Iot trong hệ thống giám sát môi trường

1, Giới thiệu chung về IoT: IoT là gì? IoT là viết tắt của cụm từ Internet of Things, được hiểu là Internet vạn vật. Nó là một hệ thống các thiết bị tính toán, máy móc cơ khí, kỹ thuật số. Và cả con người có liên quan với nhau cùng khả năng truyền dữ liệu qua mạng không yêu cầu sự tương tác giữa người với máy tính.   Ý tưởng về một mạng lưới thiết bị thông minh đã được thảo luận từ những năm 1982. Thông qua một chiếc máy bán ước CocaCola tại trường Đại học Carnegie Mellon được tùy chỉnh đã giúp nó trở thành thiết bị đầu tiên được kết nối Internet. Đồng thời có khả năng báo cáo kiểm kho, độ lạnh của những chai nước khi mới bỏ vào máy. Vào năm 1999, Kevin Ashton đã đưa ra cụm từ Internet of Things nhằm mô tả hệ thống mà ở đó Internet được kết nối với thế giới vật chất thông qua các cảm biến. 2, Cấu trúc của một hệ thống Iot:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: IOT TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Hoài Giang

Sinh viên thực hiện: Tạ Thị Minh Huyền

Lớp : K23A

MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU _3 LỜI CẢM ƠN 4 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ IOT _5

1, Giới thiệu chung về IoT: _5

2, Cấu trúc của một hệ thống Iot: 5

a, Cấu trúc: 5

b, Nguyên lý: 5

c, Ưu điểm và Nhược điểm của IoT: 7

d, Ứng dụng cơ bản của IoT: 8

3, Kết luận chương: _8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

1, Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch giám sát: _9

a, Quy trình làm mạch: _9

b, Một số mạch tiêu biểu: 10

2, Cơ sở lý thuyết về truyền dữ liệu: _12

a, Nguyên lý truyền dữ liệu: _12

b, Các giao thức thường dùng trong IoT: 15

3, Kết luận chương: 19

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT VÀ THIẾT KẾ SƠ BỘ _20

1, Khảo sát các sản phẩm mạch giám sát thông số môi trường: 20

2, Thiết kế sản phẩm giám sát môi trường: 21

3, Kết luận chương: 25

KẾT LUẬN _26

LỜI GIỚI THIỆU

Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng

ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Và một cụm từ lạ đãxuất hiện trên mạng, đó là“Internet of Things” Đây là một khái niệm còn khá mới

mẻ với hầu hết người dùng thông thường mặc dù nó đã được ra đời cách đây khálâu Nói ngắn gọi, nó là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, vớiInternet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó Nhận thấyđược sự phát triển của IoT trong tương lai, em đã lựa chọn đề tài về IoT Nội dungcủa báo cáo này là tìm hiểu chung về IoT và ứng dụng của IoT trong các hệ thốnggiám sát và hệ thống giám sát môi trường, bài cáo cáo gồm 3 chương:

Chương 1: Giới thiệu chung về IoT.Trong chương này các vấn đề tổng quát về môhình của các hệ thống Interet vạn vật chung về IoT được giới thiệu, cùng với cácứng dụng điển hình được ứng dụng trong thực tế

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của các hệ thống IoT, giới thiệu về kiến trúc mạng, cáchthức hoạt động của mạng, mô tả các nguyên lý truyền dữ liệu và các giao thức.Chương 3: Khảo sát và thiết kế sơ bộ, các sản phẩm mạch giám sát thông số ở môitrường, cũng như chức năng của các sản phẩm và quá trình thiết kế ra một sảnphẩm thực tế

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:

Các thầy cô của Trường Đại Học Mở Hà Nội nói chung và các thầy cô trong khoaĐiện – Điện Tử nói riêng, những người đã giảng dạy và truyền đạt cho em nhữngkiến thức bổ ích suốt 4 năm học vừa qua

