2.2.4.3 Lớp hợp nhất/Bus (Aggregation/ Bus) 29

2.2.4.4 Lớp xử lý sự kiện và phân tích (Event Processing and Analytics) 29

2.2.4.5 Lớp truyền thông ngoài (External Communication) 30

2.2.4.6 Lớp quản lý thiết bị (Device Management) 30

2.2.4.7 Lớp quản lý định danh và truy nhập (Identity and Access Management) 30

2.3.Giới thiệu về điện toán đám mây 30

2.3.1.Giới thiệu chung 30

2.3.2.Các đặc điểm 33

Trang 7

2.3.2.1.Tự sửa chữa 33

2.3.2.2.Nhiều người sử dụng 33

2.3.2.3.Khả năng mở rộng tuyến tính 33

2.3.2.4.Hưởng dịch vụ 33

2.3.2.5.Điều khiển SLA (Service level agreement) 33

2.3.2.6 Khả năng ảo hóa 34

2.3.2.7 Linh hoạt 34

2.4 Các công nghệ truyền thông trong IoT 34

2.4.1 Radio Frequency Identification (RFID) 34

2.4.2 Bluetooth 35

2.4.3 Zigbee 37

2.4.4 Wifi 41

2.4.5.RF Links 43

2.4.6 Mạng di động: Internet di động (Cellular Networks: The Mobile Internet) 43

2.4.7 Truyền thông có dây (Wired Communication) 44

2.4.8 Lựa chọn công nghệ truyền thông cho IoT 45

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TƯỚI TRONG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH 47

3.1.Cơ sở lý thuyết áp dụng tính toán chế độ tưới 47

3.1.1.Phương trình cân bằng nước tưới 47

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG TƯỚI CHÈ TỰ ĐỘNG 53

4.1.Kỹ thuật tưới phun mưa 53

4.2 Lựa chọn loại vòi phun 53

4.2.1 Phân loại vòi phun 53

4.2.2.Lựa chọn vòi phun 54

4.3 Xác định cường độ phun mưa 54

4.3.1 Xác định theo lý thuyết 54

4.3.2 Xác định theo số liệu thực đo ngoài hiện trường 55

4.3.3.Độ đồng đều của tưới phun mưa 56

4.4.Kỹ thuật bố trí vòi phun 56

4.4.1 Sơ đồ bố trí vòi phun 56

Trang 8

4.4.2 Tính toán số vòi phun và thời gian tưới một lần 57

4.4.3 Khoảng cách giữa các vòi phun 58

4.4.4 Bố trí đường ống 58

4.4.5.Tính toán thủy lực đường ống 59

4.5 Xác định lưu lượng và cột nước thiết kế cho máy bơm, động cơ 61

4.5.1 Lưu lượng thiết kế 61

4.5.2 Cột nước thiết kế 61

4.6 Thiết kế mô hình tưới chè áp dụng công nghệ tưới phun mưa tự động 63

4.6.1 Vùng nghiên cứu: 63

4.6.2 Xác định công suất động cơ 63

4.6.3 Thiết kế hệ thống lưu trữ nước tưới 65

4.7.Lựa chọn thiết bị trong hệ thống điều khiển giám sát hệ thống tưới chè tự động 66 4.7.1 Hệ thống cảm biến độ ẩm đất 66

4.7.2.Phương thức truyền thông 68

4.7.3.Thiết kế bộ điều khiển tưới nước tự động cho cây chè 69

4.7.3.1 Mô hình tổng thể hệ thống tưới tự động 69

4.7.3.2 Sơ đồ mạch nguyên lý và các thiết bị trong hệ thống 71

4.7.4.Thiết kế phần mềm điều khiển hệ thống tưới tự động dựa trên độ ẩm và nhiệt độ 77

4.7.4.1.Chương trình chính điều khiển hệ thống 77

4.7.4.2.Chương trình điều khiển thiết bị 79

4.7.4.3 Chương trình điều khiển và kiểm tra trạng thái thiết bị 79

4.7.4.4 Chương trình chính điều khiển thiết bị qua tin nhắn 82

4.7.4.5 Chương trình chính Gửi/Nhận dữ liệu và giải mã địa chỉ 82

4.7.5.Hệ thống điều khiển tưới chè dựa vào độ ẩm và nhiệt độ 85

4.8 Kết luận chương 4 85

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 87

1 Kết quả nghiên cứu đã đạt được 87

3 Hướng phát triển của luận văn 87

Trang 9

DANH M ỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Mô hình IoT trong nông nghiệp công nghệ cao 8

Hình 2.2 Mô hình các công nghệ thành phần của IoT 12

Hình 2.3 Mô hình hệ thống nhúng giám sát điều khiển từ xa 13

Hình 2.4 Mô hình mạng cảm biến chuyển tiếp thông tin đến trạm gốc 14

Hình 2.5 Mô hình Mobile Computing 16

Hình 2.6 Mô hình Computing Netwworking 17

Hình 2.7 Mô hình mạng mở rộng 18

Hình 2.8 Mô hình TCP/IP 19

Hình 2.9 Kiến trúc phần cứng của hai đối tượng thông minh được trang bị các loại thiết bị truyền thông khác nhau 23

Hình 2.10 Cấu phần của IoT 24

Hình 2.11 Hai mô hình kết nối của thiết bị IoT 26

Hình 2.12 Mô hình tham chiếu của IoT 27

Hình 2.13 Mô hình của điện toán đám mây 32

Hình 2.14 Cơ chế hoạt động của thẻ RFID 34

Hình 2.15 Một loại thẻ chip RFID phổ biến 35

Hình 2.16 Hình ảnh module Bluetooth HC05 36

Hình 2.17 Mô hình mạng Zigbee 39

Hình 2.18 Cấu trúc của Zigbee 40

Hình 2.19 Mô hình thu phát song Wifi 42

Hình 2.20 Module GPRS 44

Hình 4 1 Các sơ đồ bố trí vòi phun mưa 57

Hình 4 2 Cắt dọc một đường ống tưới phun mưa cho chè 59

Hình 4 3 Cảm biến độ ẩm đất (Moisture Sensor) 66

Hình 4.4 Module Sim 900A 68

Hình 4.5 Sơ đồ khối hệ thống tưới nước tự động 70

Hình 4.6 Sơ đồ mạch tổng thể của hệ thống 71

Hình 4.7 Hệ thống Simatic S7 1200 71

Hình 4.8.CPU SIMATIC S7-1200 72

Hình 4.9 CPU và các Module mở rộng Modules mở rộng tín hiệu vào/ra: 74

Trang 10

Hình 4.10 Sơ đồ giải thuật chương trình chính 78

Hình 4.11 Sơ đồ giải thuật chương trình điều khiển thiết bị chấp hành 79

Hình 4.12 Sơ đồ giải thuật chương trình điều khiển Bật thiết bị chấp hành 80

Hình 4.13 Sơ đồ giải thuật chương trình điều khiển Tắt thiết bị chấp hành 80

Hình 4.14 Sơ đồ giải thuật chương trình kiểm tra trạng thái các thiết bị 81

Hình 4.15 Giải thuật gửi nhận tin nhắn 82

Hình 4.16 Giải thuật chương trình Nhận dữ liệu 83

Hình 4.17 Giải thuật chương trình Gửi dữ liệu 83

Hình 4.18 Giải thuật chương trình giải mã địa chỉ 84

Trang 11

DANH M ỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

API - Giao diện lập trình ứng dụng (Application Programming

Interface)

IERC - Trung tâm Nghiên cứu IoT châu Âu (European Internet of

Things Research Cluster)

IoT - Internet vạn vật (Internet of Things )

LTE - Tiến hóa dài hạn (Long Term

Evolution)

M2M - Máy - Máy (tương tác) (Machine-to-Machine)

MEMS - Hệ thống vi cơ điện tử (Micro-Electro-Mechanical Systems)

