Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị IoT Clound ứng dụng giám sát các chỉ tiêu trong nước.pdf

NTTU-NCKH-05 f 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 ĐỀ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN 2021 - 2022 Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị IoT Cloud ứng dụng giám sát tiêu nước Số hợp đồng: 2021.04.010/HĐ-KHCN Chủ 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 Chí Minh, ngày tháng năm 2021 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 ĐỀ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN 2021- 2022 Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị IoT Cloud ứng dụng giám sát tiêu nước Số hợp đồng:: 2021.04.010 /HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: Lê Trường Giang Đơn vị công tác: Viện Khoa Học Xã Hội Liên Ngành Thời gian thực hiện: 2021 - 2022 Các thành viên phối hợp cộng tác: STT Họ tên Lê Trường Giang Chuyên ngành Kỹ thuật điện tử Đoàn Phúc Thịnh Cơ điện tử Cơ quan công tác Viện Khoa Học Xã Hội Liên Ngành Viện Khoa Học Xã Hội Liên Ngành Ký tên MỤC LỤC MỞ ĐẦU Mục tiêu tổng quan đề tài nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU CHƯƠNG NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 10 2.1 Nội dung 1: Tìm hiểu tổng quan, khảo sát tình hình triển khai ứng dụng IoT giới Việt Nam 19 2.2 Nội dung 2: Nghiên cứu thiết kế chế tạo phần cứng thiết bị IoT 2.2.1 Nghiên cứu giao thức kết nối IoT 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 IoT, sử dụng cho hệ thống nhúng mạng cảm biến không dây 33 2.2.3 Nghiên cứu Nghiên cứu lựa chọn truyền nhận liệu không dây cơng 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 IoT gateway 37 2.2.5 Thực thiết kế mạch nguyên lý cho thiết bị Cloud IoT gateway: tính tốn nguồn cung cấp, tính tốn cơng suất phát cho module, tính toán giá trị linh kiện liên quan hệ thống 38 2.2.6 Vẽ mạch nguyên lý cho hệ thống IoT gateway 40 2.3 Nội dung 3: Thiết kế PCB cho thiết bị Cloud IoT gateway 40 2.3.1 Thực thiết kế mạch nguyên lý cho thiết bị Cloud IoT 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 IoT gateway 42 2.3.4 Lắp ráp thử nghiệm thông số board mạch IoT gateway 44 2.4 Nội dung 4: Nghiên cứu giải thuật bảo mật hệ thống IoT 45 2.4.1 Nghiên cứu giải thuật bảo mật liệu cho gateway 45 2.4.2 Nghiên cứu giải thuật bảo mật firmware thiết bị IoT 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 IoT Gateway 48 2.5.1 Nghiên cứu áp dụng thuật toán bảo mật đề xuất 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 51 2.5.4 Xây dựng mã nguồn giải thuật bảo mật phần mềm mã nguồn mở hệ thống 52 2.5.5 Xây dựng mã nguồn cho Cloud IoT gateway: quản lý hệ thống, thu thập liệu, giao tiếp Cloud/Server 55 2.5.6 Kết 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 IoT node đa 57 2.6.1 Nghiên cứu thông số cho thiết kế IoT node 57 2.6.2 Tính tốn thiết kế thành phần chi tiết IoT node 58 2.6.3 Vẽ mạch nguyên lý cho hệ thống IoT node 59 2.6.4 Vẽ mạch PCB cho IoT node, lắp ráp thành phần linh kiện, kiểm tra tính 59 2.6.5 Xây dựng giải thuật firmware cho IoT node 59 2.6.6 Viết chương trình cho IoT 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 IoT gateway để theo dõi tính ổn định theo thời gian (~ 30 ngày, 24h/ngày) 60 2.7.1 Vẽ xây dựng mơ hình, cấu hình thử nghiệm thiết bị IoT 60 2.7.2 Đánh giá độ xác cảm biến 61 2.7.3 Đánh giá tính ổn định giao thức IoT node IoT Gateway thiết kế 62 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC 66 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 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 IoT: 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 BIỂU Bảng 1-Chi tiết kích thước ăng-ten 433Mhz theo khuyến