Em xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy giáo đã trực tiếp giảng dạy vàhướng dẫn em tận tình, chu đáo, cho em những định hướng và kiến thức quý báu.Thầy giáo cũng đã giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành đồ ántốt nghiệp này,

Cuối cùng, em kính chúc quý thầy cô dồi dào sức khỏe và thành công trong sựnghiệp cao quý , đạt được nhiều thành tựu lớn trong sự nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ IOT

1, Giới thiệu chung về IoT:

- IoT là gì? IoT là viết tắt của cụm từ Internet of Things, được hiểu là Internet vạnvật Nó là một hệ thống các thiết bị tính toán, máy móc cơ khí, kỹ thuật số Và cảcon người có liên quan với nhau cùng khả năng truyền dữ liệu qua mạng khôngyêu cầu sự tương tác giữa người với máy tính

- Ý tưởng về một mạng lưới thiết bị thông minh đã được thảo luận từ những năm

1982 Thông qua một chiếc máy bán ước Coca-Cola tại trường Đại học CarnegieMellon được tùy chỉnh đã giúp nó trở thành thiết bị đầu tiên được kết nối Internet.Đồng thời có khả năng báo cáo kiểm kho, độ lạnh của những chai nước khi mới bỏvào máy

- Vào năm 1999, Kevin Ashton đã đưa ra cụm từ Internet of Things nhằm mô tả hệthống mà ở đó Internet được kết nối với thế giới vật chất thông qua các cảm biến

2, Cấu trúc của một hệ thống Iot:

a, Cấu trúc:

- Hệ thống IoT bao gồm 4 thành phần chính Vậy 4 thành phần chính của hệ thống

IoT là gì? Đó là thiết bị (gọi tiếng anh: Things), trạm kết nối (gọi tiếng anh:Gateways), hạ tầng mạng (gọi tiếng anh: Network and Cloud), bộ phân tích và xử

lý dữ liệu (gọi tiếng anh: Services-creation and Solution Layers)

- Cảm biến sẽ thực hiện nhiệm vụ cảm nhận các tín hiệu từ môi trường, cụ thể như

áp suất, nhiệt độ, ánh sáng… Sau đó, chúng sẽ được chuyển thành dạng dữ liệu ởtrong môi trường Internet Tiếp đó, các tín hiệu sẽ được xử lý, đưa ra các thay đổitùy vào ý muốn của người tiêu dùng Hiện nay, IoT được ứng dụng phổ biến thôngqua các ứng dụng điện thoại, trên máy tính…

b, Nguyên lý:

- Thông thường hệ thống IoT hoạt động thông qua việc thu thập, trao đổi dữ liệudựa trên thời gian thực Theo đó, một hệ thống IoT hoàn chỉnh sẽ bao gồm 3 thànhphần như sau:

Thiết bị thông minh:

- Nó được xem là một thiết bị, tương tự như tivi, camera an ninh, các thiết bị tập thể dục được trao đổi khả năng điện toán Thiết bị thông minh thực hiện nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh, thao tác nhập dữ liệu hoặc mô thức sử dụng và truyền tương tự như nhận dữ liệu qua Internet từ ứng dụng IoT của nó

Ứng dụng IoT:

- Đây là một tập hợp các dịch vụ, phần mềm thực hiện chức năng tích hợp dữ liệunhận được từ các thiết bị IoT khác nhau Nó sử dụng công nghệ máy học, trí tuệnhân tạo để phân tích dữ liệu, qua đó đưa ra các quyết định Và những quyết địnhnày sẽ được truyền trở lại thiết bị IoT, sau đó thiết bị sẽ phản hồi lại dữ liệu đầuvào một cách thông minh

Giao diện người dùng:

- Một hoặc một nhóm các thiết bị IoT sẽ được quản lý thông qua giao diện đồ họa

người dùng Chẳng hạn đó là một ứng dụng di động, trang web có thể sử dụng đểđăng ký cũng như kiểm soát các thiết bị thông minh

c, Ưu điểm và Nhược điểm của IoT:

