luận văn thạc sĩ xây dựng hệ thống thông minh giám sát điều kiện môi trường và an ninh phòng máy quy mô lớn

221266 internetready-refrigerator--2000 Những giao diện đầu tiên của dự án Cooltown về máy tính phổ biến ở mọi nơi, khi đó công nghệ điện toán và truyền thông kết hợp tạo nên trải nghiệm

VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những nội dung trình bày trong luận văn là những kiến thức của tôi tích lũy trong quá trình học tập, làm việc, nghiên cứu

Trong nội dung của luận văn có những phần tôi nghiên cứu, trích dẫn đều nêu trong phần các tài liệu tham khảo, có nguồn gốc, tên tuổi của các tác giả, nhà xuất bản

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Trần Văn Lăng, thầy đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn này

Em cũng xin cảm ơn đến các thầy, cô trong khoa Công nghệ thông tin – Viễn thông của Học viện Khoa học và Công nghệ, các quý thầy cô đã giảng dạy, truyền đạt cho em những hệ thống kiến thức quý báu trong suốt những năm học

Xin gửi lời cảm ơn đến tất cả mọi người bao gồm gia đình, bạn bè, đồng nghiệp

đã tạo điều kiện môi trường, hỗ trợ cũng như đóng góp các ý kiến và động viên tinh thần

để tôi có thể hoàn thành được luận văn này

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT 2

1.1 LỊCH SỬ VÀ XU THẾ CỦA IOT TRÊN THẾ GIỚI: 2

1.2 KHÁI NIỆM IOT: 4

1.3 TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG IOT: 7

1.3.1 Công nghiệp và sản xuất: 7

1.3.2 Tiêu dùng: 7

1.3.3 Bán lẻ, tài chính và tiếp thị: 9

1.3.4 Y tế: 10

1.3.5 Giao thông vận tải và chuỗi cung ứng hàng hóa: 10

1.3.6 Nông nghiệp và môi trường: 11

1.3.7 Thành phố thông minh: 11

CHƯƠNG 2: CÁC GIAO THỨC TỪ THIẾT BỊ CẠNH BIÊN ĐẾN CLOUD 12

2.1 BỘ GIAO THỨC LIÊN MẠNG TCP/IP: 12

2.2 CÁC GIAO THỨC ỨNG DỤNG CHO IOT: 13

2.2.1 Giao thức MQTT: 13

2.2.2 Giao thức MQTT-SN: 20

2.2.3 Giao thức CoAP: 22

2.3 TỔNG KẾT: 27

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ XÂY DỰNG GIẢI PHÁP 28

3.1 TỔNG QUAN: 28

3.1.1 Sự cần thiết: 28

3.1.2 Các giải pháp giám sát phòng máy: 31

3.2 XÂY DỰNG GIẢI PHÁP: 37

3.2.1 Sơ bộ phần cứng các khối 39

3.2.2 Kết nối các giao diện phần cứng, thiết bị: 53

3.3 XÂY DỰNG LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ LẬP TRÌNH 56

3.3.1 Module thu thập dữ liệu từ các cảm biến môi trường 56

3.3.2 Module kết nối nhận sự kiện từ khối Giám sát ra vào 56

3.3.3 Module Giám sát an ninh, phát hiện chuyển động 57

3.3.4 Module báo cáo trạng thái về Server qua giao thức MQTT 58

3.3.5 Website cho phép xem và thiết lập thông số để hệ thống kết nối vận hành 58 3.4 TRIỂN KHAI VÀ THEO DÕI KẾT QUẢ: 62

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 64

4.1 ĐÁNH GIÁ: 64

4.1.1 Đánh giá kết quả thử nghiệm: 64

4.1.2 Ưu điểm của hệ thống: 64

4.1.3 Hạn chế của hệ thống: 64

4.2 KẾT LUẬN: 64

PHỤ LỤC 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

DANH MỤC BẢNG BIỂU

CHƯƠNG 1:

Bảng 1.1 Một số tổ chức, sự kiện, sự vật kết nối với Internet trên thế giới 2

Bảng 1.2 Một số thiết bị, sự kiện của Việt Nam 4

CHƯƠNG 2: Bảng 2.1 Cấu trúc gói tin Connect do client gửi 18

Bảng 2.2 Cấu trúc gói tin phản hồi Connect do server gửi 18

Bảng 2.3 Cấu trúc gói tin Publish 19

Bảng 2.4 Cấu trúc gói tin Subcribe 19

Bảng 2.5 Kết quả thử nghiệm vài thông số giữa hai giao thức CoAP và HTTP 22

CHƯƠNG 3 Bảng 3.1 Tính năng và thông số kỹ thuật của giải pháp EEM-RTU-01 32

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của board mạch Raspberry Pi 3B+ 40

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật bộ điều khiển F18 47

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật đầu ghi H264 48

Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật DHT22 50

Bảng 3.6 Kết nối chân Pi và DHT22 54

Bảng 3.7 Kết nối chân Pi và DS18B20 54

Bảng 3.8 Kết nối chân PI, AMS1117 và module MQ2 54

Bảng 3.9 Kết nối chân PI, rờ le và adapter 5VDC 55

DANH MỤC HÌNH VẼ

CHƯƠNG 1

Hình 1.1: Thống kê ứng dụng IoT tại Mỹ 4

Hình 1.2: Thống kê chủ đề tìm kiếm trên google liên quan đến IoT 4

Hình 1.3: IoT từ quan điểm nhìn các hệ thống nhúng 5

Hình 1.4: Sự chênh lệch giữa tăng trưởng dân số của con người và tăng trưởng các thứ được kết nối 7

Hình 1.5: Đồng hồ cho biết vị trí người nhà Weasley trong phim Harry Potter 8

Hình 1.6: Thiết bị WhereDial của nhà phát triển Jc McKerrell 8

Hình 1.7: Gương thông minh sử dụng board Raspberry Pi 9

Hình 1.8: Ứng dụng IBeacon trong bán lẻ, marketing 9

Hình 1.9: Bảng thông tin tuyến xe bus trực tuyến tại Việt Nam 10

CHƯƠNG 2 Hình 2.1: Chồng giao thức mạng TCP/IP 13

Hình 2.2: Mô hình MQTT publish-subcribe 15

Hình 2.3: Cấu trúc gói tin MQTT 17

Hình 2.4: Mô hình giao tiếp của MQTT-SN 21

Hình 2.5: Vai trò của MQTT-SN Gateway ghép và trong suốt 22

Hình 2.6: Mô hình giao tiếp của CoAP 24

Hình 2.7: Quá trình gửi lại gói CON trong CoAP 25

Hình 2.8: RESTful request/reponse nằm trong nội dung của thông điệp CoAP 25

Hình 2.9: Cấu trúc gói tin CoAP 26

Hình 2.10: Ví dụ CoAP Observer 26

CHƯƠNG 3 Hình 3.1: Nhiệt độ trong ngày ở TP HCM thấp nhất không dưới 23 oC 28

Hình 3.2: Điều kiện môi trường của hệ thống CMTS Casa C100G 29

Hình 3.3: Các tủ Rack thiết bị trong phòng máy phân phối tín hiệu mạng HFC 29

Hình 3.4: Sơ đồ mạng cáp HFC 30

Hình 3.5: Công tác xử lý sự cố outdoor và chăm sóc khách hàng 31

Hình 3.7: Khối sản phẩm EEM-RTU-01 của EMS Việt Nam 32

Hình 3.8: Cấu trúc hệ thống giám sát toàn diện 34

Hình 3.9: Giao diện chức năng giám sát Camera IP của Universal Alarm System 35

Hình 3.10: Mô hình hệ thống giám sát và cảnh báo phòng server ATSCADA 36

Hình 3.11: Sản phẩm tủ giám sát và cảnh báo phòng server ATSCADA 37

Hình 3.12: Sơ đồ kết nối các khối chức năng trong hệ thống 38

Hình 3.13: Dòng sản phẩm Compute Module 3+ Development Kit 40

Hình 3.14: Board mạch Raspberry Pi 3 B+ 41

Hình 3.15: Sơ đồ chân cắm board mạch Raspberry Pi 3 B+ 41

Hình 3.16: Giao diện ứng dụng Win32 Disk Imager trên Windows 10 42

Hình 3.18: Giao diện tương tác dòng lệnh thông qua giao thức SSHvới Putty 43

Hình 3.19: Tiện ích cấu hình Raspberry Pi đính kèm trong Pi OS 44

Hình 3.20: Cấu hình nâng cao mở rộng bộ nhớ 44

Hình 3.21: Mức độ quan tâm các ngôn ngữ lập trình dựa trên từ khóa tìm kiếm Google trends 01/2016-01/2021 46

