NTTU NCKH 05 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập Tự do Hạnh phúc Đơn vị chủ trì Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐÈ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ GIẢNG VIÊN 2021 2022 Tên đề tài Nghi.
NTTU-NCKH-05 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐÈ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ - GIẢNG VIÊN 2021 - 2022 Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị loT Cloud ứng dụng giám sát tiêu nước Số hợp đồng: 2021.04.010/HĐ-KHCN Chú nhiệm đề tài: Lê Trường Giang Đơn vị công tác: Viện Khoa Học Xã Hội Liên Ngành Thời gian thực hiện: 10/04/2021 - 10/04/2022 TP Hồ Chỉ Minh, ngày tháng năm 2021 MỤC LỤC MỞ ĐÀU Mục tiêu tong quan đề tài nghiên cứu CHƯƠNG TÓNG QUAN TÀI LIỆU .9 CHƯƠNG NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN củu VÀ KẾT QUẢ .10 2.1 Nội dung 1: Tìm hiểu tổng quan, khảo sát tình hình triển khai ứng dụng loT giới Việt Nam 19 2.2 Nội dung 2: Nghiên cứu thiết kế chế tạo phần cứng thiết bị loT 2.2.1 Nghiên cứu giao thức kêt nôi loT không dây WiFi, Zigbee Lora 29 2.2.2 Nghiên cứu lựa chọn hệ điều hành mã nguồn mở cho hệ thống quản lý công nghệ loT, sử dụng cho hệ thống nhúng mạng cảm biến không dây 33 2.2.3 Nghiên cứu Nghiên cứu lựa chọn truyền nhận dừ liệu không dây công suất thấp, giá rẻ có khả tích hợp vào điều khiển trung tâm gateway (Ví dụ: LoRa SX1287, ZigBee MD920, BLE, ) 34 2.2.4 Nghiên cứu thiết kế tích hợp chuẩn truyền thông không dây cho thiết bị Cloud loT gateway 37 2.2.5 Thực thiết ke mạch nguyên lý cho thiết bị Cloud loT gateway: tính tốn nguồn cung cấp, tính tốn cơng suất phát cho module, tính tốn giá trị linh kiện liên quan hệ thống 38 2.2.6 Vè mạch nguyên lý cho hệ thống loT gateway 40 2.3 Nội dung 3: Thiết kế PCB cho thiết bị Cloud loT gateway 40 2.3.1 Thực thiết kế mạch ngun lý cho thiết bị Cloud loT gateway: tính tốn nguồn cung cấp, tính tốn cơng suất phát cho module, tính tốn giá trị linh kiện liên quan hệ thống 40 2.3.2 Vẽ mạch nguyên lý cho hệ thống gateway 41 2.3.3 Thiết kế PCB cho thiết bị Cloud loT gateway 42 2.3.4 Lắp ráp thử nghiệm thông số cùa board mạch loT gateway.44 2.4 Nội dung 4: Nghiên cứu giải thuật bảo mật hệ thống loT 45 2.4.1 Nghiên cứu giải thuật bảo mật dừ liệu cho gateway 45 2.4.2 Nghiên cứu giải thuật bảo mật firmware thiết bị loT 45 2.4.3 Nghiên cứu đề xuất giải thuật bảo mật cụ thể cho thiết bị gateway thiết kế 46 2.5 Nội dung 5: Nghiên cứu thực thi giải thuật bảo mật cho loT Gateway 48 2.5.1 Nghiên cứu áp dụng thuật toán bảo mật đê xt mơ máy tính 48 2.5.2 Xây dựng mơ hình mơ hệ thống gateway .50 2.5.3 Thực thi giải thuật bảo mật máy tính để kiểm chứng kết quà 51 2.5.4 Xây dựng mã nguồn giải thuật bảo mật phần mềm mã nguồn mở cùa hệ thống 52 2.5.5 Xây dựng mã nguồn cho Cloud loT gateway: quản lý hệ thống, thu thập dừ liệu, giao tiếp Cloud/Server 55 2.5.6 Ket nối giải thuật bảo mật firmware vận hành thử nghiệm 55 2.5.7 Hiệu chỉnh tổng quan firmware giải thuật bảo mật; chạy thử nghiệm sau hiệu chỉnh 56 2.6 Nội dung 6: Nghiên cứu thiết kết loT node đa 57 2.6.1 Nghiên cứu thông số cho thiết kế loT node .57 2.6.2 Tính tốn thiết kế thành