- Ưu điểm:

 Truy cập thông tin ở mọi lúc, mọi nơi trên mọi thiết bị

 Cải thiện giao tiếp giữa các thiết bị điện tử khi chúng được kết nối

 Chuyển dữ liệu qua mạng Internet tiết kiệm thời gian và tiền bạc

 Tự động hóa các nhiệm vụ qua đó cải thiện chất lượng dịch vụ doanh

d, Ứng dụng cơ bản của IoT:

Xe hơi thông minh:

Ngày nay, ô tô thông minh được sử dụng phổ biến trong cuộc sống với mục đích:

 Giám sát đội xe cho thuê nhằm tăng cường hiệu quả sử dụng nhiên liệu, đồng thời giảm chi phí

 Giúp các bậc phụ huynh có thể dễ dàng theo dõi hành vi lái xe của con cái

 Tự động thông báo cho người thân trong trường hợp xảy ra tai nạn xe

 Dự đoán cũng như hạn chế nhu cầu bảo dưỡng xe

Thành phố thông minh:

 Đo lường mức độ bức xạ và chất lượng không khí

 Giảm chi phí năng lượng thông qua hệ thống chiếu sáng thông minh

 Xác định thời điểm cần bảo trì cơ sở hạ tầng như đường xá, cầu cống và đường ống…

 Gia tăng lợi nhuận nhờ công tác quản lý bãi đỗ xe hiệu quả

- Ngoài ra, còn rất nhiều ứng dụng của các hệ thống IoT đặc biệt là các hệ thống giám sát cũng như là hệ thống giám sát môi trường mà em sẽ đề cập ở phần sau

 IoT giúp các doanh nghiệp có cái nhìn tổng quát hơn về thời gian mà hệ thống của họ sẽ hoạt động Đồng thời cung cấp thông tin chi tiết về mọi mặt

từ hiệu suất, máy móc cho đến các chuỗi cung ứng và hoạt động hậu cần

 IoT giúp tự động hóa các quy trình cho doanh nghiệp nhờ vậy giúp giảm chi phí lao động Giảm chất thải, cải thiện dịch vụ, giúp hoạt động sản xuất và giao hàng ít tốn kém hơn Đặc biệt, mang lại sự minh bạch, rõ ràng trong cácgiao dịch với khách hàng

- Nhìn chung, IoT là công nghệ cực kỳ quan trọng trong cuộc sống ngày nay Chắc chắn trong tương lai nó sẽ ngày một phát triển mạnh mẽ hơn, giúp tối ưu và cải thiện chất lượng cuộc sống cũng như hoạt động sản xuất kinh doanh của con

người

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1, Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch giám sát:

a, Quy trình làm mạch:

- Để thiết kế một ứng dụng về IoT, ta phải sử dụng các cảm biến để đo các thông

số của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, nồng độ khí gas, cảm biếnchuyển động từ đó lấy tín hiệu điều khiển quạt, điều hòa, thiết bị chiếu sáng hoặcbất kỳ một cơ cấu chấp hành nào khác Mô hình bao gồm cảm biến nhiệt độ, độ

ẩm, nồng độ khí gas, cảm biến chuyển động, cảm biến ánh sáng, các bộ vi xử lý,các module truyền nhận tín hiệu không dây như NodeMCU ESP8266 để điều khiểnthiết bị trong nhà, giám sát các thông số của cảm biến cũng như trạng thái của thiết

bị thông qua các thiết bị ngoại vi như điện thoại và máy tính mà trực tiếp là quaWeb Sever hoặc Ứng dụng được cài vào các thiết bị di động

b, Một số mạch tiêu biểu:

- Iot trong hệ thống giám sát kho hàng thông mình:

- IoT trong hệ thống giám sát các thiết bị công nghiệp:

2, Cơ sở lý thuyết về truyền dữ liệu:

a, Nguyên lý truyền dữ liệu:

IoT Platform được chia thành những thành phần chính như sau:

 Kết nối (Connectivity): Cung cấp các công nghệ kết nối để thực hiện nhiệm

vụ kết nối các thiết bị IoT với hệ thống IoT Platform

 Quản lý thiết bị (Device Management): Cung cấp công cụ để quản lý các thiết bị IoT, bao gồm đăng ký, giám sát, cập nhật và xóa các thiết bị IoT

 Quản lý dữ liệu (Data Management): Cung cấp công cụ để thực hiện chức năng xử lý và lưu trữ dữ liệu IoT, bao gồm các công nghệ lưu trữ, truy xuất

và phân tích dữ liệu

Giải pháp (Solution): Cung cấp các giải pháp IoT, bao gồm các công nghệ và ứng dụng như theo dõi và quản lý hàng hóa, giám sát sức khỏe, theo dõi vị trí, tự động hóa, điều khiển thiết bị và các ứng dụng khác

Các thành phần cơ bản của một IoT Platform

Một IoT Platform bao gồm các thành phần cơ bản như sau:

Thiết bị IoT (IoT Devices)

Thiết bị IoT là các thiết bị được sử dụng để thu thập dữ liệu từ môi trường vật lý Chúng có khả năng kết nối và truyền dữ liệu qua mạng để gửi đến IoT Platform Các thiết bị này có thể là cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, thiết bị đo lường, thiết bị điều khiển hoặc bất kỳ loại thiết bị nào có khả năng kết nối và thu thập dữ liệu Thiết bị IoT có vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu và truyền đến Gateway hoặc trực tiếp đến IoT Platform

Gateway

Gateway là thiết bị trung gian giữa các thiết bị IoT và IoT Platform Nhiệm vụ của Gateway là thu thập dữ liệu từ các thiết bị IoT và truyền chúng đến IoT Platform thông qua mạng Gateway có thể chuyển đổi giao thức truyền thông, xử lý dữ liệu tạm thời, lọc và kiểm tra tính hợp lệ của dữ liệu trước khi gửi đến IoT Platform Gateway đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa giao tiếp giữa thiết bị IoT

và IoT Platform

Cloud Computing

Cloud Computing là một thành phần quan trọng trong IoT Platform Nó cung cấp

cơ sở hạ tầng đám mây để lưu trữ và xử lý dữ liệu từ các thiết bị IoT Cloud

Computing cung cấp khả năng mở rộng linh hoạt để đáp ứng với lưu lượng dữ liệu ngày càng tăng của IoT Nó cũng cung cấp khả năng tính toán mạnh mẽ để xử lý

dữ liệu, triển khai các mô hình trí tuệ nhân tạo và phân tích dữ liệu Cơ sở hạ tầng đám mây đảm bảo tính sẵn sàng, tin cậy và bảo mật cho IoT Platform

IoT Platform Services

IoT cung cấp các dịch vụ để quản lý và vận hành hệ thống IoT Các hệ thống này bao gồm quản lý thiết bị, quản lý dữ liệu, giải pháp IoT

IoT Platform hoạt động theo quy trình như sau:

 Thu thập dữ liệu: Thiết bị IoT được triển khai trong môi trường vật lý để thuthập dữ liệu từ các cảm biến hoặc các thiết bị đo Dữ liệu này có thể bao gồm các thông tin liên quan đến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, vị trí, hoạt động của thiết bị

 Truyền dữ liệu: Dữ liệu được gửi từ thiết bị IoT đến IoT Platform thông qua mạng kết nối, chẳng hạn như mạng di động, Wifi Để truyền dữ liệu, IoT Platform sử dụng các giao thức truyền thông như MQTT, CoAP hoặc HTTP.Các thiết bị IoT có thể gửi dữ liệu trực tiếp đến IoT Platform hoặc thông quamột Gateway trung gian