PLC - Bộ điều khiển logic khả trình (Programmable Logic

Controller), RFID - Nhận dạng bằng tần số vô tuyến (Radio-frequency

identification)

Trang 12

L ỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, con người ngày càng chế tạo ra được nhiều các vật dụng thông minh hơn, hiện đại hơn Từ đó có thể tối ưu

hóa các nhu cầu của con người một cách dễ dàng hơn Mỗi giai đoạn phát triển của

lịch sử thế giới đều gắn liền với những cuộc cách mạng về khoa học kĩ thuật.Và ngày nay, cuộc cách mạng Internet of Things đã tạo nên những thay đổi đáng kể cho cuộc sống con người ở hiện tại và trong tương lai

Internet of Things được ứng dụng vào rất nhiều mặt của cuộc sống Ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, giáo dục , y tế… Đặc biệt là ứng dụng trong việc giám sát sự thay đổi của môi trường, và việc thu thập và đánh giá nhiệt độ độ ẩm môi trường là một phần trong đó.Việc giám sát được nhiệt độ, độ ẩm môi trường thông qua internet là một điều mang tính ứng dụng cao Nhiệt độ, độ ẩm là một trong những đại lượng vật lý được quan tâm nhiều do nó có vai trò quyết định trong nhiều

tính chất của vật chất Vì thế luận văn: “Ứng dụng công nghệ Internet of Things

trong nông nghiệp thông minh” đảm bảo tính cấp thiết, quan trọng mà xã hội phát

triển đặt ra Luận văn có bố cục như sau:

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Giới thiệu về Công nghệ Internet of Things

Chương 3 Cơ sở ứng dụng công nghệ tưới trong nông nghiệp thông minh Chương 4 Thiết kế và lắp đặt hệ thống tưới chè tự

động

Trang 13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

1.1 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài

Với sự phát triển của Internet, smartphone và đặc biệt là các thiết bị cảm biến, Internet of Things (IoT) đang trở thành xu hướng mới của thế giới IoT được định nghĩa là những vật dụng có khả năng kết nối Internet Bạn vào nhà, mở khóa cửa, đèn sẽ tự động sáng chỗ bạn đứng, điều hòa sẽ tự động điều chỉnh nhiệt độ, nhạc sẽ

tự động bật để chào đón bạn… những điều chỉ có trong phim khoa học viễn tưởng, đang dần trở thành hiện thực với công nghệ IoT

Việc giám sát được nhiệt độ, độ ẩm môi trường là một vấn đề rất quan trọng trong các ngành công nghiệp cũng như nông nghiệp, và thật là tuyệt vời nếu ở bất

kỳ nơi đâu và lúc nào nếu bạn có internet thì bạn đề có thể làm được điều đó Công nghệ Internet of Things khiến điều này trở lên dễ dàng hơn

Nhiệt độ, độ ẩm là một trong những đại lượng vật lý được quan tâm nhiều do

nó có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất Một trong những đặc điểm của nhiệt độ là làm thay đổi liên tục các đại lượng chịu sự ảnh hưởng của nó,

ví dụ như áp suất, thể tích của một chất khí Nó cũng là yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến chính con người chúng ta và tất cả sự sống trên trái đất Ngày nay khi nền công nghiệp phát triển mạnh, sản phẩm tạo ra ngày càng phong phú thì nhu cầu lưu trữ hàng hóa trong các nhà kho càng lớn.Việc kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm khi bảo quản, lưu trữ sản phẩm công– nông nghiệp trong các nhà kho là rất quan trọng Cũng giống như vậy, trong các phòng thí nghiệm trong bệnh viện, trong các nhà kính trồng cây cảnh, khu sản xuất rau sạch…việc đảm bảo nhiệt độ, độ ẩm cũng là yếu tố quan trọng quyết đến đến chất lượng sản phẩm

1.1.1 Trên thế giới

Thế giới đang chuyển mình mạnh mẽ trước xu thế "Internet of Things" (IoT) Tới năm 2021, dự kiến sẽ có 28 tỉ thiết bị kết nối trong đó có 15 tỉ thiết bị kết nối IoT

Theo báo cáo Ericsson Mobility Report, tới năm 2021, dự kiến sẽ có 28 tỉ thiết

bị kết nối trong đó có 15 tỉ thiết bị kết nối IoT bao gồm thiết bị M2M (machine-to-machine) như đồng hồ đo thông minh, cảm biến trên đường, địa điểm

Trang 14

bán lẻ, các thiết bị điện tử tiêu dùng như ti vi, đầu DVR, thiết bị đeo 13 tỉ còn lại

là điện thoại di động, máy tính xách tay PC, máy tính bảng

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

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

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

là 11.000 tỉ đô la Mỹ

Tới năm 2021, dự kiến số thuê bao sẽ lên tới 9,1 tỉ Số thuê bao này cao hơn

số dân bởi mỗi người có thể sở hữu nhiều thiết bị Trong các kết nối IoT như vậy,

sẽ có bao gồm cả những có đăng ký thuê bao SIM/eSIM được gắn ngay trong thiết

bị và cả những thiết bị như điện tử tiêu dùng không cần dùng SIM (Non-SIM)

IoT đang diễn ra một cách mạnh mẽ 50% doanh nghiệp đã bắt đầu triển khai những dự án về IoT IoT mang lại một cơ hội doanh thu cho rất nhiều ngành và những giải pháp đó bắt đầu thương mại hóa với tốc độ rất nhanh Ngành dịch vụ tiện ích, giao thông, tòa nhà thông minh và các ngành bán lẻ là những ngành đi đầu trong việc ứng dụng IoT

Tháng 2 vừa qua IBM giới thiệu một công cụ phát triển mã nguồn mở mới được gọi là Quarks Công cụ này được cho là sẽ giúp các nhà sản xuất và nhà lập trình phát triển ứng dụng của mình hiệu quả hơn, dựa trên dữ liệu từ các cảm biến của thiết bị Internet of Things (IoT)

Ứng dụng của Quarks: Thực chất, Quarks dựa trên nền tảng các sản phẩm

của IBM Streams, một công cụ doanh nghiệp giúp xử lý lượng lớn các dữ liệu trực tiếp Nhưng Quarks khác biệt ở chỗ, nó được thiết kế từ đầu để cung cấp cho các nhà sản xuất và nhà lập trình một công cụ mã nguồn mở, cho việc xây dựng các ứng dụng dựa trên các thiết bị kết nối Ý tưởng này là một biện pháp để họ tận dụng lợi thế để xử lý dữ liệu trực tiếp từ các thiết bị IoT theo cách đơn giản và hiệu quả Ví

dụ, bạn có thể theo dõi sức khỏe của một bệnh nhân tiểu đường với các thiết bị đeo trên người, hoặc một nhân viên làm việc tại mỏ than với chiếc mũ bảo hiểm có gắn các cảm biến Mỗi tình huống này đều liên quan đến việc giám sát dữ liệu ngay khi cảm biến thu nhận được, sau đó truy cập và truyền dữ liệu đó theo thời gian thực tới người hay thiết bị cần thiết Ví dụ, khi một cảm biến trên mũ bảo hiểm của người

Trang 15

thợ mỏ phát tín hiệu cảnh báo điều kiện không an toàn, họ cần được biết ngay lập tức Sẽ không thể có độ trễ khi thiết bị truyền dữ liệu về cơ sở dữ liệu của doanh nghiệp, để so sánh với các dữ liệu khác Trong khi các chương trình có thể tạo điều kiện đẩy nhanh tốc độ giao tiếp giữa thiết bị và thiết bị, thiết bị và con người, nhưng tiềm năng của chúng vẫn chưa kết thúc tại đây Các phần mềm còn có thể gửi các

dữ liệu về doanh nghiệp, để có thể so sánh được với lượng dữ liệu lớn hơn thông qua các thiết bị tương tự theo thời gian Ví dụ với một thiết bị y khoa, các nhà nghiên cứu có thể xem làm thế nào một nhóm người phản ứng với phác đồ điều trị theo thời gian, hay bác sỹ của các bệnh nhân có thể nhận dữ liệu một cách thường xuyên