phần chi tiết loT node 58 2.6.3 Vè mạch nguyên lý cho hệ thống loT node .59 2.6.4 Vẽ mạch PCB cho loT node, lắp ráp thành phần linhkiện, kiểm tra tính 59 2.6.5 Xây dựng giải thuật firmware cho loT node 59 2.6.6 Viết chương trình cho loT node dựa lưu đồ giải thuật đề xuất 59 2.6.7 Chạy thử nghiệm hệ thống hiệu chỉnh 59 2.7 Nội dung 7: Chạy thử nghiệm hệ thống loT gateway để theo dõi tính ổn định theo thời gian (~ 30 ngày, 24h/ngày) 60 2.7.1 Vè xây dựng mơ hình, câu hình thử nghiệm thiêt bị loT 60 2.7.2 Đánh giả độ xác cảm biến 61 2.7.3 Đánh giả tính ổn định giao thức loT node loT Gateway thiết kế 62 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC 66 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẢT 3G: third-generation 4G: fourth-generation AI: artificial intelligence CDMA 2000: Code Division Multiple Access 2000 CDMA: Code Division Multiple Access DEMO: demonstration of a product ĐHQG: Đại Học Quốc Gia loT: Internet of Things KHTN: Khoa Học Tự Nhiên LAN: Local Area Network RF: Radio Frequency TD-CDMA:T ime-division-Code division multiple access TDMA: Time Division Multiple Access W-CDMA: Wideband Code Division Multiple Access DANH MỤC CÁC BẢNG BIẾU Bang 1-Chi tiết kích thước ăng-ten 433Mhz theo khuyến cảo Hope RF[9] Sparkfun[10] 32 Báng 2: Chi tiết cấu trúc dừ liệu truyền/nhận RFM69 loT node loT Gateway 36 Báng Thông tin cẩu trúc phần cứng mạch PCB loT Gateway 41 Bang Mô tả sán phàm đăng ký 68 Bang Mô tả sán phẩm đạt từ kết qua đề tài 68 MỞ ĐẦU Cuộc Cách mạng Công nghệ 4.0 (CMCN 4.0) xác định theo phát triển dựa tảng số hoá CMCN 3.0 đời thực tế ảo, đối tượng thông minh gắn kết không gian thực không gian số Thuật ngừ Công nghiệp 4.0 (Industry 4.0) năm 2000, đến 2011 đề cập đến Hội chợ Chương trình Cơng nghiệp Hannover đến 2012 trở thành thuật ngừ thức cùa CHLB Đức Hiện nay, thuật ngữ trở thành cụm từ nói đen nhiều kế hoạch, chiến lược phát triển nhiều nước Khác với CMCN trước - CMCN 4.0 phát triển tiếp nối thành tựu KH & CN nhân loại, có tính cách mạng, làm biến đổi sâu sắc toàn hệ thống quản lý quốc gia, giới, làm đảo lộn phương thức truyền thống giao tiếp, mua bán, sinh hoạt, Các thành tố CMCN 4.0 bao gồm Internet kết nối vạn vật loT (Internet of Things); Điện tốn đám mây (Cloud Computing); Trí tuệ nhân tạo AI (Artificial Intelligence); Máy in 3D (Printer 3D); Năng lượng tái tạo Công nghệ sinh học Mục tiêu đề tài thực tồng quan, tập trung vào khảo sát, phân tích, đánh giá hệ thống loT, từ đe xuất cấu hình yêu cầu cho hệ thống ứng dụng cảm biến loT vào nuôi trồng thủy sản CHƯƠNG TỐNG QUAN TÀI LIỆU Đe tài khảo sát đưa mơ hình ứng dụng cơng nghệ loT vào thu dừ liệu, quản lý dừ liệu nhiều lĩnh vực áp dụng, sở ứng dụng loT việc thu thập quản lý dừ liệu mơi trường, trước nhóm nghiên cứu hướng đen ứng dụng nông nghiệp;tiếp đến An ninh Khu Công nghiệp;Quản lý giao thông khu Cơng nghiệp; Kiểm sốt lượng chiếu sáng cơng cộng nhiều ứng dụng khác Trên sở thiết bị tảng loT, có the xây dựng hệ thống quản lý cho cụm đối tượng quản lý giao thông, quản lý khu công nghiệp, hệ thống khách sạn, siêu thị, thành phố, cụm sản xuất nơng nghiệp theo mơ hình trang trại có sử dụng công nghệ nội dung, đề tài có nội dung liệt kê trình bày Chương Chương 3, nhóm nghiên cứu tong kết kiến nghị lại số kết đạt đề tài Trong đề tài, có số sơ đo mạch điện cần trình bày, in với kích thước lớn khổ A4 để dễ xem linh kiện bên sơ đồ xem phần mềm máy tính Do đó, nhóm nghiên cứu đề xuất chuyến xuống phần Phụ lục Phụ lục lưu ứng dụng Google Drive Ngồi ra, thư viện mã nguồn, dịng lệnh cấu thành chương trình thiết bị loT dài, chia thành nhiều tập tin nên nhóm đóng gói lại thành thư viện chung gom gọn vào tập tin nén (định dạng *.rar) để dề quản lý theo dõi Các tập tin, sơ đồ, video thực nghiệm chương trình mã nguồn nhóm lưu trừ thư mục đường dẫn bên Đường dẫn Google Drive: https ://dri ve.google, com/dri ve/u/4/foỉders/1 va_ZLm-PA 4XThJO3Hrtv0H5lownPj vz 2.1 MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cúu Đe giám sát đảm bảo ổn định ngưỡng an tồn thơng số môi trường sống hệ động thực vật trạng thái thiết bị nhà máy, nguồn nước thách thức người giá trị cạn kiệt dần nguồn tài nguyên quý giá Ngoài ra, tốc độ thị hóa, cơng nghiệp hóa có tốc độ phát triển nhanh tốc độ ứng dụng thành tựu khoa học kỳ thuật giúp ích cho người, thu hẹp dần diện tích đất nơng nghiệp, nhiễm mơi trường phân bón hóa học, dư lượng thuốc trừ sâu yếu tố gây ô nhiễm môi trường, nguồn nước, dịch bệnh nguy hiểm, dễ lây lan mà người cần kiểm soát hạn chế yếu tố lại Hiện nay, đế đo đạt giám sát thông số người ta thường sử dụng thiết bị cảm biến điện tử, công nghệ truyền thông dừ liệu lưu trừ chúng mạng máy tính, cloud Công nghệ Internet of Things đời từ nhu cầu, thách thức lớn Internet of Things (IoT) mạng lưới thiết bị điện tử cảm biến vật lý kết nối vào mạng Internet loT cơng nghệ cần thiết giảm rủi ro cho to chức người sử dụng chúng Trong chuồi cung ứng sản phẩm, loT sử dụng loại cảm biến để theo dõi điều kiện sống trồng (hình ảnh, nhiệt độ, độ am, pH ), ghi nhật ký kiện vào sở dừ liệu để blockchain xử lý thông sau gửi thơng báo/cảnh báo đến người dùng Các thiết bị loT sử dụng công nghệ không dây để liên lạc, trao đổi thông tin phương thức truyền thông tin loT phân loại giao tiếp máy với máy (Machine to Machine-M2M) đe phân biệt chúng với phương thức truyền thống người truyền thông với Trong nhiều ứng dụng nói chung, hệ thong cảm biến cách sử dụng phương thức khơng dây (ví dụ: nhiệt độ, độ ấm, áp suất, cường độ ánh sáng ) từ giới vật lý từ thực thể giới vật lý, thu thập đe theo dõi sau phân tích thơng số thiết bị truyền Mơ hình loT lớn số lượng kết nối giừa thiết bị lượng thông tin, giới hạn đề tài giải tất vấn đề liên quan đề cập Trong Hình bên cho thấy mơ hình thu nhỏ mạng cảm biến loT thu nhỏ sử dụng kết nối dien hình 10 sử dụng (1-hop) đơn giản kết nối (liên kết màu đỏ) kết nối nhiều nút cảm biến (liên kết chấm đen) từ thiết bị đầu cuối đến thiết bị đầu cuối cổng vào (gateway) Một nhừng nhiệm vụ thiết bị loT đề tài thu thập thông số môi trường WiSmart EC32WXX Linh kiện WiSmart EC32WXX Công ty EEais (Hy Lạp) board WiFi tảng nhúng, cơng suất cực thấp, phù hợp với thiết bị điện tử có có (Hỉnh 3.1.9) Module cấu tạo dựa vi điều khiển STM32F1X và, theo công ty, sử dụng chip WiFi tiêu thụ điện thấp thị trường Hình 