Hình 3.22: Sơ đồ kết nối hệ thống kiểm soát cửa ra vào 47

Hình 3.23: Sơ đồ kết nối hệ thống camera analog 48

Hình 3.24: Sơ đồ chân các dòng IC DS18B20 49

Hình 3.25: Cảm biến DHT22 50

Hình 3.26: Minh họa quá trình chuẩn bị gửi dữ liệu giữa MCU với DHT22 51

Hình 3.27: Minh họa toàn bộ quá trình truyền dữ liệu giữa MCU và DHT22 52

Hình 3.28: Sơ bộ đặc điểm cấu tạo module MQ-2 52

Hình 3.29: Module chuyển mức điện áp 3V3 53

Hình 3.30: Module rờ le kích mức thấp 5V DC 53

Hình 3.31: Kết nối mạch Raspberry Pi với DHT22 54

Hình 3.32: Kết nối giao tiếp giữa Raspberry Pi và DS18B20 54

Hình 3.33: Giao diện trang đăng nhập 60

Hình 3.34: Giao diện trang xem thông tin thiết bị 61

Hình 3.35: Giao diện trang xem trạng thái 61

Hình 3.36: Giao diện trang cấu hình thông tin phòng máy 62

Hình 3.37: Giao diện trang cấu hình thông tin các thiết bị an ninh 62

Hình 3.38: Giao diện trang cấu hình các điều kiện kích hoạt chuông báo 62

MỞ ĐẦU

Những năm trước 2009, để thực hiện kết nối Internet tại nhà, công nghệ ADSL được cung cấp bởi nhà mạng VNPT cho phép dữ liệu truyền tải trên đường dây điện thoại hai lõi RJ11 tốc độ chỉ từ vài chục đến vài trăm kbps, cước phí được tính theo lưu lượng sử dụng trên tháng Từ năm 2009 đến nay, công nghệ truyền dẫn có sự tiến bộ vượt bậc dẫn đến việc nở rộ các dịch vụ Internet cáp quang tốc độ cao với cước phí trọn gói cho cả tháng rẻ hơn rất nhiều so với trước đây Các công nghệ truyền dữ liệu không dây cũng phát triển từ các thế hệ GPRS đơn thuần đến 2G, 3G và tại thời điểm viết luận văn này, công nghệ 5G đã được phê duyệt thử nghiệm tại TP Hà Nội và TP Hồ Chí Minh Về công nghệ vi cơ điện, một chiếc máy tính để bàn cồng kềnh sử dụng chip Pentium III tốc độ xử lý 800 MHz, bộ nhớ RAM 256 GB, không có kết nối không dây,

có giá nửa lượng vàng vào năm 2008; ngày nay, hàng loạt các máy tính nhúng kích thước gần bằng chiếc thẻ tín dụng như Raspberry Pi, Beagle Bone, … chỉ có giá bằng 20% chỉ vàng; hay các board mạch tích hợp như ESP8266 chỉ vài chục ngàn cũng có đầy đủ các giao diện có dây và không dây như Bluetooth, Wifi cho phép kết nối Internet Tất cả các công nghệ trên phát triển, kết hợp, hội tụ hình thành nền tảng công nghệ Internet of Things (IoT, vạn vật kết nối), một nền tảng công nghệ cốt lõi trong ba nền tảng thúc đẩy cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 trên thế giới

Công tác tại Công ty TNHH Truyền hình cáp Saigontourist (SCTV), liên doanh giữa Đài truyền hình Việt Nam (VTV) và Tổng công ty Du lịch Sài Gòn (Saigontourist) Đến nay, SCTV là công ty hàng đầu về cung cấp đa dịch vụ truyền thông viễn thông với

độ phủ sóng lên đến 57 tỉnh thành, số lượng phòng máy đến thời điểm hiện tại là 174 Thực tế, các khối giám sát điều kiện môi trường và an ninh các phòng máy của SCTV được đầu tư nhỏ lẻ, không đồng bộ giữa các phòng máy trực thuộc chi nhánh SCTV phân vùng quận hay tỉnh Ngoài ra, các phòng máy cũng thường xuyên không có nhân sự trực

do đặc thù công việc xử lý sự cố cũng như khi thực hiện các chiến dịch bảo trì, chăm sóc dịch vụ cho khách hàng Trên cơ sở được phân công nhiệm vụ quản lý hạ tầng kỹ thuật

phòng máy và định hướng của PGS.TS Trần Văn Lăng, đề tài luận văn "Xây dựng hệ thống thông minh giám sát điều kiện môi trường và an ninh phòng máy quy mô lớn" với kì vọng sẽ xây dựng được một sản phẩm thiết thực để tối ưu công tác quản lý

phòng máy tại Công ty

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT 1.1 LỊCH SỬ VÀ XU THẾ CỦA IOT TRÊN THẾ GIỚI:

Thuật ngữ Internet of Things (IoT) có từ năm 1999, được đặt ra bởi những người

sáng lập trung tâm Auto-ID ban đầu của MIT, Kevin Ashton vào năm 1999 và sau đó là David L Brock vào năm 2001 [1] Tuy nhiên trước đó cũng đã có những mường tượng, hình dung về các vật thể giao tiếp, thông minh ngay cả khi mạng Internet chưa ra đời

Mãi cho đến năm 2000, các thiết bị, things được kết nối với Internet ở hình dạng các máy tính có kích cỡ khác nhau Ta có bảng sơ lược lịch sử kết nối things với Internet [1]

[2], từ đó cho chúng ta thấy Internet không phải chỉ của con người sử dụng (of Person)

mà của cả mọi thứ (of Things) (xem Bảng 1.1)

Bảng 1.1 Một số tổ chức, sự kiện, sự vật kết nối với Internet trên thế giới

1973 Mario W Cardullo nhận bằng sáng chế cho thẻ

nhận dạng tần số vô tuyến đầu tiên (RFID) US Patent US 3713148 A

1982

Máy bán nước ngọt của khoa Khoa học máy

tính trường đại học Carnegie Mellon được kết

nối Internet

https://www.cs.cmu.edu/~coke/history_long.txt

1989

Một chiếc máy nướng bánh mì tại hội nghị

Interop được kết nối Internet

IEEE Consumer Electronics Magazine

(Volume: 6, Issue: 1, Jan 2017)

1991

HP giới thiệu máy in HP LaserJet IIISi có

khả năng kết nối mạng IP qua giao diện

Ethernet

http://hpmuseum.net/display_item.php?hw=350

1993 Máy pha cà phê của Đại học Cambridge

được kết nối Internet

https://www.cl.cam.ac.uk/coffee/qsf/coffee.html

1996

Công ty General Motors Onstar cho ra đời

dịch vụ chuẩn đoán từ xa

https://en.wikipedia.org/wiki/OnStar

1998 Tổ chức phi lợi nhuận Bluetooth được hình

thành

https://www.bluetooth.com/about-us/our-history

1999

LG cho ra đời chiếc tủ lạnh có kết nối

Internet đầu tiên (Internet Digial DIOS)

https://www.telecompaper.com/news/lg-unveils-

Các ứng dụng IoT ngày nay được quan tâm nhiều thông qua các ứng dụng trong các lĩnh vực tăng vọt (https://www.ipwatchdog.com) cũng như từ khóa này được quan tâm nhiều trên Google (https://trends.google.com) những năm gần đây (Hình 1.1, 1.2)

221266

internetready-refrigerator 2000

Những giao diện đầu tiên của dự án

Cooltown về máy tính phổ biến ở mọi nơi,

khi đó công nghệ điện toán và truyền thông

kết hợp tạo nên trải nghiệm web kết nối

cho mọi người, mọi nơi và mọi đối tượng

https://www.youtube.com/watch?reload=9&v=U2AkkuIVV-I

2001

Sản phẩm Bluetooth đầu tiên được giới

thiệu là chiếc điện thoại di động cho phép

kết nối Bluetooth của KDDI

http://edition.cnn.com/2001/BUSINESS/asia/04/17/tokyo.kddibluetooth/index.html

2005

Báo cáo của ITU lần đầu tiên về sự trỗi dậy

của IoT

http://www.itu.int/osg/spu/publications/internetofthings/InternetofThings_summary.pdf

2008

Liên minh IP cho các vật thể thông minh

(IPSO, năm 2018 đã sát nhập với OMA tạo

nên OMA SpecWorks) được thành lập, tập

trung vào IoT đầu tiên

alliance.org https://omaspecworks.org

https://www.ipso-2010

Định nghĩa về Smart Lighting hình thành

sau thành công của bóng đèn LED bán dẫn

hay LED trạng thái rắn (Solid-State Led)

https://www.bu.edu/smartlighting/files/2010/01/BobK.pdf

2014

Apple tạo ra giao thức iBeacon cho việc

báo hiệu

https://developer.apple.com/ibeacon/Getting-Started-with-iBeacon.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/IBeacon

Hình 1.1: Thống kê ứng dụng IoT tại Mỹ

Hình 1.2: Thống kê chủ đề tìm kiếm trên google liên quan đến IoT

Tại Việt Nam, tuy chưa thể theo kịp những nước đã phát triển nhưng IoT cũng đã

có những bước tiến đáng kể trong nghiên cứu và ứng dụng với một số sự kiện đáng lưu

ý [3] như Bảng 1.2

Bảng 1.2 Một số thiết bị, sự kiện của Việt Nam

2019 Bộ Thông tin và Truyền thông đã xây dựng bản dự thảo về "Thuật ngữ và định nghĩa

cho Internet vạn vật"

https://mic.gov.vn

2019 Nền tảng IoT thương mại của Việt Nam có tên iNut cho thiết bị ESP8266 giúp kết nối

các cảm biến, thiết bị ra Internet

https://inut.vn/

1.2 KHÁI NIỆM IOT:

Internet of Things (IoT), còn được gọi là Internet vạn vật hay Internet công nghiệp,

là một mô hình công nghệ mới được hình dung như một mạng lưới toàn cầu gồm các

máy móc và thiết bị có khả năng tương tác với nhau IoT là một trong những lĩnh vực quan trọng nhất của công nghệ tương lai bên cạnh trí tuệ nhận tạo và dữ liệu lớn, thúc đẩy cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 trên thế giới

"Thing" hiện diện trong thế giới thực, ở trong nhà, trong xe hơi, đeo trên người hay ở nơi làm việc của ta "Thing" nhận thông tin từ thế giới, chuyển thành dữ liệu gửi lên Internet để thu thập, xử lý Và, "Thing" cũng có thể hình thành phản ứng tác động

ngược trở ra thế giới thực thông qua các bộ truyền động

Tóm lại, IoT là khái niệm biến các thiết bị bình thường trở nên thông minh nhờ

vào bộ xử lý, cảm biến, bộ truyền động và các kết nối dữ liệu để tạo thành một mạng lưới mà ở đó các thiết bị có thể tương tác với nhau mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người (Hình 1.3)

Hình 1.3: IoT từ quan điểm nhìn các hệ thống nhúng

Kiến trúc IoT trải rộng trên rất nhiều công nghệ nhưng vẫn có bốn thành phần chính cấu thành nên hệ thống, bao gồm:

1 Thing: Là các vật thể, đại diện cho vật thể chính là các sensor, cảm nhận, thu

thập thông tin từ thế giới thực chuyển đổi thành dữ liệu, hay chuyển đổi dữ liệu thành tác động ngược lại thế giới thông qua thiết bị thực thi như còi hú, đèn báo…

2 Giao tiếp dữ liệu: Việc kết nối giữa thiết bị, các dịch vụ điện toán đám mây để

thực hiện giải mã dữ liệu và thực thi hoạt động dựa trên dữ liệu bao gồm các kết nối tầm gần trong phạm vi mạng cá nhân (PAN – Personal Area Networks) và kết nối ra Internet thông qua thiết bị chuyển tiếp mạng (Gateway device) Các công nghệ mạng không dây cho PAN có thông điệp truyền tải không dựa trên nền IP, như Bluetooth 5.0, Zigbee, Z-wave hay dựa trên nền IP, như IEEE 802.11 Wi-Fi, 6LoWPAN

3 Internet: Để đưa dữ liệu từ các cảm biến ra Internet cần hai công nghệ là các

Gateway và các giao thức tối ưu cho IoT trên nền IP như MQTT, AMPQ và CoAP thay cho các giao thức truyền thống chẳng hạn như SNMP, HTTP

4 Backend services: Một khi dữ liệu được thu thập, nó được chuyển lên server

doanh nghiệp hoặc cloud và được xử lý thông qua các dịch vụ Các dịch vụ này

có thể là lưu trữ dữ liệu hay phân tích, khai phá các thông tin từ dữ liệu để ra quyết định thực thi, hay giao diện giám sát hệ thống dành cho con người khi cần

Ở thành phần này, tùy vào quy mô cũng như giải pháp được thiết kế, có thể cần đến các công nghệ lưu trữ dữ liệu lớn cũng như việc phân tích, khai phá dữ liệu

sử dụng các mô hình học máy Còn nếu dữ liệu cần xử lý, phân tích đơn giản như nhiệt độ vượt ngưỡng nào đó được quy định trước có thể thực hiện bằng các

giao thức if this, then that (IFTTT) và có thể dịch chuyển các công đoạn tính

toán, xử lý từ server xuống các thiết bị cạnh biên, việc này hình thành nên thuật

ngữ edge computing và fog computing

IoT còn có một số phiên bản tên gọi khi các công ty và tổ chức cố gắng thu hút

sự chú ý, mỗi từ nêu bật các khía cạnh khác nhau của cùng một vấn đề cơ bản Ví dụ:

Web of Things (WoT) liên quan đến các công nghệ dựa trên web cho IoT, hay Internet

of Everything là một cách nói quá của IoT vì không có cách nào để kết nối cảm xúc, mùi

vị mà không có thứ gì sinh ra cảm giác đó, hay làm sao để kết nối được không gian hay

nước? Còn Machine-to-Machine (M2M) là một khái niệm chung liên quan đến giao tiếp

giữa một thiết bị với một thiết bị khác mà không cần sự can thiệp của con người Nhiều loại giao thức và công nghệ khác nhau có thể được sử dụng trong các giải pháp M2M có thể bao gồm cả giao thức IP Tuy nhiên, IP hay Internet ở đây chỉ đóng vai trò kênh giao tiếp giữa các thiết bị, máy móc chứ không phải một nền tảng mở cho khả năng tương tác

Bằng việc chuyển dữ liệu của các cảm biến, bộ xử lý biên và các thiết bị thông minh lên Internet, các dịch vụ đám mây có thể được áp dụng cho những thiết bị đơn giản nhất Trước khi công nghệ đám mây và truyền thông di động trở thành xu hướng và tiết kiệm chi phí, các cảm biến và các thiết bị điện toán nhúng trong lĩnh vực này không có phương tiện tốt để truyền dữ liệu trên toàn cầu trong vài giây, được lưu trữ thông tin vĩnh viễn và phân tích dữ liệu để tìm ra xu hướng và mô hình Khi công nghệ đám mây phát triển, các hệ thống truyền thông không dây trở nên phổ biến, các công nghệ năng lượng mới trở nên hiệu quả hơn về chi phí và các mô hình học máy phát triển để tạo ra các thông tin đáng giá Tất cả các điều này kết hợp lại tạo nên giá trị của một hệ thống IoT Nếu không có những công nghệ này chúng ta vẫn chỉ biết đến các hệ thống M2M mà thôi [1]