 Lưu trữ và xử lý dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ thiết bị IoT được lưu trữ trong

cơ sở dữ liệu của IoT Platform Cơ sở dữ liệu có thể là cơ sở dữ liệu quan hệ(SQL) hoặc cơ sở dữ liệu phi quan hệ (NoSQL), tùy thuộc vào yêu cầu và tính chất của dữ liệu IoT Platform cũng cung cấp khả năng xử lý dữ liệu để trích xuất thông tin hữu ích, thực hiện phân tích dữ liệu, áp dụng các thuật toán học máy và tạo ra thông báo hoặc cảnh báo

 Quản lý và điều khiển thiết bị: IoT Platform cung cấp dịch vụ quản lý thiết

bị để đăng ký, theo dõi và điều khiển các thiết bị IoT trong hệ thống Người dùng có thể quản lý thiết bị từ xa, cập nhật Firmware, kiểm tra trạng thái và thực hiện các thao tác điều khiển thông qua giao diện người dùng hoặc các giao thức quản lý thiết bị như MQTT hoặc CoAP

 Bảo mật vào quản lý truy cập: IoT Platform đảm bảo tính bảo mật của hệ thống IoT bằng cách áp dụng các biện pháp bảo mật như xác thực và ủy quyền người dùng, mã hóa dữ liệu, xác nhận danh tính thiết bị, và giám sát hoạt động bất thường Nó cũng cung cấp quản lý truy cập để quản lý quyền truy cập vào các thiết bị và dữ liệu IoT, đảm bảo rằng chỉ có người dùng có quyền được truy cập và kiểm soát dữ liệu

b, Các giao thức thường dùng trong IoT:

- Để tối ưu hóa được mô hình Internet of Things - IoT, các thiết bị phải giao tiếpvới nhau bằng các "giao thức" - protocol mà đáp ứng được 2 tiêu chí:

 Năng lượng tiêu thụ thấp: Đây có thể hiểu là nói về mặt vật lý, cách thức đểtruyền dữ liệu ví dụ hai thiết bị truyền thông qua chuẩn Zigbee, LoRa,LoRaWAN

 Dung lượng bản tin nhẹ để không làm tiêu tốn quá nhiều tài nguyên củaCPU Hiểu nôm na, sau khi có đường truyền kết nối vật lý ở trên, bạn sẽ cầnmột phương thức "nói chuyện" giữa các thiết bị để nói ít đi mà vẫn hiểuđúng, hiểu đủ

- Có 5 giao thức truyền tải dữ liệu phổ biến có thể được sử dụng trong các mô hình Internet of Things:

 MQTT (Message Queue Telemetry Transport)

 CoAP (Constrained Applications Protocol)

 AMQP (Advanced Message Queue Protocol)

 XMPP (Extensible Messaging và Presence Protocol)

 DDS (Data Distribution Service)

MQTT (Message Queue Telemetry Transport)

- MQTT là một giao thức mã nguồn mở để truyền các messages giữa nhiềuClient (Publisher và Subscriber) thông qua một Broker trung gian, được thiết

kế để đơn giản và dễ dàng triễn khai Kiến trúc MQTT dựa trên Broker trunggian và sử dụng kết nối TCP long-lived từ các Client đến Broker

- MQTT hỗ trợ tổ chức hệ thống theo các Topics có tính phân cấp, như một

hệ thống tập tin (vd: /Home/kitchen/humidity), cung cấp nhiều lựa chọn điềukhiển và QoS (Quality of Service)

- MQTT là một giao thức khá nhẹ nên có thể được sử dụng cho truyền thông

2 chiều thông qua các mạng có độ trễ cao và độ tin cậy thấp, nó cũng tươngthích với các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp

CoAP (Constrained Applications Protocol)

- CoAP là một giao thức truyền tải tài liệu theo mô hình client/server dự trêninternet tương tự như giao thức HTTP nhưng được thiết kế cho các thiết bịràng buộc Giao thức này hỗ trợ một giao thức one-to-one để chuyển đổitrạng thái thông tin giữa client và server