2.3.1: WiSmart EC32Wxx [12] Thiết bị vận hành stack TCP / IP nhỏ, với hồ trợ WPA / WPA2, chừa lại Bộ nhớ Flash 115K (EC32W10) / 243K (EC32W11) / 371K (EC32W12) cho người sử dụng API xác định rõ theo module Bộ nhớ flash có sằn MCU với phiên lớn Các tính WISmart EC32W1X bao gồm: - Cung cấp 3.3VDC - Chế độ hoạt động thấp tới mức tiêu thụ 1,1 uA - Mức tiêu thụ điện Rx (mA): (b / g / n) 48/50/51 Mức tiêu thụ lượng Tx(mA): (b/g/n) 237@21dBm/219 @18 dBm/214@17dBm - Tiết kiệm lượng 802.11 11 start Hình 2-40: Lưu đồ mã nguồn loT node kế 2.6.6 Viết chương trình cho loT node dựa lưu đồ giải thuật đề xuất Vui lòng xem phụ lục phần mã nguồn loT node 2.6.7 Chạy thử nghiệm hệ thống hiệu chỉnh 58 Hình 2-41: Anh chụp cửa sổ truyền thông liệu nối tiếp loT Gateway Laptop 2.7 Nội dung 7: Chạy thử nghiệm hệ thống loT gateway để theo dõi tính ổn định theo thời gian (~ 30 ngày, 24h/ngày) 2.7.1 Vẽ xây dựng mơ hình, cấu hình thử nghiệm thiết bị loT Trên Hình 3.3.9a, mơ hình mạng hình thiết lập nhằm thực nghiệm thông so RF trình bày chi tiết Bảng 3.3.2 Hình 2.42: Mơ hình mạng hình dùng đê thử nghiệm thuật tốn mã hóa AES128 (các thiết bị mạng RF dùng chung key) Trong đó, Node B loT Gateway nhận dừ liệu từ node A, c, D qua sóng RF 433MHz theo che hàng đợi Mồi khung dừ liệu kế gồm trường sau: 59 co2: '184 - currTime: '2020-04-23 humid: "50" interval: "1000 isConnected: max: "350 Hình 2.43: Khung data truyền từ nodes, kết hợp thử nghiệm thuật tốn mã hóa AES128 (các thiết bị mạng RF dùng chung key) 2.7.2 Đánh giá độ xác cảm biến 0 192-16&i247/2021-12-091og loĩGaleway-7C0C94 log X I 192168r247/2021-ll-10Jog △ Khồng bảo mảt I 192.168-l.247/Jogs ứng dung M Gmad Bé d You Tube w HOME Muieum lefts CHANNELS EH SETUP Dou Voce EDITOR Ũ Inha LOGS PLC Dớu bang khõc NetCD4 đ * â FILE MANAGER loTGateway-7C0C94 Loa files 37 36 35 35 18"-38' RANGE- 33* 32 31 30 29* H 28T- M ”28 TF 26* 26 25 24 23* 22* _„ _ „• - Temp sensor 2Q. - Temp sensor 32 31' 30' , 326' 27' 26* 25’ 25’ 24' 28* 24’ 23’ 22’ 22' 21' 21’ 20' 20’ 197, I RANGE* 2021-11-29 2021-11-30 2021-12-01 2021-12-02 2021-12-03 2021-12-04 2021-12-05 2021-12-06 2021-12-07 2021-12-08 2021-12-09 Thứ Năm, tháng 12.2021 EN Hình 2.44: Anh chụp giao diện biểu đồ đường giả trị cảm biến nhiệt độ nước (DS18B20) 60 : ED Danh sốch đoc 10:41 PM 12/9/2021 2.7.3 Đánh giả tính ổn định giao thức loT node loT Gateway thiết kế Nhằm thừ nghiệm đánh giá tính on định mã nguồn thiết bị loT thiết kế, nhóm tiến hành cấu hình cho thiết bị hoạt động liên tục khoảng thời gian từ tháng 08/2021 đến tháng 12/ 2021 Mơ thực nghiệm thiết bị minh họa so đồ bên dưới: Hình 2-45: Mơ hình thử nghiệm thiết bị IoT(05 loT node cảm biến đo nhiệt độ nước, 01 loT Gateway) OA Khơng bào mật ứng dựng M Gm 192.168.1.247/tilemanager QU Danh sách đọc cl YouTube HOME CHANNELS SETUP EDITOR LOGS 848 KB free / 1.4 MB total Chon tép Khơng có tệp đưoc chọn 61 FILE MANAGER Hình 2-45a: Chạy thử nghiệm hệ thơng loTgateway đê theo dõi tỉnh ôn định theo thời gian (~ 30 ngày, 24h/ngày, ngày bắt đầu 10/08/2021) £ loTGateway-TCOCM file manager X OA Không bảo mài ưng dung M Gmai 192168.L247,'202i-12-09Jog X 192.16&L247Z2021*ll-l0Jog