1.3 TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG IOT:

IoT sẽ tiếp cận vào gần như mọi phân khúc trong các sản phẩm công nghiệp, doanh nghiệp, y tế, tiêu dùng.v.v… Tỉ lệ số lượng thiết bị kết nối vào Internet được dự báo vượt xa mức tăng trưởng của con người như Hình 1.4

Hình 1.4: Sự chênh lệch giữa tăng trưởng dân số của con người và tăng trưởng các

thứ được kết nối

Việc ứng dụng IoT sẽ mang lại nhiều lợi ích khi giảm thiểu các chi phí, thời gian vận hành sản xuất hay hạn chế tổn thất, hư hỏng Ta sẽ đi xem xét sự ảnh hưởng của IoT đến từng lĩnh vực cụ thể

1.3.1 Công nghiệp và sản xuất:

Đây là phân khúc mà IoT phát triển nhanh và mạnh mẽ nhất dựa vào số lượng kết nối trong lĩnh vực và giá trị mà dịch vụ mang lại trong việc tự động hóa sản xuất Phân khúc này có truyền thống về các công nghệ vận hành, tức là áp dụng các công nghệ phần cứng và phần mềm để giám sát các thiết bị vật lý phục vụ các chỉ số về lợi nhuận, hoạt động thu thập và phản hồi dữ liệu theo thời gian thực cũng như sự an toàn của hệ thống Ngoài ra giao diện phần cứng và phần mềm của phân khúc này thường không hiện đại, các công nghệ như RS232/485…

Ứng dụng IoT vào lĩnh vực này có thể ở một số trường hợp như sau:

- Bảo trì, phòng ngừa trên máy móc

- Tiết kiệm năng lượng

- Hệ thống an toàn như cảm biến nhiệt, cảm biến áp suất, rò rỉ khí

- Các hệ thống chuyên gia

1.3.2 Tiêu dùng:

Tiêu dùng là phân khúc đầu tiên có vật thể được kết nối mạng internet, là chiếc máy pha cà phê vào những năm 1990 Đây là thị trường mà các công nghệ mới được áp

Zigbee, Z-wave Phân khúc này bao gồm cả thị trường chăm sóc sức khỏe, khi các thiết

bị đeo được có các tính năng theo dõi các chỉ số sức khỏe

Ứng dụng IoT vào lĩnh vực này có thể ở một số trường hợp như sau:

- Nhà thông minh: Hệ thống tưới nước thông minh, cửa nhà xe thông minh, khóa thông minh, đèn thông minh, bộ điều nhiệt thông minh, và an ninh thông minh

- Thiết bị đeo được: Theo dõi nhịp tim, khoảng cách di chuyển, các thiết bị theo dõi vị trí…

Nhiều sản phẩm IoT được lấy cảm hứng từ các đồ vật ma thuật Xuất phát từ chiếc đồng hồ treo tường cho biết vị trí hay trạng thái người nhà Weasley trong bộ truyện nổi tiếng Harry Potter (Hình 1.5), thiết bị "Where Dial" được John McKerrell phát triển có tính năng tương tự (Hình 1.6)

Hình 1.5: Đồng hồ cho biết vị trí người nhà Weasley trong phim Harry Potter

Hình 1.6: Thiết bị WhereDial của nhà phát triển Jc McKerrell

Hay từ chiếc gương ma thuật của bà phù thủy trong phim Bạch Tuyết và bảy chú lùn, các biến thể của chiếc gương ma thuật cũng được hiện thực hóa khi tích hợp thiết bị

vi xử lý có khả năng truy cập các dịch vụ qua Internet như Hình 1.7

Hình 1.7: Gương thông minh sử dụng board Raspberry Pi

1.3.3 Bán lẻ, tài chính và tiếp thị:

Một vài trường hợp sử dụng như sau:

- Thiết bị Beacon, để xác định khách hàng lân cận, mật độ khách hàng… (Hình 1.8)

- Theo dõi tài sản, kiểm soát hàng tồn kho, tổn thất và chuỗi cung ứng

- Giám sát kho lạnh, phân tích kho lạnh của hàng tồn dễ hư hỏng

- Áp dụng các phân tích dự đoán để tối ưu cung cấp thực phẩm

Hình 1.8: Ứng dụng IBeacon trong bán lẻ, marketing

Một vài trường hợp sử dụng IoT như sau:

- Chăm sóc sức khỏe tại nhà

- Dự đoán và phòng ngừa sức khỏe

- Theo dõi, nghiên cứu thuốc…

1.3.5 Giao thông vận tải và chuỗi cung ứng hàng hóa:

Lĩnh vực giao thông vận tải và chuỗi cung ứng hàng hóa cũng là động lực ứng dụng hàng đầu trong IoT Các cảm biến trên xe hỗ trợ cho người lái xe, hoặc khuyến nghị phòng ngừa thay mặt cho người lái Các loại xe tự lái đầy rẫy các cảm biến để có thể kết nối giao tiếp với nhau

Trong chuỗi cung ứng hàng hóa thì vị trí của các phương tiện vận chuyển đơn hàng có thể được theo dõi đơn giản như sử dụng thông tin GPS để xác định hướng di chuyển dựa trên các dịch vụ xác định mật độ giao thông dựa trên phương tiện vận chuyển…(Hình 1.9)

Hình 1.9: Bảng thông tin tuyến xe bus trực tuyến tại Việt Nam

1.3.6 Nông nghiệp và môi trường:

Hiệu quả sản xuất của nông nghiệp có thể tăng lên đáng kể khi áp dụng IoT Việc

sử dụng ánh sáng thông minh để điều chỉnh tần số quang phổ dữa trên tuổi của gia cầm

có thể làm tăng tỷ lệ tăng trưởng và giảm tử lệ tử vong do căng thẳng ở các trang trại gà đồng thời giúp tiết kiệm điện năng hơn so với sử dụng hệ thống sợi đốt thông thường Hay ứng dụng phát hiện sức khỏe vật nuôi dựa trên chuyển động, thân nhiệt Một trang trại chăn nuôi gia súc có thể tìm thấy các con vật có khuynh hướng đau ốm trước khi lây nhiễm cho cả đàn kết hợp các loại cảm biến và phương pháp phân tích dữ liệu hoặc máy học

Về môi trường, IoT có thể hỗ trợ phân tích, dự đoán vi khí hậu, dự đoán thảm họa trong các trường hợp thiên tai liên quan đến địa chất và thời tiết

1.3.7 Thành phố thông minh:

Là cụm từ ám chỉ việc kết nối thông minh cho các thứ thuộc thành phố mà trước nay chưa hề được thông minh Như việc triển khai các bảng thông tin tuyến xe bus trực tuyến như đã nêu ở lĩnh vự giao thông, việc giám sát thùng rác để cải thiện hiệu quả thu gom rác, triển khai các cảm biến nhiệt độ, sử dụng điện năng, chất lượng không khí, mức

độ tiếng ồn, chỗ đậu xe, camera an ninh trong qui mô và phạm vi một thành phố Việc triển khai IoT mang lại lợi ích đáng kể đồng thời tác động tích cực đến cuộc sống người dân thông qua sự cảm thấy an toàn, được quan tâm và tiện nghi cuộc sống

Nhìn chung, IoT mang đến lợi ích cho tất cả các ngành nghề Tuy nhiên, qui mô và việc triển khai IoT có thể đơn giản cho đến phức tạp với mức chi phí khác nhau

CHƯƠNG 2: CÁC GIAO THỨC TỪ THIẾT BỊ CẠNH BIÊN

ĐẾN CLOUD 2.1 BỘ GIAO THỨC LIÊN MẠNG TCP/IP:

Mặc dù tiêu tốn nguồn tài nguyên, chi phí trong hệ thống IoT khi sử dụng Internet, đổi lại các lợi ích to lớn khi các thiết bị giao tiếp được trên TCP/IP Việc thiết kế cần phải xem xét để cân bằng chi phí với các dịch vụ và tính năng của hệ thống IoT[1],[2]

TCP/IP trở thành chuẩn giao tiếp toàn cầu với nhiều lí do:

- Sự phổ biến: Bộ giao thức IP được hỗ trợ gần như mọi hệ điều hành Các giao thức truyền thông IP có khả năng chạy trên các hệ thống PAN khác nhau, mạng

di động, dây đồng, cáp quang, PCI Express và hệ thống vệ tinh

- Sự lâu đời: TCP ra đời vào năm 1974 và IPv4 được thiết kế vào năm 1978 Tuổi thọ là điều rất quan trọng đối với nhiều giải pháp IoT công nghiệp và lĩnh vực phải hỗ trợ các thiết bị và hệ thống trong nhiều thập kỷ Cũng có nhiều giao thức độc quyền khác đã được thiết kế bởi các nhà sản xuất khác nhau, chẳng hạn như AppleTalk, SNA, DECnet và Novell IPX, nhưng không có giao thức nào giành được thị trường như IP

- Dựa trên các tiêu chuẩn: TCP/IP được điều hành bởi nhóm đặc nhiệm kỹ thuật Internet (IETF), IETF duy trì các bộ tiêu chuẩn mở tập trung vào giao thức Internet

- Khả năng mở rộng: Mạng IP đã chứng tỏ khả năng mở rộng quy mô lớn tới hàng

tỷ người dùng và nhiều thiết bị Khi bộ địa chỉ IPv6 ra đời, đáp ứng mọi nhu cầu gán địa chỉ trên thế giới của các thiết bị, vật thể khi tham gia vào mạng Internet

- Sự tin cậy: IP là một giao thức đáng tin cậy cho việc truyền tải dữ liệu Nó thực hiện việc này thông qua các hệ thống phân phối gói tin dựa trên các mạng không kết nối Việc không kết nối cho phép các gói tin được xử lý độc lập với nhau và cho phép truyền tải qua phương thức truyền tải khác nhau (sự thay đổi ở lớp vật

lý và lớp liên kết dữ liệu) như Wifi, Ethernet

- Khả năng quản lý: Có rất nhiều công cụ, ứng dụng được phát triển để phục vụ công tác quản lý, bảo trì mạng và các thiết bị IP

Hình 2.1 là mô hình các tầng trong chồng giao thức của bộ giao thức TCP/IP:

- Tầng internet: Các giao thức là IPv4 và IPv6

- Tầng mạng: Các giao thức như Ethernet, Wifi, PPP…

2.2 CÁC GIAO THỨC ỨNG DỤNG CHO IOT:

Như ta đã biết, giao thức truyền tải siêu văn bản HTTP, là nền tảng của truyền thông dữ liệu cho World Wide Web, nơi tài liệu siêu văn bản bao gồm các siêu liên kết đến các tài nguyên khác mà người dùng có thể dễ dàng truy cập, ví dụ bằng cái nhấp chuột hoặc bằng cách chạm vào màn hình trong một trình duyệt web [4] HTTP được chuẩn hóa lần đầu tiên vào năm 1997, đến nay đã trải qua hơn 20 năm sử dụng, đã khẳng định được ý nghĩa và độ tin cậy của giao thức này Vậy, tại sao lại cho ra đời các giao thức ứng dụng khác mà không sử dụng luôn HTTP cho IoT khi truyền dữ liệu qua WAN?

Đó là do HTTP được thiết kế cho mô hình client/server hay request/respone, khi các thiết

bị gửi yêu cầu thì server mới phản hồi các yêu cầu đó, mô hình này trong IoT là không hiệu quả vì các thiết bị IoT có năng lực xử lý cũng như băng thông giới hạn Do đó, cần các giao thức khác để hiệu quả hơn, vẫn đảm bảo an toàn và khả năng mở rộng dễ dàng Sau đây chúng ta sẽ đi tìm hiểu về một số giao thức ở tầng ứng dụng được thiết kế và phát triển cho IoT

2.2.1 Giao thức MQTT:

Các khái niệm trong giao thức MQTT:

- Subcriber: Client ở đóng vai trò là nơi nhận thông điệp

- Subcribe: Hành động đăng ký nhận thông điệp từ một chủ đề

- Publisher: Client ở đóng vai trò là nơi phát thông điệp

- Publish: Hành động gửi thông điệp lên một chủ đề

- Broker: Server vai trò trung gian, nhiệm vụ chính của broker là nhận và chuyển

các thông điệp đến từ publisher và đi đến các subcriber tương ứng Có thể có thêm các chức năng khác tùy nền tảng MQTT

- Topic: Chủ đề, khi subcriber muốn nhận thông điệp, nó phải nêu rõ là nhận thông

điệp từ topic nào Tương tự, với publisher, khi muốn đăng thông điệp sẽ phải nêu

rõ thông điệp muốn đăng lên topic nào Một publisher có thể đăng thông điệp lên bất kỳ topic nào, và nếu có subcriber đang theo dõi ở topic đó thì broker sẽ chuyển thông điệp đến cho subcriber

Giao thức Message Queue Telemetry Transport (MQTT) là giao thức truyền

thông điệp theo mô hình publish/subcribe ra đời năm 1999 bởi Andy Stanfor-Clark và Arlen Nipper tại IBM để giải quyết những hạn chế cụ thể của việc kết nối các đường ống dẫn dầu và khí đốt từ xa qua vệ tinh [1] Một số yêu cầu được đặt ra cho MQTT:

- Thực hiện đơn giản

nó dưới dạng phiên bản MQTT 3.1.1 MQTT cũng là một tiêu chuẩn ISO (ISO/IEC PRF 20922)

không xác định hoặc phổ biến MQTT là giao thức có kiến trúc publish/subscribe, nhưng không phải là một hàng đợi tin nhắn Hàng đợi tin nhắn theo bản chất lưu trữ tin nhắn trong khi MQTT thì không Trong MQTT, nếu không có ai đăng ký (hoặc nghe) một chủ

đề, chủ đề đó sẽ bị bỏ qua và mất đi

Hình 2.2: Mô hình MQTT publish-subcribe

Hình 2.2 là một ví dụ minh họa về một cấu trúc liên kết MQTT publish-subcribe Trong đó, các client chạy ở cạnh biên thự hiện publish hoặc subcribe các topic được quản

lý bởi MQTT broker Ở đây, có 2 topics đó là "humidity" và "temperature" Hình vẽ

cũng cho thấy một cảm biến thông minh có đủ tài nguyên để trở thành một MQTT client trong khi đó các cảm biến khác phải cần đến các bộ định tuyến biên (edge router) để thực hiện chức năng này

MQTT là dữ liệu dạng bất khả tri, bất kỳ kiểu dữ liệu nào cũng có thể chứa trong nội dung của thông điệp, điều này cho phép chuyển đi các cả dữ liệu như âm thanh, hình ảnh, nhị phân… miễn là publisher và subcriber đã thống nhất với nhau và hiểu được định dạng dữ liệu đó

Mặc dù MQTT dựa trên TCP, các kết nối vẫn có thể bị mất, đặc biệt là trong môi trường cảm biến không dây hay thiết bị mất nguồn điện Lúc này, kết nối sẽ ở trạng thái nửa mở (half-open) và máy chủ tin rằng kết nối còn duy trì và vẫn chờ dữ liệu đến Để khắc phục tình trạng này, MQTT sử dụng một cơ chế gọi là keep-alive Trong đó, cả broker và client đều đảm bảo rằng kết nối vẫn còn ngay cả khi không thông điệp nào được truyền đi trong một khoảng thời gian Cụ thể, khi không có thông điệp nào được truyền đi trong một khoảng thời gian định trước, cơ chế keep-alive kích hoạt client gửi một gói PINGREQ đến broker, gói này sẽ được xác nhận bằng một PINGRESP Bộ định thời keep-alive được thiết lập ở cả client và broker Cả gói tin keep-alive và thông điệp đều làm bộ định thời keep-alive bắt đầu đếm lại Nếu bộ định thời keep-alive đếm vượt quá giá trị ngưỡng, broker sẽ đóng kết nối lại và gửi đi gói LWT tới các client