cáo Hope RF[9] Sparkfun[10] 32 Bảng 2: Chi tiết cấu trúc liệu truyền/nhận RFM69 IoT node IoT Gateway 36 Bảng Thông tin cấu trúc phần cứng mạch PCB IoT Gateway 41 Bảng Mô tả sản phẩm đăng ký 68 Bảng Mô tả sản phẩm đạt từ kết 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 ngữ 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 ngữ thức CHLB Đức Hiện nay, thuật ngữ trở thành cụm từ nói đến 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 IoT (Internet of Things); Điện toán 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 tổng quan, tập trung vào khảo sát, phân tích, đánh giá hệ thống IoT, từ đề xuất cấu hình u cầu cho hệ thống ứng dụng cảm biến IoT vào nuôi trồng thủy sản CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU Đề tài khảo sát đưa mô hình ứng dụng cơng nghệ IoT vào thu liệu, quản lý liệu nhiều lĩnh vực áp dụng, sở ứng dụng IoT việc thu thập quản lý liệu môi trường, trước nhóm nghiên cứu hướng đến ứng dụng nông nghiệp;tiếp đến An ninh Khu Công nghiệp;Quản lý giao thông khu Công nghiệp; Kiểm sốt lượng chiếu sáng cơng cộng nhiều ứng dụng khác Trên sở thiết bị tảng IoT, 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 nông nghiệp theo mơ hình trang trại có sử dụng cơng nghệ Về nội dung, đề tài có nội dung liệt kê trình bày Chương Ở Chương 3, nhóm nghiên cứu tổng kết kiến nghị lại số kết đạt đề tài Trong đề tài, có số sơ đồ 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 chuyển xuống phần Phụ lục Phụ lục lưu ứng dụng Google Drive Ngoài ra, thư viện mã nguồn, dòng lệnh cấu thành chương trình thiết bị IoT 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 dễ quản lý theo dõi Các tập tin, sơ đồ, video thực nghiệm chương trình mã nguồn nhóm lưu trữ thư mục đường dẫn bên Đường dẫn Google Drive: https://drive.google.com/drive/u/4/folders/1va_ZLm-PA4XThJO3Hrtv0lI5lownPjVZ 2.1 MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để 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 kỹ 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, để đo đạt giám sát thông số người ta thường sử dụng thiết bị cảm biến điện tử, công nghệ truyền thông liệu lưu trữ 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 IoT cơng nghệ cần thiết giảm rủi ro cho tổ chức người sử dụng chúng Trong chuỗi cung ứng sản phẩm, IoT sử dụng loại cảm biến để theo dõi điều kiện sống trồng (hình ảnh, nhiệt độ, độ ẩm, pH…), ghi nhật ký kiện vào sở liệu để blockchain xử lý thông sau gửi thơng báo/cảnh báo đến người dùng Các thiết bị IoT sử dụng công nghệ không dây để liên lạc, trao đổi thông tin Về phương thức truyền thông tin IoT phân loại giao tiếp máy với máy (Machine to Machine-M2M) để phân biệt chúng với phương thức truyền thống người truyền thông với Trong nhiều ứng dụng nói chung, hệ thống cảm biến cách sử dụng phương thức khơng dây (ví dụ: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, cường độ ánh sáng ) từ giới vật lý từ thực thể giới vật lý, thu thập để theo dõi sau phân tích thơng số thiết bị truyền Mơ hình IoT lớn số lượng kết nối 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 IoT thu nhỏ sử dụng kết nối điển hình 10 ... khai ứng dụng IoT giới Việt Nam 19 2.2 Nội dung 2: Nghiên cứu thiết kế chế tạo phần cứng thiết bị IoT 2.2.1 Nghiên cứu giao thức kết nối IoT không dây WiFi, Zigbee Lora 29 2.2.2 Nghiên. .. Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN 2021- 2022 Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị IoT Cloud ứng dụng giám sát tiêu nước Số hợp đồng:: 2021.04.010... khảo sát đưa mơ hình ứng dụng công nghệ IoT vào thu liệu, quản lý liệu nhiều lĩnh vực áp dụng, sở ứng dụng IoT việc thu thập quản lý liệu môi trường, trước nhóm nghiên cứu hướng đến ứng dụng