để theo dõi sức khỏe của các bệnh nhân

Thậm chí, các phần mềm có thể liên kết với nền tảng Watson Health của IBM,

để có thể đánh giá tập dữ liệu trong điều kiện y tế Sau đó, nền tảng này sẽ gửi lại phản hồi cho người bệnh hay bác sỹ để đưa ra phương pháp điều trị thích hợp

Đại diện Ericsson cho biết, ngay từ đầu năm 2016, hãng này đã giới thiệu giải pháp Connected Water với nhiệm vụ giám sát chất lượng nước dựa trên kết nối 4G/LTE và Internet of Things tại triển lãm CES (Mỹ) Ericsson và nhà mạng AT&T hợp tác triển khai giải pháp giúp tổ chức bảo vệ sông Chattahoochee ở Atlanta kiểm soát nước sông và cảnh báo kịp thời về sự ô nhiễm Lưu vực sông này được sử dụng

để cung cấp nguồn nước sinh hoạt cho hơn 4.000 người dân Các thiết bị cảm biến đầu tiên được đặt ở khu vực đầu nguồn con sông tại Proctor Creek Dòng chảy của con sông này ảnh hưởng tới hơn 60.000 người dân sinh sống ở các khu công nghiệp, khu dân cư, công viên, trường học quanh đó Connected Water đặt những cảm biến giá thành rất thấp vào dòng nước trong hệ thống sông hồ Chúng có vai trò đo và ghi nhận thời gian thực các thông số quan trọng về chất lượng nước như độ sạch, lượng kim loại nặng và liên tục chuyển thông số này qua đám mây và mạng di động thông qua công nghệ LTE Low Power Wide Area (LSWA) Các thiết bị này có tuổi thọ pin rất lâu đảm bảo tính hiệu quả lâu dài, giúp chính quyền địa phương giám sát hiệu quả và có hành động kịp thời, nhanh chóng đối với các vấn đề ô nhiễm nếu xảy

ra

Trang 16

Trên thế giới đã và đang nghiên cứu một số hệ thống, thiết bị đo nhiệt độ trong tất cả các lĩnh vực có thể kể đến như :

Nhà chế tạo chip vi điều khiển hàng đầu thế giới – Atmel đã cho ra mắt dòng chip đo nhiệt độ có tên gọi AT30TS750, truyền thông theo giao thức số với bộ nhớ EEPROM tích hợp

Alfredo Milani Comparetti đã cho ra đời phần mềm Speedfan theo dõi điện áp, tốc độ quạt và nhiệt độ trong máy tính với màn hình phần cứng chip

Tại Úc các nhà vật lý học thuộc Đại học Adelaide tuyên bố đã chế tạo thành công nhiệt kế chính xác nhất thế giới

Hãng Cypress Micro System đã cho ra đời công nghệ PSOC (Programmable System On Chip) để có thể phát triển các thiết bị đo nhiệt độ dựa trên công nghệ này

1.1.2 Tình hình trong nước

Trước việc IoT phát triển mạnh mẽ trên thế giới, Việt Nam cũng là một nước đón đầu xu thế mới Ngày 13/11/2015, trong khuôn khổ hội nghị quốc tế với chủ đề: Ứng dụng của Internet of Things cho đô thị thông minh và chất lượng cuộc sống diễn ra tại khu công nghệ cao TP.HCM (SHTP), các ứng dụng IoT trong thực tế, xu hướng công nghệ và thị trường của IoT, khởi nghiệp cùng IoT cùng khuyến nghị của chuyên gia về phát triển trên nền tảng IoT tiếp tục được các nhà khoa học và các chuyên gia trao đổi

Tuy vậy, hiện chưa có ứng dụng IoT thực sự nào ảnh hưởng mạnh tới đời sống

xã hội trong nước Với giao thông , trong thời gian tới một số ứng dụng như thu phí không dừng, phạt nguội bằng camera dự báo sẽ phổ biến tại các thành phố lớn như TP.HCM, Hà Nội Các lĩnh vực tiềm năng như y tế điện tử, nông nghiệp thông minh, bất động sản thông minh sẽ cần thêm thời gian để có những ứng dụng IoT phù hợp với Việt Nam

Trong công nghiệp nội địa, sản phẩm IoT của doanh nghiệp trong nước hiện chỉ đếm được trên đầu ngón tay như: sản phẩm chip vi mạch của Trung tâm Nghiên cứu và đào tạo thiết kế vi mạch - ICDREC; hệ thống cảm ứng độ ẩm, nhiệt độ trong nông nghiệp của công ty Mimosa tại hệ sinh thái khởi nghiệp công nghệ - khu

Trang 17

công nghệ phần mềm đại học quốc gia TP.HCM; chương trình TUHOC STEM và các dịch vụ trên nền OEP của công ty DTT (trụ sở chính tại Hà Nội)

Các hệ thống IoT tại Việt Nam hiện có đều là của các doanh nghiệp nước ngoài, các doanh nghiệp trong nước mới chỉ tập trung vào các ứng dụng trên nền tảng điện thoại di động, máy tính và còn chưa khai thác hết tính thông minh của các

hệ thống cảm biến hay khai thác dữ liệu big data Và đặc biệt các thiết bị phần cứng thì hầu hết là nhập khẩu như camera, thiết bị RFID, các cảm biến hóa học

Giải pháp IoT không chỉ là phần mềm, phần cứng tiêu chuẩn (máy tính, điện thoại) mà còn là các phần cứng đặc thù như camera, RFID, cảm biến môi trường

Có thể thấy, các hệ thống này liên quan tới các ngành vật liệu, hóa học, sinh học, vật lý, y tế và đây là cơ hội cho các ngành khoa học công nghệ tại Việt Nam phối hợp để làm ra những ứng dụng hữu ích

1.2 Tính cấp thiết của luận văn

Hiện nay trong đời sống cũng như xã hội việc ứng dụng công nghệ Internet of Things là rất cần thiết, con người có thể điều khiển mọi thứ xung quanh mình nhanh

và hiệu quả hơn.Vì vậy vậy chúng ta tìm hiểu về nó là một điều thật sự đúng đắn Hiện nay trong đời sống và tất cả các lĩnh vực khác về kinh tế, quốc phòng, công nghiệp, nông nghiệp, việc đo và cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm đóng vai trò hết sức quan trọng vì nó liên quan đến chất lượng sản phẩm Ví dụ như cảnh báo quá nhiệt trong lò luyện kim, cán thép, hệ thống đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường đất để phục vụ tưới tiêu Do đó việc nghiên cứu và thiết kế các hệ thống đo và cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm ngày càng đòi hỏi độ chính xác cao đáp ứng nhu cầu của thị trường Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ và hệ thống thông tin thì việc đo

và cảnh báo an toàn về nhiệt độ , độ ẩm sẽ được đảm bảo chính xác và từ đó kịp thời hạn chế các hậu quả do nhiệt độ, độ ẩm gây ra ở mức thấp nhất Các hệ thống

đo và cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm sẽ giúp cho con người chủ động hơn trong việc cảnh báo an toàn cho các hệ thống dây chuyền, các kho bảo quản sản phẩm, cũng như cảnh báo cho chính con người chúng ta Do vậy việc thực hiện luận văn: Ứng dụng công nghệ Internet of Things trong thu thập và đánh giá nhiệt độ, độ ẩm môi trường đảm bảo tính cấp thiết, quan trọng trong sự phát triển của thế giới hiện đại

Trang 18

1.3 Phạm vi nghiên cứu của luận văn

Luận văn ứng dụng công nghệ Internet of Things ứng dụng trong nông nghiệp

ở các trang trại cần sự đảm bảo về nhiệt độ độ ẩm( trang trại chăn nuôi gà, trồng nấm, vườn ươm cây, lò ấm trứng…) Ứng dụng trong công nghiệp để đảm bảo tính chính xác trong sản xuất Sản phẩm cũng có thể được ứng dụng trong giám sát, quan trắc, thời tiết môi trường Dựa vào sự thay đổi của nhiệt độ độ ẩm môi trường theo thời gian để có những dự báo cũng như biện pháp phù hợp với khu vực cần khảo sát thực nghiệm