Trong trường hợp không nhận được bản lưu còn tồn tại và bộ đếm thời gian hết hạn, nhà môi giới sẽ đóng kết nối và gửi gói LWT đến tất cả các máy khách Sau đó, khách hàng có thể cố gắng kết nối lại Trong trường hợp đó, một kết nối nửa mở sẽ được nhà môi giới đóng lại và mở ra một kết nối mới cho khách hàng

Cơ chế keep-alive hỗ trợ các kết nối bị gián đoạn, việc thiết lập lại các thông tin chủ đề theo dõi của client và các thông số QoS có thể dẫn đến việc tiêu tốn tài nguyên không cần thiết Để hạn chế điều này, MQTT cho phép các dạng kết nối liên tục Một kết nối liên tục sẽ lưu các thông tin trên broker như sau:

- Tất cả các thông tin theo dõi chủ đề của client

- Tất cả các thông điệp QoS chưa được xác nhận bởi client

- Tất cả các thông điệm QoS mới mà client chưa nhận được

Broker cũng có thể thiết lập cấu hình không cho phép sử dụng các kết nối liên tục Các client nào không muốn thất lạc bất kì thông điệp nào thì nên thiết lập kết nối liên tục, ngược lại đối với client chỉ thực hiện phát hành các thông điệp

Có ba cấp độ QoS trong MQTT:

- QoS-0: Đây là mức chất lượng thấp nhất, khi thông điệp gửi với QoS0 thì không

cần người nhận xác nhận hay người gửi gửi lại thông điệp

- QoS-1: Chế độ này sẽ đảm bảo gửi thông điệp ít nhất một lần đến người nhận

Nó có thể được gửi nhiều lần và người nhận sẽ gửi lại xác nhận kèm theo phản hồi PUBACK

- QoS-2: Đây là mức chất lượng cao nhất, đảm bảo và thông báo cho cả người gửi

và người nhận rằng một thông điệp đã được truyền đi một cách chính xác Chế độ này tạo ra nhiều lưu lượng truy cập hơn với khi thực hiện bắt tay nhiều bước giữa người gửi và người nhận Nếu người nhận nhận được một thông điệp với QoS-2,

nó sẽ trả lời bằng gói PUBREC cho người gửi để xác nhận và người gửi sẽ trả lời bằng gói PUBREL PUBREL cho phép người nhận loại bỏ mọi lần truyền lại

thông điệp một cách an toàn PUBREL sau đó được xác nhận bởi người nhận bằng PUBCOMP Cho đến khi tin nhắn PUBCOMP được gửi đi, người nhận sẽ lưu thông điệp gốc vào bộ nhớ cache cho an toàn

2.2.1.3 Cấu trúc gói tin MQTT:

Gói MQTT bao gồm 2 mào đầu, một mào đầu 2 byte cố định, một mào đầu có kích thước thay đổi và sau cùng là payload cũng có thể thay đổi (Hình 2.3)

Hình 2.3: Cấu trúc gói tin MQTT

Một liên kết truyền thông bằng giao thức MQTT bắt đầu với client gửi một thông điệp CONNECT đến một broker Broker sẽ luôn trả lời một gói CONNECT bằng một gói CONNACK kèm mã trạng thái Một khi kết nối được thiết lập, nó sẽ duy trì trạng thái mở Dưới đây là các thông điệp MQTT và định dạng cấu trúc của nó:

- CONNECT (client gửi cho server): Client sẽ gửi gói tin Connect đến Server để

yêu cầu kết nối có cấu trúc như Bảng 2.1

Bảng 2.1 Cấu trúc gói tin Connect do client gửi

ID, chiều dài từ 1-23 byte UTF-8

0: server phải quay lại các liên kết với client Client và server phải lưu lại trạng thái phiên sau khi ngắt kết nối

1: Client và server phải hủy các trạng thái của phiên liên kết trước và bắt đầu một phiên mới

cố định ở đầu

điệp

sau khi đã được xuất bản

Client sẽ phải gửi thông điệp hoặc gói PINGREQ trước khi bộ định thời keep-alive hết hạn Server sẽ đóng kết nối sau 1.5 thời gian thiết lập của keep-alive Giá trị 0 sẽ vô hiệu hóa cơ chế này (không sử dụng)

- Gói trả lời yêu cầu CONNECT (server gửi cho client): Không phải broker sẽ

chấp nhận tất cả các yêu cầu kết nối Broker sẽ phản hồi các yêu cầu kết nối có thể, gói tin trả lời của server có cấu trúc như Bảng 2.2

Bảng 2.2 Cấu trúc gói tin phản hồi Connect do server gửi

0 Kết nối thành công

1 Kết nối bị từ chối – Phiên bản MQTT không phù hợp

2

Kết nối bị từ chối – Định danh của client đúng chuẩn UTF-8, nhưng không được server chấp nhận

3 Kết nối bị từ chối – Server không khả dụng

4 Kết nối bị từ chối – Xác thực sai

5 Kết nối bị từ chối – Client không được phép kết nối

- PUBLISH (client gửi cho server): Một client muốn xuất bản dữ liệu đến một

topic Mỗi gói tin PUBLISH phải có một topic có cấu trúc như Bảng 2.3

Bảng 2.3 Cấu trúc gói tin Publish

Định danh cho gói là duy nhất nằm trong phần mào đầu thay đổi Đối với QoS-0 thì giá trị packetID luôn bằng 0

qos Tùy chọn Cấp QoS 0,1 hay 2

- SUBSCRIBE (client gửi cho server): Nội dung của một gói đăng ký chủ đề bao

gồm tối thiểu thông tin về topic và mức QoS Một gói đăng ký có thể có nhiều cặp topic và QoS nếu client có nhu cầu để giảm thiểu số lần gửi đăng ký, cấu trúc như Bảng 2.4

Bảng 2.4 Cấu trúc gói tin Subcribe

phần mào đầu thay đổi

topic_1

topic_2 Tùy chọn Đường dẫn chủ đề 2 muốn lắng nghe

topic_2

- Tại đây cho phép thực hiện đăng ký nhiều topic sử dụng các ký tự đại diện Chẳng hạn, ta có đường dẫn chủ đề "{country}/{city}/{temperature,humidity}"

o Ký tự đại diện một cấp "+": Thay thế một cấp trong đường dẫn tên chủ

đề Ví dụ khi đăng ký chủ đề "VN/+/temperature" có nghĩa là client đăng

ký nhận thông điệp của tất cả các thành phố của Việt Nam

o Ký tự đại diện nhiều cấp "*": Thay thế nhiều cấp trong đường dẫn tên chủ đề Luôn là ký tự cuối cùng trong đường dẫn Ví dụ khi đăng ký chủ

đề "VN/*", có nghĩa là client đăng ký nhận tất cả các thông điệp của nước Việt Nam

o Ký tự đại diện cho các chủ đề đặc biệt "$": Đây là chế độ thống kê đặc biệt dành cho các MQTT server Client không được xuất bản thông điệp

vào các chủ đề $

2.2.2 Giao thức MQTT-SN:

MQTT có một phiên bản khác nhỏ gọn hơn được gọi là MQTT-SN, giao thức này được dùng cho các thiết bị cạnh biên và cấu trúc thiết kế đặc biệt cho các mạng cảm biến không dây Các đặc điểm này bao gồm hỗ trợ các liên kết băng thông thấp, lỗi liên kết,

độ dài tin nhắn ngắn và phần cứng hạn chế về tài nguyên Trên thực tế, MQTT-SN nhẹ đến mức có thể chạy thành công qua mạng BLE và Zigbee

MQTT-SN không yêu cầu chồng giao thức TCP/IP Nó có thể được sử dụng qua liên kết nối tiếp, trong đó chi phí giao thức liên kết đơn giản (để phân biệt các thiết bị khác nhau trên đường truyền) thực sự nhỏ Ngoài ra, nó có thể được sử dụng qua UDP,

rõ ràng cũng tốn ít chi phí hơn TCP như MQTT

2.2.2.1 Kiến trúc giao thức MQTT-SN:

Có 4 thành phần cơ bản trong kết nối MQTT-SN:

- Gateway: Một gateway có trách nhiệm chuyển đổi giao thức từ MQTT-SN sang

MQTT và ngược lại Các gateway cũng có thể là ghép gộp hoặc trong suốt

- Forwarder: Một tuyến đường giữa một cảm biến và một gateway MQTT-SN có

thể gồm nhiều chặng và băng qua vài bộ định tuyến dọc đường Các nút giữa client đang ở vai trò là nguồn phát tin và gateway MQTT-SN được gọi là các forwarder và nó chỉ đơn giản đóng lại khung mới cho MQTT-SN và chuyển tiếp tin đến được đúng gateway MQTT-SN

- Client: Giống với MQTT, client có khả năng đăng ký và xuất bản thông điệp, dữ

liệu

- Broker: Vai trò giống với trong giao thức MQTT

Hình 2.4 minh họa một mô hình giao tiếp MQTT-SN

Hình 2.4: Mô hình giao tiếp của MQTT-SN

2.2.2.2 Các gateway trong suốt và gateway ghép luồng:

Trong MQTT-SN, các gateway có thể đóng hai vai trò riêng biệt Đầu tiên, một gateway trong suốt sẽ quản lý nhiều luồng MQTT-SN độc lập từ các thiết bị cảm biến

và chuyển đổi mỗi luồng đó thành một thông điệp MQTT Trong khi đó, một gateway ghép sẽ kết hợp một số lượng các luồng MQTT-SN thành một số luồng MQTT ít hơn để gửi đến MQTT broker Một gateway có chức năng ghép sẽ phức tạp hơn về thiết kế nhưng sẽ giảm được số lượng mào đầu giao tiếp cũng nhưng kết nối đồng thời được mở trên máy chủ Để xây dựng một gateway ghép thì các client cần publish và subcribe trên cùng một chủ đề Hình 2.5 minh họa hai vai trò của gateway MQTT-SN

Hình 2.5: Vai trò của MQTT-SN Gateway ghép và trong suốt

2.2.2.3 Một số điểm khác biệt giữa MQTT-SN và MQTT:

Các điểm khác biệt chính giữa MQTT-SN và MQTT như sau:

- Có ba thông điệp CONNECT trong MQTT-SN thay vì một trong MQTT Hai gói thêm vào dùng để đính kèm chủ đề và thông điệp Will

- MQTT-SN chạy trên UDP thay vì TCP như MQTT

- Hỗ trợ chủ đề ngắn hơn, chủ đề dạng tên hay ID có độ dài hai byte

- Chủ đề có thể được định nghĩa trước mà không cần phải đăng ký

- Chu trình khai phá giúp cho client tìm được đường đến Gateway

- Cơ chế keepAlive hỗ trợ các thông điệp gửi đến một client đang nghỉ sẽ được giữ lại ở server hoặc router biên, các thông điệp này sẽ được chuyển lại cho client khi client thức dậy

2.2.3 Giao thức CoAP:

Constrained Application Protocol (CoAP) là sản phẩm của IETF (RFC7228), là

giao thức được sử dụng trong giao tiếp giữa các thiết bị có tài nguyên hạn chế Nó cũng

hỗ trợ ánh xạ sang HTTP thông qua việc sử dụng các proxy, điều này giúp thiết bị có khả năng lấy dữ liệu từ internet

CoAp cung cấp chức năng tương tự như HTTP nhưng với mào đầu gói tin và điện năng được giảm thiểu đáng kể, Bảng 2.4 thể hiện kết quả so sánh giữa CoAP và HTTP được thử nghiệm trên cùng phần cứng và các hoạt động thông tin:

Bảng 2.5 Kết quả thử nghiệm vài thông số giữa hai giao thức CoAP và HTTP

- Cơ chế ánh xạ HTTP cho phép chuyển tiếp đến các phiên HTTP

CoAP có hai lớp cơ bản:

- Lớp Request/Response: Chịu trách nhiệm gửi và nhận các truy vấn

- Proxies: Một điểm cuối được client ủy quyền thực hiện các request cho

client Điều này giảm tải đồng thời cung cấp một lớp bảo mật cho client Một proxy cũng có thể ánh xạ một CoAP request sang một CoAP request khác hoặc sang một giao thức khác (như HTTP)

- Client: Nơi khởi tạo một request và là nơi nhận response

- Server: Nơi nhận request và là nơi tạo reponse

- Intermediary: Một client hoạt động với vai trò như một server và client đối với một origin server

- Origin server: Các server có chứa một số tài nguyên nhất định

- Observer: Một client giám sát có thể đăng ký chính nó bằng một thông

điệp GET Nó sau đó được kết nối vào một nguồn tài nguyên và nếu tài nguyên có sự thay đổi nào đó thì server sẽ gửi một thông báo về cho

observer

Hình 2.6 minh họa một hệ thống HTTP cho phép các client CoAP liên lạc với nhau hoặc với các dịch vụ trên cloud

Hình 2.6: Mô hình giao tiếp của CoAP

2.2.3.2 Các định dạng thông điệp CoAP:

Các giao thức dựa trên UDP thường không có cơ chế kiểm tra độ tin cậy Để bù lại khiếm khuyết này, CoAP có hai loại thông điệp có và không có sự xác nhận Đồng thời có thêm tính năng là truyền thông bất đồng bộ Có tổng cộng 4 loại thông điệp trong CoAP:

- Confirmable (CON): Một thông điệp có yêu cầu ACK (xác nhận) Nếu một

thông điệp CON được gửi đi thì yêu cầu một ACK phải nhận được trong khoảng thời gian từ ACK_TIMEOUT đến (ACKTIMEOUT x ACK_RANDOM_FACTOR) Nếu không nhận được ACK trong khoảng thời gian trên, thiết bị gửi sẽ gửi lặp lại các thông điệp CON đó theo các khoảng thời gian tăng lên theo cấp số nhân cho đến khi nhận được gói ACK hoặc RST Số lần thử gửi lại tối đa cho gói CON được đặt bởi biến MAX_RETRANSMIT Đây là

cơ chế phục hồi bù lại cho việc khiếm khuyết cơ chế phục hồi của giao thức lớp

4, UDP (Hình 2.7)

Hình 2.7: Quá trình gửi lại gói CON trong CoAP

- Non-confirmable (NON): Một thông điệp không yêu cầu ACK

- Acknowledgment (ACK): Thông điệp xác nhận cho gói tin CON Một gói tin

ACK có thể mang theo dữ liệu khác

- Reset (RST): Cho biết rằng một thông điệp CON vừa nhận được nhưng không

đúng hoàn cảnh Gói tin RST cũng có thể mang theo dữ liệu khác

Hình 2.8 minh họa các trường hợp gửi và có thể nhận phản hồi của các gói CON và NON

Hình 2.8: RESTful request/reponse nằm trong nội dung của thông điệp CoAP

Trong khi các kiến trúc thông điệp khác yêu cầu server trung tâm để phân phối các thông điệp giữa các client, CoAP cho phép các thông điệp được gửi giữa bất kỳ CoAP client nào bao gồm cả các cảm biến và server CoAP bao gồm một mô hình bộ nhớ đệm đơn giản Bộ nhớ đệm được điều khiển bởi các mã phản hồi trong mào đầu của

thông điệp Tùy chọn Max_Age được sử dụng để điều khiển các tuổi thọ của các bộ nhớ đệm và đảm bảo độ mới của dữ liệu Max_Age mặc định là 60 giây và giá trị tối đa có

thể thiết lập lên đến 136.1 năm Các proxy đóng vai trò là một bộ nhớ đệm; ví dụ, khi một cảm biến ở trạng thái nghỉ, nó có thể sử dụng một proxy để lưu tạm dữ liệu