1.4 Mục tiêu của luận văn

Luận văn ứng dụng công nghệ Internet of Thing trong nông nghiệp thông minh

có mục tiêu cần đạt được là:

- Nghiên cứu và tìm hiểu lý thuyết chung về công nghệ Internet of Things

- Ứng dụng công nghệ Internet of Things vào việc thiết kế thi công sản phẩm thu thập và đánh giá nhiệt độ, độ ẩm môi trường để điều khiển các thông số môi trường cần thiết

Trang 19

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ INTERNET OF THINGS

2.1 Tổng quan về Internet of Things

2.1.1 Giới thiệu về mô hình Internet of Things (IoT)

Hình 2.1 Mô hình IoT trong nông nghi ệp công nghệ cao

IoT là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết (identifiable) cũng như chỉ sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999 Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID (một phương thức giao tiếp không dây dùng sóng radio) cũng như một số loại cảm biến khác IoT sau đó cũng được dùng nhiều trong các ấn phẩm đến từ các hãng và nhà phân tích

Trang 20

Vào tháng 6 năm 2009, Ashton từng cho biết rằng "hiện nay máy tính - và Internet gần như phụ thuộc hoàn toàn vào con người để chuyển tải dữ liệu Gần như tất cả trong số 50 Petabyte dữ liệu đang có trên Internet (vào thời điểm đó) đều được ghi lại hoặc tạo ra bởi con người chúng ta, thông qua các cách thức như gõ chữ, nhấn nút, chụp ảnh, quét mã vạch Con người chính là nhân tố quyết định trong thế giới Internet hiện nay Thế nhưng con người lại có nhiều nhược điểm: chúng ta chỉ có thời gian hạn chế, khả năng tập trung và độ chính xác cũng ở mức thấp so với máy móc Điều đó có nghĩa là chúng ta không giỏi trong việc thu thập thông tin về thế giới xung quanh, và đây là một vấn đề lớn

Một quan điểm khác lại cho rằng, IoT gồm các đối tượng thông minh có thể được điều khiển và tương tác với những đối tượng có thể đáp ứng tương tác từ xa, hay có thể làm việc độc lập nhằm cung cấp các dịch vụ và giải pháp mà không cần

sự can thiệp của con người

Hiện nay, IoT đang trải qua giai đoạn phát triển "bộc phát" và điều này xảy ra nhờ vào một số nhân tố, trong đó gồm IPv6, 4G, chi phí, tính sẵn có của công nghệ Trong những năm tiếp theo, bạn sẽ thấy ngày càng có nhiều thiết bị trên thị trường Những thách thức đang diễn ra là quản lý dữ liệu và chuyển sang IPv6 (IPv6 đã sẵn sàng và chạy với địa chỉ đã được cấp phát IPv4 đã cạn kiệt và 2011 chỉ còn lại những địa chỉ cuối cùng)

2 1.1.2.Xu hướng và tính chất của IoT

2.1.1.2.1.Sự thông minh

Sự thông minh và tự động trong điều khiển thực chất không phải là một phần trong ý tưởng về IoT Các máy móc có thể dễ dàng nhận biết và phản hồi lại môi trường xung quanh (ambient intelligence), chúng cũng có thể tự điều khiển bản thân (autonomous control) mà không cần đến kết nối mạng

Việc tích hợp trí thông minh vào IoT còn có thể giúp các thiết bị, máy móc, phần mềm thu thập và phân tích các dấu vết điện tử của con người khi chúng ta tương tác với những thứ thông minh, từ đó phát hiện ra các tri thức mới liên quan tới cuộc sống, môi trường, các mối tương tác xã hội cũng như hành vi con người

Trang 21

2.1.1.2.2.Kiến trúc dựa trên sự kiện

Các thực thể, máy móc trong IoT sẽ phản hồi dựa theo các sự kiện diễn ra trong lúc chúng hoạt động theo thời gian thực Một số nhà nghiên cứu từng nói rằng một mạng lưới các sensor chính là một thành phần đơn giản của IoT

2.1.1.2.5.Vấn đề không gian, thời gian

Trong IoT, vị trí địa lý chính xác của một vật nào đó là rất quan trọng Hiện nay, Internet chủ yếu được sử dụng để quản lí thông tin được xử lý bởi con người

Do đó những thông tin như địa điểm, thời gian, không gian của đối tượng không mấy quan trọng bởi người xử lí thông tin có thể quyết định các thông tin này có cần thiết hay không, và nếu cần thì họ có thể bổ sung thêm Trong khi đó, IoT về lý thuyết sẽ thu thập rất nhiều dữ liệu, trong đó có thể có dữ liệu thừa về địa điểm, và việc xử lí dữ liệu đó được xem như không hiệu quả Ngoài ra, việc xử lí một khối lượng lớn dữ liệu trong thời gian ngắn đủ để đáp ứng cho hoạt động của các đối tượng cũng là một thác thức hiện nay

2.1.1.2.6.Luồng năng lượng mới

Hiện nay, IoT đang trải qua giai đoạn phát triển "bộc phát" và điều này xảy ra nhờ vào một số nhân tố, trong đó gồm IPv6, 4G, chi phí, tính sẵn có của công nghệ ARM đã "nhanh chân" trong việc nhận ra rằng, ổ đĩa có xu hướng sử dụng các

bộ vi điều khiển 32-bit là giải pháp cho những người có ý định thực hiện một số quyết định của riêng họ theo một cách tự động Gary tin rằng, khả năng của các bộ

Trang 22

vi điều khiển này ngày càng tăng, điều này có nghĩa là người dùng có thể làm những điều mà trước đây là bất khả

Axel Pawlik, Giám đốc quản lý của RIPE NCC lý giải tại sao IPv6 cần thiết cho tương lai của IoT, với IPv6 chúng ta sẽ có lượng địa chỉ phong phú và điều này

sẽ mở ra khả năng gán địa chỉ cho mỗi thiết bị (gadget) và chip Các giải pháp sẽ

dễ dàng và đơn giản hơn, rõ ràng hơn, có thể phục hồi đến từng mục địa chỉ riêng,

và phạm vi phát triển vô cùng to lớn

2.1.1.3 Những thách thức ảnh hưởng đến sự phát triển của mô hình IoT

2.1.1.3.1.Chưa có sự chuẩn hóa

Sự chuẩn hóa ở đây được hiểu như là một ngôn ngữ giao tiếp chung Ở mức

cơ bản nhất, Internet là một mạng dùng để nối thiết bị này với thiết bị khác Nếu chỉ riêng có kết nối không thôi thì không có gì đảm bảo rằng các thiết bị biết cách giao tiếp với nhau (ví dụ như bạn có thể đi từ Việt Nam đến Mỹ, nhưng không đảm bảo rằng bạn có thể nói chuyện tới với người Mỹ)

Để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau, chúng sẽ cần một hoặc nhiều giao thức (protocols), có thể xem là một thứ ngôn ngữ chuyên biệt để giải quyết một tác

vụ nào đó Chắc chắn bạn đã ít nhiều sử dụng một trong những giao thức phổ biến nhất thế giới, đó là HyperText Transfer Protocol (HTTP) để tải web Ngoài ra chúng ta còn có như thế này hoạt động ổn bởi các máy chủ web, mail và FTP thường không phải nói với nhau nhiều, khi cần, một phần mềm phiên dịch đơn giản

sẽ đứng ra làm trung gian để hai bên hiểu nhau Còn với các thiết bị IoT, chúng phải đảm đương rất nhiều thứ, phải nói chuyện với nhiều loại máy móc thiết bị khác nhau Đáng tiếc rằng hiện người ta chưa có nhiều sự đồng thuận về các giao thức để IoT trao đổi dữ liệu

2.1.1.3.2.Hàng rào subnetwork

Như đã nói ở trên, thay vì giao tiếp trực tiếp với nhau, các thiết bị IoT hiện nay chủ yếu kết nối đến một máy chủ trung tâm do hãng sản xuất, một nhà phát triển nào đó quản lí Cách này cũng vẫn ổn, những thiết bị vẫn hoàn toàn nói được với nhau thông qua chức năng phiên dịch của máy chủ Thế nhưng mọi chuyện không đơn giản như thế, cứ mỗi một mạng lưới như thế tạo thành một subnetwork

Trang 23

riêng, và vấn đề là các máy móc nằm trong subnetwork này không thể giao tiếp tốt với subnetwork khác

Một số trong những vấn đề nói trên chỉ đơn giản là vấn đề về kiến trúc mạng,

về kết nối mà các thiết bị sẽ liên lạc với nhau (Wifi, Bluetooth, NFC, ) Những thứ này thì tương đối dễ khắc phục với công nghệ không dây ngày nay Còn với các vấn đề về giao thức thì phức tạp hơn rất nhiều, nó chính là vật cản lớn và trực tiếp trên còn đường phát triển của Internet of Things

2.1.1.3.3.Chi phí phát triển mạng

Cách duy nhất để các thiết bị IoT có thể thật sự giao tiếp đó là khi có một động lực kinh tế đẩy mạnh khiến các nhà sản xuất đồng ý chia sẻ quyền điều khiển cũng như dữ liệu mà các thiết bị của họ thu thập được, hiện tại các động lực này không nhiều Ví dụ: một công ty thu gom rác muốn kiểm tra xem các thùng rác có đầy hay chưa Khi đó, họ phải gặp nhà sản xuất thùng rác, đảm bảo rằng họ có thể truy cập vào hệ thống quản lí của từng thùng một Điều đó khiến chi phí bị đội lên, và công

ty thu gom rác có thể đơn giản chọn giải pháp cho một người chạy xe kiểm tra từng thùng một

2.1.2 Các công nghệ thành phần

Hình 2.2 Mô hình các công ngh ệ thành phần của IoT

Trang 24

2.1.2.1.2.Đặc điểm

Các hệ thống nhúng được thiết kế để thực hiện một số nhiệm vụ chuyên dụng chứ không phải đóng vai trò là các hệ thống máy tính đa chức năng Một hệ thống nhúng thường không phải là một khối riêng biệt mà là một hệ thống phức tạp nằm trong thiết bị mà nó điều khiển Phần mềm được viết cho các hệ thống nhúng được gọi là firmware và được lưu trữ trong các chip bộ nhớ ROM hoặc bộ nhớ flash

Trang 25

Phần mềm thường chạy với số tài nguyên phần cứng hạn chế: không có bàn phím, màn hình hoặc có nhưng với kích thước nhỏ, dung lượng thấp

2.1.2.1.3.Kiến trúc phần mềm của hệ thống nhúng

- Vòng lặp kiểm soát đơn giản

- Hệ thống ngắt điều khiển

- Đa nhiệm tương tác

- Đa nhiệm ưu tiên

- Vi nhân ( Microkernel) và nhân ngoại (Exokernel)

- Nhân khối ( Monolithic kernels )

2.1.2.2.Mạng cảm biến không dây và mạng cảm biến rộng khắp (Wireless

Sensor and Ubiquitous Sensor Networks )

Hình 2.4 Mô hình m ạng cảm biến chuyển tiếp thông tin đến trạm gốc

Mạng cảm biến không dây đã phát triển từ ý tưởng rằng các cảm biến không dây nhỏ có thể được sử dụng để thu thập thông tin từ các môi trường vật lý trong một số lượng lớn các trường hợp khác nhau, từ theo dõi cháy rừng và quan sát động vật để quản lý nông nghiệp và giám sát công nghiệp Mỗi một cảm biến không dây truyền thông tin tới một trạm gốc Cảm biến giúp đỡ lẫn nhau để chuyển tiếp thông tin đến các trạm cơ sở

Công việc đầu tiên trong các mạng cảm biến không dây được hình dung là mạng cảm biến được cấu tạo thành các bụi thông minh (smart dust) Smart dust sẽ gồm một số lượng lớn của các hệ thống điện siêu nhỏ với khả năng cảm biến, tính toán, và thông tin liên lạc Nó sẽ được trải rộng trên một khu vực nơi thành một hiện tượng, chẳng hạn như độ ẩm, nhiệt độ, đã được đo Bởi vì các vết bụi sẽ rất

Trang 26

nhỏ, có thể đượcsử dụng phân bố với các cơ chế như luồng không khí Tuy nhiên, khái niệm về bụi thông minh có kích thước vật lý nhỏ do vậy cơ chế giao tiếp và khả năng tính toán của các nút còn hạn chế Nhiều nhóm nghiên cứu bắt đầu xây dựng nguyên mẫu phần cứng với kích thước vật lý lớn hơn đó là dễ dàng hơn để sử dụng cho thử nghiệm

Khái niệm về mạng cảm biến không dây là tương tự như của các đối tượng thông minh, và hơn thế sự phát triển trong các đối tượng thông minh đã xảy ra trong cộng đồng xung quanh mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây bao gồm các nút nhỏ, được trang bị một thiết bị truyền thông không dây, mà cấu hình độc lập thành những mạng lưới thông qua các cảm biến có thể được truyền Mạng đối tượng thông minh (smart objects) ít tập trung vào việc thu thập dữ liệu thuần túy, nhưng được dành cho một số lượng lớn các nhiệm vụ khác bao gồm cả truyền động và kiểm soát Hơn nữa, các mạng cảm biến không dây được dự định chủ yếu được vận hành trên một thiết bị thông tin vô tuyến không dây Ngược lại, các khái niệm về đối tượng thông minh không gắn với bất kỳ cơ chế giao tiếp cụ thể, nhưng

có thể chạy trên dây cũng như các mạng không dây

2.1.2.3 Máy tính di động(Mobile Computing)

Máy tính di động là lĩnh vực truyền thông không dây và kết chuyển xung quanh ( hoán vị vòng quanh) máy tính, chẳng hạn như máy tính xách tay Trong một số cách thức lĩnh vực máy tính di động tách ra từ việc được khởi tạo ở khắp nơi trong khu vực máy tính Tương tự như vậy, sự tập trung ban đầu về mạng không dây đã dẫn tới nghiên cứu cơ chế truyền thông không dây Làm việc trên các cơ chế này bắt đầu vào giữa những năm 1980 và đã dẫn đến các tiêu chuẩn trên toàn mạng cục

bộ không dây (WiFi) mà bắt đầu hình thành vào cuối năm 1990

Trang 27

Hình 2.5 Mô hình Mobile Computing

Các lĩnh vực máy tính di động đã được hưởng lợi rất nhiều từ những tiến bộ

kỹ thuật trong công nghệ máy tính như bộ vi xử lý điện năng thấp PC, nhỏ kích thước bộ nhớ công nghệ kỹ thuật số, và hệ thống hiển thị rẻ tiền Sự kết hợp của những công nghệ đã tạo ra lĩnh vực điện toán máy tính xách tay,điều này đã dẫn đến việc tạo ra các lớp mới của máy tính xách tay rẻ tiền gọi là netbook Netbook

được thiết kế với truyền thông không dây in mind Máy tính di động đã tràn ngập

hơn nữa truy cập mạng không dây Ngày nay, cái gọi là hostpots WiFi (Điểm nóng wifi) phổ biến tại các địa điểm công cộng như quán cà phê, thư viện và sân bay Người dùng có thể kết nối với Internet thông qua mạng không dây này, hoặc miễn phí hoặc có tính phí

Trong học viện, các lĩnh vực máy tính di động cũng được tiến hành trên lĩnh vực nghiên cứu của Mobile Ad Hoc (MANETs) MANET tập trung nghiên cứu vào các cơ chế mạng cho các máy tính không dây, nơi có kết cấu hạ tầng mạng đang tồn tại Trong tình huống như vậy, các giao thức định tuyến và các cơ chế mạng khác cần phải nhanh chóng thiết lập một mạng Ad Hoc Sự hình thành mạng được thực hiện một cách phân tán nơi mỗi nút mà tham gia trong mạng phải tham gia vào các cơ chế của mạng như định tuyến và kiểm soát truy cập Cộng đồng Manet

đã phát triển một số giao thức định tuyến đối với các mạng như chuẩn AODV và giao thức DSR

Trang 28

2.1.2.4.Mạng máy tính (Computer Networking)

Mạng máy tính là giới thiệu về việc kết nối các máy tính để cho phép chúng giao tiếp với nhau Các mạng này ban đầu đều có dây, nhưng với sự ra đời của máy tính di động, các mạng không dây có sẵn

Hình 2.6 Mô hình Computing Netwworking

ARPANET và Internet đã được xây dựng trên một khái niệm mạnh mẽ được gọi là nguyên tắc end-to-end của thiết kế hệ thống, tên của một bài báo có ảnh hưởng lớn bởi Jerome H Saltzer, David P Reed, và David D.Clark Các nguyên tắc end-to-end cho rằng chức năng trong một hệ thống nên được đặt càng lâu càng tốt đối với các điểm kết thúc Đối với Internet, điều này có nghĩa là hệ thống đầu cuối, các máy tính kết nối với Internet, nên thực thi hầu hết các công việc trong các truyền thông thông qua mạng với mạng hoạt động tương đối ngớ ngẩn

Như vậy mạng sẽ chỉ cung cấp một cơ chế cho việc gửi các gói dữ liệu đến và

đi từ các điểm kết thúc Nguyên tắc này đã được coi là một trong những khía cạnh quan trọng nhất của thiết kế của hệ thống Internet, bởi vì nó cho phép hệ thống hỗ trợ phát triển một cách nhẹ nhàng các ứng dụng từ e-mail đơn giản và vận chuyển các tập tin của những năm 1980 thông qua các cuộc cách mạng web của việc truyền tải năm 1990 để truyền tốc độ cao, thời gian thực video, và truyền âm thanh của những năm 2000 Các nguyên tắc end-to-end cho phép mạng phát triển riêng biệt

từ các ứng dụng, do đó làm cho nó có thể hỗ trợ một số lượng ngày càng tăng của người sử dụng, mà không cần phải tái cấu trúc phức tạp của toàn bộ mạng và các giao thức của nó Sự kết nối giữa các mạng máy tính và các đối tượng thông minh

Trang 29

là điều hiển nhiên: truyền thông là một trong những đặc điểm xác định của các đối tượng thông minh

2.1.3.Cấu trúc mạng mở rộng

Với sự xuất hiện của định nghĩa IoT đã mở ra một xu hướng công nghệ mới, tiếp cận gần hơn tới con người IoT là một tầm nhìn hướng về mạng Internet tương lai trong đó thế giới vật lý sẽ liên kết chặt chẽ với các mạng máy tính Ngày nay, mạng máy tính hầu hết sử dụng cho mục đích con người tìm kiếm thông tin Hầu như tất cả dữ liệu có sẵn trên mạng Internet được thu thập và đưa vào mạng Internet

do con người thực hiện Theo quan điểm của IoT, các thiết bị nhỏ có đủ thông minh để thu thập thông tin tự động và thông tin với các thiết bị khác mà không cần

có sự can thiệp của con người Mỗi một thiết bị được gọi là một đối tượng thông minh và được gán với một cảm biến hoặc một bộ truyền động, một thiết bị truyền thông, một vi điều khiển và một nguồn công suất Vì vậy điều quan trọng là việc tích hợp mạng WSN với web và đưa ra các thiết bị hạn chế về mặt tài nguyên với dịch vụ RESTful web services

Hình 2.7 Mô hình m ạng mở rộng

Kiến trúc REST (Representational State Transfer) chính là lõi chính của web hiện tại và sử dụng URIs (Universal Resource Identifiers) cho việc bao bọc và nhận dạng dịch vụ Chúng tập trung vào việc tạo ra các cặp dịch vụ lỏng lẻo cho các ứng dụng để từ đó chúng có thể dễ dàng được chia sẻ và sử dụng lại Kiến trúc REST

Trang 30

bao gồm các client và các server nhờ đó các client khởi tạo các yêu cầu đến các server, các server này sẽ xử lý các yêu cầu và trả về đáp ứng thích hợp Trong triển khai Web, những thành phần chính rộng lớn của kiến trúc REST ngày nay sử dụng giao thức truyền siêu văn bản HTTP như là giao thức ứng dụng, nó sẽ thao tác tài nguyên bằng các phương thức riêng của nó GET, PUT, POST … tài nguyên được tách đôi ra từ biểu diễn của chúng và từ đó được biểu diễn tùy ý trong các định dạng khác nhau như là JSON hoặc XML Tuy nhiên HTTP không được thiết kế với bộ nhớ hạn chế của các đối tượng thông minh Kích thước gói và bộ nhớ được yêu cầu dành cho TCP và các tiêu đề văn bản được phù hợp cho các hạn chế của các node mạng cảm biến

IoT là một kiến mạng tổng hợp của nhiều thành phần mạng khác nhau trong một cấu trúc chung, hệ thống gồm rất nhiều các thành phần khác nhau và tuân theo kiến trúc IP dựa trên giao thức TCP/IP Kiến trúc giao thức TCP/IP được thiết kế khoảng 30 năm trước đây, bây giờ được sử dụng trên hàng tỷ các thiết bị trên khắp thế giới từ các thiết bị cầm tay và máy tính xách tay đến các siêu máy tính Bộ ứng dụng giao thức IP đã được nâng cao để hỗ trợ truyền thông đa điểm, chất lượng dịch

vụ (QoS), kỹ thuật lưu lượng, và các dịch vụ thời gian thực với kiến trúc được duy trì trong một thời gian dài Kiến trúc phân lớp là một trong những cơ sở của thiết kế

và nó tạo thành một kiến trúc cực kỳ linh hoạt Kiến trúc phân lớp được biết đến với

mô hình năm lớp hiện nay của giao thức TCP/IP và mô hình OSI bẩy lớp

Hình 2.8 Mô hình TCP/IP

2.1.4.Các mô hình ứng dụng của IoT

Trang 31

2.1.4.1.Lưới điện thông minh

Lưới điện thông minh (hệ thống điện thông minh) là hệ thống điện có sử dụng các công nghệ thông tin và truyền thông để tối ưu việc truyền dẫn, phân phối điện năng giữa nhà sản xuất và hộ tiêu thụ, hợp nhất cơ sở hạ tầng điện với cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc Có thể coi hệ thống điện thông minh gồm có 2 lớp: lớp 1 là hệ thống điện thông thường và bên trên nó là lớp 2- hệ thống thông tin, truyền thông,

đo lường

Lưới điện thông minh là dạng lưới điện mà mục tiêu đặt ra là tiên đoán và phản ứng một cách thông minh với cách ứng xử và hành động của tất cả các đơn vị được kết nối điện với lưới điện, bao gồm các đơn vị cung cấp điện, các hộ tiêu thụ điện

và các đơn vị đồng thời cung cấp và tiêu thụ điện, nhằm cung cấp một cách hiệu quả các dịch vụ điện tin cậy, kinh tế và bền vững Lưới điện thông minh phát triển trên

4 khâu:

+ Phát điện: Smart Generation

+ Truyền tải: Smart Transmission

+ Phân phối: Smart Distribution

+ Tiêu thụ: Smart Power Consumers

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

+ Các thiết bị gia dụng đầu cuối

+ Hệ thống các phần mềm điều khiển ngôi nhà

+ Các thiết bị điều khiển

Các chức năng chính của một ngôi nhà thông minh bao gồm:

+ Điều khiển hệ thống chiếu sáng

+ Hệ thống an ninh, báo động, báo cháy

Trang 32

+ Điều khiển điều hòa, máy lạnh

+ Điều khiển thiết bị điện nói chung

+ Hệ thống âm thanh đa vùng

Các hệ thống tự động hóa tòa nhà cho phép giám sát và điều khiển các thiết bị trong tòa nhà một cách hiệu quả Các hệ thống này tự động điều chỉnh hệ thống thông gió, sưởi ấm, hệ thống điều hóa không khí và ánh sáng trong tòa nhà nhằm đáp ứng các điều kiện môi trường trong tòa nhà với chi phí tối thiểu Hệ thống tự động hóa tòa nhà cũng làm tăng sự an toàn đối với môi trường trong tòa nhà thông qua việc giám sát và điều khiển các hệ thống an ninh, cứu hỏa trong tòa nhà

Hệ thống tự động hóa tòa nhà được ứng dụng trong các trường đại học, các bệnh viện, văn phòng chính phủ, các nhà máy, khách sạn Các đối tượng thông minh trong các tòa nhà thực hiện chức năng cảm nhận các thông số môi trường và tác động lại thiết bị truyền động để thay đổi các thông số môi trường trong tòa nhà Các mạng SON được triển khai trong tòa nhà có thể là các thiết bị truyền thông vô tuyến hoặc cũng có thể là các thiết bị truyền thông hữu tuyến theo chuẩn PLC (Power Line Communication), Ethernet Các hệ thống BAS sử dụng các kết nối hữu tuyến

có thể đạt hiệu suất sử dụng cao hơn nhưng thường có chi phí cao và gặp nhiều khó khăn trong việc thiết lập và nâng cấp mạng Trong 5 năm trở lại đây, các công nghệ truyền thông không dây như 802.15.4, WiFi đã được nghiên cứu và triển khai trong

hệ thống tự động hóa tòa nhà

Trang 33

2.1.4.4.Mạng các thành phố và đô thị thông minh

Các thành phố thông minh đòi hỏi một lượng lớn các thiết bị kết nối mạng IP thông qua các liên kết cố định hoặc di động để hỗ trợ một số dịch vụ mới như:

Giao thông: Quản lý lưu lượng giao thông, điều khiển tốc độ, xác định điểm tắc nghẽn, các hệ thống thông tin giao thông, theo dõi xe cộ, an toàn bay, quản lý bãi đỗ

Các tiện ích: Quản lý các thiết bị điện, nước; quản lý các nguồn phát điện, thiết

bị lưu trữ năng lượng điện; phát hiện sự rò rỉ khí gas, nước

Môi trường: Thu thập dữ liệu và giám sát môi trường (tiếng ồn, nhiệt độ, độ

ẩm, ô nhiễm…)

2.1.4.5.Hệ thống giao thông thông minh

Hệ thống giao thông thông minh là những ứng dụng tiên tiến, nhằm mục đích

để cung cấp các dịch vụ mới liên quan đến phương thức vận tải và quản lý giao thông cho phép người dùng có thông tin tốt hơn khi tham gia mạng lưới giao thông Nói cách khác hệ thống giao thông thông minh là hệ thống giao thông mà ở đó công nghệ thông tin và truyền thông được áp dụng trong lĩnh vực vận tải đường bộ và các hình thức vận tải khác bao gồm các cơ sở hạ tầng, phương tiện giao thông và người dùng Hệ thống giao thông thông minh bao gồm các chức năng cơ bản sau:

Các trang thiết bị đo lường, thu thập thông tin như: cảm biến, đồng hồ, camera, điện thoại thông minh, các thiết bị sinh trắc học giúp hệ thống có thể đo lường, nhận biết phương tiện giao thông và các hoạt động, hành vi giao thông (phạm lỗi, gây tai nạn, tắc nghẽn,… ).Trung tâm xử lý thông tin giao thông sẽ tự động phát hiện, xử

lý thông tin được thu thập, xác định mẫu và mối quan hệ giữa các mẫu thu được để đưa ra phương án xử lý kịp thời, tương tác theo thời gian thực tới phương tiện, người tham gia giao thông

Trang 34

Trung tâm giám sát, vận hành hệ thống Hệ thống biển báo, thông báo thông tin giao thông tới phương tiện và người tham gia giao thông Hệ thống thanh toán được tích hợp

2.1.5.Phần cứng và phần mềm của một node mạng trong mô hình ứng dụng IoT

2.1.5.1.Phần cứng

Cấu trúc phần cứng cơ bản của một nút mạng trong mô hình ứng dụng IoT bao gồm thiết bị truyền thông, một bộ vi xử lý, các cảm biến/thiết bị truyền động và nguồn cung cấp Các cảm biến/thiết bị truyền động cho phép các nút mạng có thể tương tác được với thế giới vật lý Bộ vi xử lý cho phép các nút mạng có thể chuyển đổi dữ liệu nhận được từ các cảm biến… Thiết bị truyền thông cho phép các mạng

có thể truyền thông được với nhau Thông qua thiết bị truyền thông, các nút mạng

có thể gửi dữ liệu cảm biến đọc được ra thế giới bên ngoài và nhận dữ liệu từ các nút mạng khác

Hình 2.9 Ki ến trúc phần cứng của hai đối tượng thông minh được trang bị các loại

thi ết bị truyền thông khác nhau

2.1.5.2.Phần mềm

Mọi hoạt động của một nút mạng được xác định bởi phần mềm chạy trên bộ

vi điều khiển Các chương trình phần mềm thường được viết tương tự như các chương trình phần mềm cho các máy tính Các chương trình được viết bằng một ngôn ngữ lập trình, chẳng hạn như C và được biên dịch với một trình biên dịch mã máy cho vi điều khiển Các mã máy được ghi vào ROM của bộ vi điều khiển khi các node cảm biến được sản xuất Khi các nút mạng được bật nguồn thì bộ vi điều khiển sẽ chạy các phần mềm Chức năng cơ bản của hệ điều hành bao gồm việc trừu

Trang 35

tượng hóa tài nguyên cho các thiết bị phần cứng khác nhau, quản lý ngắt và lập lịch các nhiệm vụ, điều khiển đồng thời và hỗ trợ mạng Dựa trên các dịch vụ được cung cấp bởi hệ điều hành, người lập trình ứng dụng có thể thuận tiện sử dụng các giao diện lập trình ứng dụng mức cao (APIs) độc lập với phần cứng lớp dưới

2.2.Kiến trúc tham chiếu của IoT

2.2.1.Tổng quan

Kiến trúc IoT được đại diện cơ bản bởi 4 phần: Vạn vật (Things), trạm kết nối (Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud) và các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-creation and Solutions Layers)

Hình 2.10 C ấu phần của IoT

Vạn vật (Things): Ngày nay có hàng tỷ vật dụng đang hiện hữu trên thị trường gia dụng và công nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của người dùng Chẳng hạn như

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

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

Trạm kết nối (Gateways): Một rào cản chính khi triển khai IoT đó là gần 85% các vật dụng đã không được thiết kế để có thể kết nối với Internet và không thể chia

Trang 36

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

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

- Cơ sở hạ tầng kết nối: Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng

IP được kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính Cơ sở hạ tầng mạng này bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp - được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ

- Trung tâm dữ liệu/ hạ tầng điện toán đám mây: Các trung tâm dữ liệu và

hạ tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ

và mạng ảo hóa được kết nối

Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers): Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (Application Progmraming Interface) là Mashery* và Aepona* để giúp đưa các sản phẩm và giải pháp IoT ra thị trường một cách chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ hệ thống và tài sản đang có sẵn

2.2.2.Phân loại thiết bị IoT và phương thức kết nối Internet

- Những thiết bị IoT có kích thước nhỏ nhất dùng bộ điều khiển 8 bit nhúng, kiểu cả hệ thống trên chip SoC (System on Chip) và thường không có hệ điều hành

Ví dụ điển hình là nền tảng phần cứng nguồn mở Arduino 8 bit

- Mức cao hơn là hệ thống dựa trên chip ARM và Arthero có kiến trúc 32 bit rút gọn (limited) Những thiết bị này thường là các bộ router nhỏ dành cho gia đình và những biến thể khác Hệ thống thường chạy trên nền tảng nhúng Linux rút gọn hoặc hệ điều hành nhúng dành riêng Một số trường hợp không sử dụng hệ điều hành như Arduino Zero hoặc Arduino Yun

- Hệ thống IOT lớn nhất là loại sử dụng nền tảng 32 hoặc 64 bit đầy đủ Những hệ thống như Raspberry Pi hay BeagleBone có thể chạy hệ điều hành Linux đầy đủ hoặc Android Nhiều trường hợp chính là điện thoại di động hoặc dựa trên công nghệ điện thoại di động Những thiết bị này có thể đóng vai trò gateway hoặc

Trang 37

Hình 2.11 Hai mô hình k ết nối của thiết bị IoT

cầu (bridge) cho các thiết bị nhỏ hơn

Có một số giải pháp kết nối giữa thiết bị với Internet hoặc gateway:

- Kết nối Ethernet hoặc Wi-Fi trực tiếp qua giao thức TCP hoặc UDP

- Bluetooth công suất thấp

- Kết nối trường gần (NFC)

- Zigbee hoặc các mạng vô tuyến khác

- SRF và kết nối vô tuyến điểm-điểm

- UART hoặc kênh nối tiếp (serial lines)

- SPI hoặc kênh I2C (wired buses)

2.2.3.Các yêu cầu của kiến trúc tham chiếu cho IoT

Yêu cầu chung là kiến trúc tham chiếu cho IoT phải trung lập với nhà sản xuất, không phụ thuộc vào công nghệ cụ thể Có những yêu cầu khá đặc thù cho thiết bị IoT và môi trường hỗ trợ nhưng cũng có những yêu cầu xuất phát từ quá trình sản

Trang 38

xuất và sử dụng Có thể tóm tắt các yêu cầu của kiến trúc tham chiếu cho IoT trong

2.2.4.Mô hình tham chiếu của IoT

Mô hình tham chiếu IoT bao gồm 5 lớp xếp chồng.Mỗi lớp có một chức năng riêng, có thể minh họa bằng những công nghệ cụ thể Có 2 lớp theo chiều dọc là quản lý thiết bị và quản lý định danh & truy nhập

Hình 2.12 Mô hình tham chi ếu của IoT

Trang 39

2.2.4.1.Lớp thiết bị (Devices)

Các thiết bị IoT phải có giao thức truyền thông trực tiếp (Arduino, Raspberry

Pi, Intel Galileo qua Ethernet hoặc Wi-Fi) hoặc gián tiếp kết nối được với Internet (ZigBee, Bluetooth hoặc Bluetooth công suất thấp qua điện thoại di động, )

Mỗi thiết bị cần có định danh thuộc một trong các loại: định danh duy nhất (UUID) ghi sẵn trong phần cứng (thường là một phần của SoC hoặc chip thứ cấp), UUID gửi qua hệ thống vô tuyến phụ (ví dụ: định danh Bluetooth, địa chỉ Wi-Fi MAC), token OAuth2 Refresh/Bearer (có thể là bổ sung cho các loại khác), định danh lưu trong bộ nhớ chỉ đọc như EEPROM Các chuyên gia khuyến nghị, mỗi thiết bị IoT nên có một UUID (tốt nhất lưu cố định trong phần cứng) và một token OAuth2 Refresh/Bearer lưu trong EEPROM.OAuth2 token có mục đích tạo ra một token định danh tách biệt với số định danh cố định ghi trong mỗi thiết bị Bearer token được dùng ban đầu để gửi đến bất kỳ server hay dịch vụ nào cần định danh Bearer token có thời gian sống ngắn hơn Refresh token Nếu Bearer token hết hạn, Refresh token được gửi đến lớp định danh để tạo ra bản cập nhật của Bearer token

2.2.4.2.Lớp truyền thông (Communications)

Lớp truyền thông hỗ trợ kết nối các thiết bị Nhiều giao thức có thể sử dụng trong lớp này như HTTP/HTTPS, MQTT 3.1/3.1.1, CoAP (Constrained Application Protocol) Trong đó, HTTP là giao thức lâu đời và phổ biến nhất nên có nhiều thư viện hỗ trợ Vì đó là giao thức dựa trên ký tự đơn giản nên nhiều thiết bị nhỏ như

bộ điều khiển 8 bit đều có thể hỗ trợ HTTP Các thiết bị 32 bit lớn hơn có thể sử dụng các thư viện HTTP client đầy đủ

Có một số giao thức được tối ưu riêng cho IoT, trong đó nổi bật nhất là 2 giao thức MQTT và CoAP.MQTT được phát minh vào năm 1999 để giải quyết các vấn

đề của hệ thống nhúng và SCADA Giao thức MQTT có phần mào đầu nhỏ (chỉ 2 byte/message), chạy được trên nền TCP và có khả năng chịu được môi trường mạng thường bị gián đoạn và suy hao cao Ủy ban kỹ thuật của tổ chức tiêu chuẩn OASIS đang xem xét chuẩn hóa phiên bản MQTT hiện nay Giao thức CoAP do tổ chức tiêu chuẩn IETF xem xét phát triển trên cơ sở HTTP nhưng dựa trên mã nhị phân chứ không phải ký tự nên nhỏ gọn hơn, có thể chạy trên nền UDP

Trang 40

2.2.4.3 Lớp hợp nhất/Bus (Aggregation/ Bus)

Đây là lớp quan trọng để hợp nhất và chuyển đổi các thông điệp (message broker hay middleware) truyền thông với 3 chức năng sau:

- Hỗ trợ máy chủ HTTP và/hoặc chức năng chuyển đổi MQTT để giao tiếp

Cuối cùng, lớp hợp nhất/Bus cần thực hiện 2 nhiệm vụ an toàn bảo mật là máy chủ tài nguyên OAuth2 (thẩm định Bearer token và các truy nhập tài nguyên liên quan) và điểm tăng cường chính sách (PEP) đối với truy nhập dựa trên chính sách Trong mô hình, lớp Bus yêu cầu lớp quản lý truy nhập và định danh thẩm định các yêu cầu truy nhập Lớp quản lý truy nhập và định danh đóng vai trò như điểm quyết định chính sách (PDP) trong quá trình này Sau đó, lớp Bus thực hiện theo kết quả do PDP mang đến, nghĩa là cho phép hoặc không cho phép truy nhập tài nguyên

2.2.4.4 Lớp xử lý sự kiện và phân tích (Event Processing and Analytics)

Lớp này xử lý các sự kiện từ lớp Bus chuyển lên.Yêu cầu chủ yếu ở đây là khả năng lưu trữ dữ liệu vào cơ sở dữ liệu.Mô hình truyền thống sẽ viết một ứng dụng phía máy chủ (ví dụ, JAX-RS) Tuy nhiên, có một số cách tiếp cận khác linh hoạt hơn.Thứ nhất là sử dụng các nền tảng phân tích dữ liệu lớn Đó là nền tảng dựa trên cloud khả mở hỗ trợ các công nghệ như Apache Hadoop để cung cấp những phân tích map- reduce (quy trình xử lý dữ liệu siêu lớn) đối với tập hợp dữ liệu đến từ các thiết bị Cách tiếp cận thứ hai là hỗ trợ phương thức xử lý sự kiện phức tạp (Complex Processing Event) để thực hiện các hoạt động gần như theo thời gian thực

và ra quyết định hành động dựa theo kết quả phân tích dữ liệu từ các thiết bị chuyển đến

Định dạng
Số trang	98
Dung lượng	2 MB