Tiêu đề thông điệp CoAP được thiết kế tinh giảm có độ dài 4 byte, với một thông điệp request thông thường thì tổng chiều dài header chiếm khoảng 10-20 byte Cấu trúc bao

gồm các Message Type Identifiers (T) cho biết loại thông điệp luôn có trong mỗi tiêu đề

liên kết với trường Message-ID duy nhất Trường Code được sử dụng để thông tin các

lỗi hay các trạng thái thành công Sau header, các trường còn lại là tùy chọn và có độ dài

thay đổi là các Token, Option, và Payload (Hình 2.9)

Hình 2.9: Cấu trúc gói tin CoAP

UDP có thể gây nên các gói tin trùng lặp cho cả hai loại thông điệp CON và NON Nhờ vào trường Message ID trong tiêu đề, nếu có một thông điệp với cùng Message ID được gửi lại trong khoảng thời gian định trước EXCHANGE_LIFETIME, bên nhận sẽ

biết được thông điệp bị trùng

Tôi xét vai trò của Observer trong một hệ thống, điều này cho phép CoAP hành xử tương

tự như MQTT Quy trình giám sát cho phép một client đăng ký làm giám sát viên và server sẽ thông tin cho client mỗi khi tài nguyên giám sát có sự thay đổi trạng thái Thời hạn giám sát có thể được định nghĩa trong quá trình đăng ký Ngoài ra, quá trình giám

sát có thể kết thúc khi client gửi thông điệp RST hay một thông điệp GET khác (Hình

2.10)

Hình 2.10: Ví dụ CoAP Observer

Khi CoAP dựa vào DTLS để tăng cấp độ bảo mật dữ liệu truyền thông thì URI sẽ thay

đổi tương tự như HTTP thông qua TLS là thêm "s" đằng sau giao thức, URI:

//Không mã hóa

2.3 TỔNG KẾT:

Ngoài ra còn nhiều các giao thức thông khác phục vụ cho lĩnh vực IoT và M2M

như Simple Text Message-Oriented (STOMP), Advanced Message Queuing Protocol Tuy nhiên, cho đến nay MQTT, CoAP, và HTTP vẫn chiếm ưu thế trong ngành và được hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ đám mây hỗ trợ Trong đó, MQTT và MQTT-SN cung

cấp mô hình giao tiếp publish/subcribe có thể mở rộng và hiệu quả trong khi CoAP cung cấp các tính năng liên quan đến mô hình RESTful với chi phí thấp Căn cứ vào các nghiên

cứu ở chương này, tôi sẽ sử dụng MQTT làm giao thức truyền thông giữa các node

trong giải pháp hệ thống giám sát

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ XÂY DỰNG GIẢI

PHÁP 3.1 TỔNG QUAN:

3.1.1 Sự cần thiết:

Việt Nam có nhiệt độ trung bình cao, tại thành phố Hồ Chí Minh nhiệt độ trung bình cao trên 29 oC kéo dài từ tháng 2 đến tháng 9 hàng năm, nhiệt độ thấp nhất không dưới 23 oC (Hình 3.1)

Hình 3.1: Nhiệt độ trong ngày ở TP HCM thấp nhất không dưới 23 o C

Các thiết bị điện khi hoạt động do có tổn hao năng lượng thường gây nóng cho thiết bị và môi trường Mỗi thiết bị đều có ngưỡng nhiệt độ vận hành theo khuyến cáo của nhà sản xuất (Hình 3.2) Khi nhiệt độ vận hành cao vượt ngưỡng sẽ dẫn đến tình trạng thiết bị hoạt động mất ổn định như khởi động lại hay thậm chí có thể gây hư hỏng thiết bị

Hình 3.2: Điều kiện môi trường của hệ thống CMTS Casa C100G

Tầm quan trọng của Internet ngày nay là không thể phủ nhận khi tạo ra một mạng truyền thông kết nối toàn bộ các quốc gia trên thế giới, kéo theo đó là các dịch vụ nền tảng như mạng xã hội, tìm kiếm, giáo dục trực tuyến, giải trí, lưu trữ, thương mại điện

tử … Trong đó, các trung tâm dữ liệu (Data Center), các phòng máy phân phối tín hiệu (Hub) đóng vai trò là nơi tập trung các hệ thống server lưu trữ hay các thiết bị truyền dẫn (switch, router) thực hiện chuyển tiếp các luồng dữ liệu cho các thiết bị đầu cuối Chỉ tiêu độ khả dụng dịch vụ Internet yêu cầu ≥ 99.5% (QCVN 34:2019/BTTTT), điều này đòi hỏi các nhà cung cấp dịch vụ internet (ISP) triển khai nhiều biện pháp để giảm thiểu các rủi ro có thể gây gián đoạn dịch vụ, bao gồm: Gián đoạn hạ tầng ngoài trời, gián đoạn hạ tầng trong nhà, gián đoạn do sự cố phòng máy, thiết bị

Hình 3.3: Các tủ Rack thiết bị trong phòng máy phân phối tín hiệu mạng HFC

Trong đó, gián đoạn do sự cố thiết bị, phòng máy xảy ra có thể do: Sự cố gián đoạn điện, thiết bị bị lỗi đột ngột hay hỏng hóc do điều kiện vận hành, các sự cố xảy ra

do thiên tai bão lũ, hỏa hoạn hay do chủ đích phá hoại của con người Các biện pháp

giảm thiểu rủi ro cơ bản cũng được các ISP xây dựng thành tiêu chuẩn cho các phòng máy như đảm bảo không gian, thẩm mỹ, thiết kế hệ thống điện, tiếp đất, chống sét, điều kiện môi trường, hệ thống camera an ninh

Trên cơ sở thiết kế cho việc tối ưu truyền dẫn - phân phối tín hiệu, các phòng máy được phân bổ theo mật độ tập trung đầu cuối trên miền địa lý (Hình 3.1), thông thường một Hub sẽ phủ sóng truyền dẫn cho phạm vi quận của các thành phố lớn như TP Hồ Chí Minh, Đà Nẵng và phạm vi tỉnh

Hình 3.4: Sơ đồ mạng cáp HFC

Số lượng phòng máy trải rộng, nhân sự vận hành đa nhiệm (vận hành phòng máy,

xử lý sự cố outdoor, xử lý sự cố indoor - chăm sóc khách hàng) (Hình 3.5) dẫn đến tình trạng phòng máy thường xuyên không có người; điều này đặt ra yêu cầu xây dựng một giải pháp giám sát thông minh, một hệ thống quản lý toàn diện cho các phòng máy

Hình 3.5: Công tác xử lý sự cố outdoor và chăm sóc khách hàng

Một hệ thống quản lý phòng máy thông minh cho phép điều khiển và quản lý được các hệ thống kỹ thuật trong phòng máy như hệ thống điện, hệ thống giám sát điều kiện môi trường, cảnh báo khói cháy, hệ thống giám sát cửa ra vào, hệ thống camera an ninh… hệ thống giám sát phải hoạt động đồng bộ ở thời gian thực, có kết nối mạng để theo dõi từ trung tâm, các sự kiện giám sát, cảnh báo phải được chuyển tiếp chính xác giúp nhân sự quản lý phòng máy phản ứng kịp thời và có các động thái phù hợp để đảm bảo an toàn an ninh cho phòng máy, duy trì ổn định chất lượng dịch vụ

Các tính năng cơ bản của hệ thống thông minh quản lý phòng máy:

- Cho phép các thiết bị trong phòng máy hoạt động một các đồng bộ, chính xác

- Giám sát được các thông số điều kiện môi trường phòng máy như như nhiệt độ,

3.1.2 Các giải pháp giám sát phòng máy:

Hiện tại các giải pháp giám sát trên thị trường trong nước và quốc tế cũng đã có, chú trọng đến tính năng tự động hóa trong giám sát điều kiện nhà trạm, sơ lược qua một số giải pháp và tính năng giám sát phòng máy: