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 MSV: 20A12010052 Lớp : K23A Trường Đại học Mở Hà Nội MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU _3 LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ IOT _5 1, Giới thiệu chung IoT: _5 2, Cấu trúc hệ thống Iot: a, Cấu trúc: b, Nguyên lý: c, Ưu điểm Nhược điểm IoT: d, Ứng dụng IoT: 3, Kết luận chương: _8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1, Cơ sở lý thuyết thiết kế mạch giám sát: _9 a, Quy trình làm mạch: _9 b, Một số mạch tiêu biểu: 10 2, Cơ sở lý thuyết truyền liệu: _12 a, Nguyên lý truyền liệu: _12 b, Các giao thức thường dùng IoT: 15 3, Kết luận chương: 19 CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT VÀ THIẾT KẾ SƠ BỘ _20 1, Khảo sát 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 Trường Đại học Mở Hà Nội LỜI GIỚI THIỆU Ngày nay, với ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến, giới ngày thay đổi, văn minh đại Và cụm từ lạ xuất mạng, là“Internet of Things” Đây khái niệm mẻ với hầu hết người dùng thông thường đời cách lâu Nói ngắn gọi, tập hợp thiết bị có khả kết nối với nhau, với Internet với giới bên để thực cơng việc Nhận thấy phát triển IoT tương lai, em lựa chọn đề tài IoT Nội dung báo cáo tìm hiểu chung IoT ứng dụng IoT hệ thống giám sát hệ thống giám sát môi trường, cáo cáo gồm chương: Chương 1: Giới thiệu chung IoT.Trong chương vấn đề tổng qt mơ hình hệ thống Interet vạn vật chung IoT giới thiệu, với ứng dụng điển hình ứng dụng thực tế Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống IoT, giới thiệu kiến trúc mạng, cách thức hoạt động mạng, mô tả nguyên lý truyền liệu giao thức Chương 3: Khảo sát thiết kế sơ bộ, sản phẩm mạch giám sát thông số môi trường, chức sản phẩm trình thiết kế sản phẩm thực tế Trường Đại học Mở Hà Nội LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: Các thầy cô Trường Đại Học Mở Hà Nội nói chung thầy khoa Điện – Điện Tử nói riêng, người giảng dạy truyền đạt cho em kiến thức bổ ích suốt năm học vừa qua Em xin tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo trực tiếp giảng dạy hướng dẫn em tận tình, chu đáo, cho em định hướng kiến thức quý báu Thầy giáo giúp đỡ em suốt q trình thực hồn thành đồ án tốt nghiệp này, Cuối cùng, em kính chúc quý thầy cô dồi sức khỏe thành công nghiệp cao quý , đạt nhiều thành tựu lớn nghiệp Em xin chân thành cảm ơn! Trường Đại học Mở Hà Nội CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ IOT 1, Giới thiệu chung IoT: - IoT gì? IoT viết tắt cụm từ Internet of Things, hiểu Internet vạn vật Nó hệ thống thiết bị tính tốn, máy móc khí, kỹ thuật số Và người có liên quan với khả truyền liệu qua mạng không yêu cầu tương tác người với máy tính - Ý tưởng mạng lưới thiết bị thông minh thảo luận từ năm 1982 Thông qua máy bán ước Coca-Cola trường Đại học Carnegie Mellon tùy chỉnh giúp trở thành thiết bị kết nối Internet Đồng thời có khả báo cáo kiểm kho, độ lạnh chai nước bỏ vào máy - Vào năm 1999, Kevin Ashton đưa cụm từ Internet of Things nhằm mô tả hệ thống mà Internet kết nối với giới vật chất thông qua cảm biến 2, Cấu trúc hệ thống Iot: a, Cấu trúc: - Hệ thống IoT bao gồm thành phần Vậy thành phần hệ thống IoT gì? Đó thiết bị (gọi tiếng anh: Things), trạm kết nối (gọi tiếng anh: Gateways), hạ tầng mạng (gọi tiếng anh: Network and Cloud), phân tích xử lý liệu (gọi tiếng anh: Services-creation and Solution Layers) - Cảm biến thực nhiệm vụ cảm nhận tín hiệu từ môi trường, cụ thể áp suất, nhiệt độ, ánh sáng… Sau đó, chúng chuyển thành dạng liệu mơi trường Internet Tiếp đó, tín hiệu xử lý, đưa thay đổi tùy vào ý muốn người tiêu dùng Hiện nay, IoT ứng dụng phổ biến thông qua ứng dụng điện thoại, máy tính… b, Nguyên lý: - Thông thường hệ thống IoT hoạt động thông qua việc thu thập, trao đổi liệu dựa thời gian thực Theo đó, hệ thống IoT hồn chỉnh bao gồm thành phần sau: Trường Đại học Mở Hà Nội Thiết bị thông minh: - Nó xem thiết bị, tương tự tivi, camera an ninh, thiết bị tập thể dục trao đổi khả điện tốn Thiết bị thơng minh thực nhiệm vụ thu thập liệu từ môi trường xung quanh, thao tác nhập liệu mô thức sử dụng truyền tương tự nhận liệu qua Internet từ ứng dụng IoT Ứng dụng IoT: - Đây tập hợp dịch vụ, phần mềm thực chức tích hợp liệu nhận từ thiết bị IoT khác Nó sử dụng cơng nghệ máy học, trí tuệ nhân tạo để phân tích liệu, qua đưa định Và định truyền trở lại thiết bị IoT, sau thiết bị phản hồi lại liệu đầu vào cách thông minh Giao diện người dùng: - Một nhóm thiết bị IoT quản lý thông qua giao diện đồ họa người dùng Chẳng hạn ứng dụng di động, trang web sử dụng để đăng ký kiểm soát thiết bị thông minh Trường Đại học Mở Hà Nội c, Ưu điểm Nhược điểm IoT: - Ưu điểm:  Truy cập thông tin lúc, nơi thiết bị  Cải thiện giao tiếp thiết bị điện tử chúng kết nối  Chuyển liệu qua mạng Internet tiết kiệm thời gian tiền bạc  Tự động hóa nhiệm vụ qua cải thiện chất lượng dịch vụ doanh nghiệp - Nhược điểm:  Khi thiết bị kết nối với nhau, thông tin chia sẻ thiết bị có nguy bị hacker đánh cắp cao  Doanh nghiệp phải đối mặt với việc số lượng thiết bị IoT nhiều, việc thu thập quản lý liệu trở thành thách thức lớn  Hiện tại, khơng có tiêu chuẩn quốc tế khả tương thích cho IoT, nên khó thiết bị từ nhiều nhà sản xuất giao tiếp với Trường Đại học Mở Hà Nội d, Ứng dụng IoT: Xe thông minh: Ngày nay, ô tô thông minh sử dụng phổ biến sống với mục đích:  Giám sát đội xe cho thuê nhằm tăng cường hiệu sử dụng nhiên liệu, đồng thời giảm chi phí  Giúp bậc phụ huynh dễ dàng theo dõi hành vi lái xe  Tự động thông báo cho người thân trường hợp xảy tai nạn xe  Dự đoán hạn chế nhu cầu bảo dưỡng xe Thành phố thông minh:  Đo lường mức độ xạ chất lượng khơng khí  Giảm chi phí lượng thông qua hệ thống chiếu sáng thông minh  Xác định thời điểm cần bảo trì sở hạ tầng đường xá, cầu cống đường ống…  Gia tăng lợi nhuận nhờ công tác quản lý bãi đỗ xe hiệu - Ngồi ra, cịn nhiều ứng dụng hệ thống IoT đặc biệt hệ thống giám sát hệ thống giám sát môi trường mà em đề cập phần sau 3, Kết luận chương: - Khơng phủ nhận tầm quan trọng hệ thống IoT sống  IoT giúp sống người trở nên thông minh, tiện lợi Con người kiểm sốt thời gian cách tối ưu theo mong muốn  IoT giúp doanh nghiệp có nhìn tổng qt thời gian mà hệ thống họ hoạt động Đồng thời cung cấp thông tin chi tiết mặt từ hiệu suất, máy móc chuỗi cung ứng hoạt động hậu cần  IoT giúp tự động hóa quy trình cho doanh nghiệp nhờ giúp giảm chi phí lao động Giảm chất thải, cải thiện dịch vụ, giúp hoạt động sản xuất giao hàng tốn Đặc biệt, mang lại minh bạch, rõ ràng giao dịch với khách hàng Trường Đại học Mở Hà Nội - Nhìn chung, IoT cơng nghệ quan trọng sống ngày Chắc chắn tương lai ngày phát triển mạnh mẽ hơn, giúp tối ưu cải thiện chất lượng sống hoạt động sản xuất kinh doanh người CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1, Cơ sở lý thuyết thiết kế mạch giám sát: a, Quy trình làm mạch: - Để thiết kế ứng dụng IoT, ta phải sử dụng cảm biến để đo thông số môi trường nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, nồng độ khí gas, cảm biến chuyển động từ lấy tín hiệu điều khiển quạt, điều hòa, thiết bị chiếu sáng cấu chấp hành khác Mơ hình bao gồm cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí gas, cảm biến chuyển động, cảm biến ánh sáng, vi xử lý, module truyền nhận tín hiệu khơng dây NodeMCU ESP8266 để điều khiển thiết bị nhà, giám sát thông số cảm biến trạng thái thiết bị thông qua thiết bị ngoại vi điện thoại máy tính mà trực tiếp qua Web Sever Ứng dụng cài vào thiết bị di động Trường Đại học Mở Hà Nội b, Một số mạch tiêu biểu: - Iot hệ thống giám sát kho hàng thơng mình: Trường Đại học Mở Hà Nội 2, Cơ sở lý thuyết truyền liệu: a, Nguyên lý truyền liệu: IoT Platform chia thành thành phần sau:  Kết nối (Connectivity): Cung cấp công nghệ kết nối để thực nhiệm vụ kết nối thiết bị IoT với hệ thống IoT Platform  Quản lý thiết bị (Device Management): Cung cấp công cụ để quản lý thiết bị IoT, bao gồm đăng ký, giám sát, cập nhật xóa thiết bị IoT  Quản lý liệu (Data Management): Cung cấp công cụ để thực chức xử lý lưu trữ liệu IoT, bao gồm công nghệ lưu trữ, truy xuất phân tích liệu Trường Đại học Mở Hà Nội Giải pháp (Solution): Cung cấp giải pháp IoT, bao gồm công nghệ ứng dụng theo dõi quản lý hàng hóa, giám sát sức khỏe, theo dõi vị trí, tự động hóa, điều khiển thiết bị ứng dụng khác Các thành phần IoT Platform Một IoT Platform bao gồm thành phần sau: Thiết bị IoT (IoT Devices) Thiết bị IoT thiết bị sử dụng để thu thập liệu từ mơi trường vật lý Chúng có khả kết nối truyền liệu qua mạng để gửi đến IoT Platform Các thiết bị cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, thiết bị đo lường, thiết bị điều khiển loại thiết bị có khả kết nối thu thập liệu Thiết bị IoT có vai trị quan trọng việc thu thập liệu truyền đến Gateway trực tiếp đến IoT Platform Gateway Gateway thiết bị trung gian thiết bị IoT IoT Platform Nhiệm vụ Gateway thu thập liệu từ thiết bị IoT truyền chúng đến IoT Platform thơng qua mạng Gateway chuyển đổi giao thức truyền thông, xử lý liệu tạm thời, lọc kiểm tra tính hợp lệ liệu trước gửi đến IoT Platform Gateway đóng vai trị quan trọng việc tối ưu hóa giao tiếp thiết bị IoT IoT Platform Cloud Computing Cloud Computing thành phần quan trọng IoT Platform Nó cung cấp sở hạ tầng đám mây để lưu trữ xử lý liệu từ thiết bị IoT Cloud Computing cung cấp khả mở rộng linh hoạt để đáp ứng với lưu lượng liệu ngày tăng IoT Nó cung cấp khả tính tốn mạnh mẽ để xử lý liệu, triển khai mơ hình trí tuệ nhân tạo phân tích liệu Cơ sở hạ tầng đám mây đảm bảo tính sẵn sàng, tin cậy bảo mật cho IoT Platform IoT Platform Services IoT cung cấp dịch vụ để quản lý vận hành hệ thống IoT Các hệ thống bao gồm quản lý thiết bị, quản lý liệu, giải pháp IoT Trường Đại học Mở Hà Nội IoT Platform hoạt động theo quy trình sau:  Thu thập liệu: Thiết bị IoT triển khai môi trường vật lý để thu thập liệu từ cảm biến thiết bị đo Dữ liệu bao gồm thông tin liên quan đến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, vị trí, hoạt động thiết bị  Truyền liệu: Dữ liệu gửi từ thiết bị IoT đến IoT Platform thông qua mạng kết nối, chẳng hạn mạng di động, Wifi Để truyền liệu, IoT Platform sử dụng giao thức truyền thông MQTT, CoAP HTTP Các thiết bị IoT gửi liệu trực tiếp đến IoT Platform thông qua Gateway trung gian  Lưu trữ xử lý liệu: Dữ liệu thu thập từ thiết bị IoT lưu trữ sở liệu IoT Platform Cơ sở liệu sở liệu quan hệ (SQL) sở liệu phi quan hệ (NoSQL), tùy thuộc vào yêu cầu tính chất liệu IoT Platform cung cấp khả xử lý liệu để trích xuất thơng tin hữu ích, thực phân tích liệu, áp dụng thuật toán học máy tạo thông báo cảnh báo  Quản lý điều khiển thiết bị: IoT Platform cung cấp dịch vụ quản lý thiết bị để đăng ký, theo dõi điều khiển thiết bị IoT hệ thống Người dùng quản lý thiết bị từ xa, cập nhật Firmware, kiểm tra trạng thái thực thao tác điều khiển thông qua giao diện người dùng giao thức quản lý thiết bị MQTT CoAP  Bảo mật vào quản lý truy cập: IoT Platform đảm bảo tính bảo mật hệ thống IoT cách áp dụng biện pháp bảo mật xác thực ủy quyền người dùng, mã hóa liệu, xác nhận danh tính thiết bị, giám sát hoạt động bất thường Nó cung cấp quản lý truy cập để quản lý quyền truy cập vào thiết bị liệu IoT, đảm bảo có người dùng có quyền truy cập kiểm soát liệu Trường Đại học Mở Hà Nội b, Các giao thức thường dùng IoT: - Để tối ưu hóa mơ hình Internet of Things - IoT, thiết bị phải giao tiếp với "giao thức" - protocol mà đáp ứng tiêu chí:  Năng lượng tiêu thụ thấp: Đây hiểu nói mặt vật lý, cách thức để truyền liệu ví dụ hai thiết bị truyền thơng qua chuẩn Zigbee, LoRa, LoRaWAN  Dung lượng tin nhẹ để không làm tiêu tốn nhiều tài nguyên CPU Hiểu nơm na, sau có đường truyền kết nối vật lý trên, bạn cần phương thức "nói chuyện" thiết bị để nói mà hiểu đúng, hiểu đủ - Có giao thức truyền tải liệu phổ biến sử dụng mơ hình Internet of Things:      MQTT (Message Queue Telemetry Transport) CoAP (Constrained Applications Protocol) AMQP (Advanced Message Queue Protocol) XMPP (Extensible Messaging Presence Protocol) DDS (Data Distribution Service) MQTT (Message Queue Telemetry Transport) Trường Đại học Mở Hà Nội - MQTT giao thức mã nguồn mở để truyền messages nhiều Client (Publisher Subscriber) thông qua Broker trung gian, thiết kế để đơn giản dễ dàng triễn khai Kiến trúc MQTT dựa Broker trung gian sử dụng kết nối TCP long-lived từ Client đến Broker - MQTT hỗ trợ tổ chức hệ thống theo Topics có tính phân cấp, hệ thống tập tin (vd: /Home/kitchen/humidity), cung cấp nhiều lựa chọn điều khiển QoS (Quality of Service) - MQTT giao thức nhẹ nên sử dụng cho truyền thơng chiều thơng qua mạng có độ trễ cao độ tin cậy thấp, tương thích với thiết bị tiêu thụ điện thấp CoAP (Constrained Applications Protocol) - CoAP giao thức truyền tải tài liệu theo mơ hình client/server dự internet tương tự giao thức HTTP thiết kế cho thiết bị ràng buộc Giao thức hỗ trợ giao thức one-to-one để chuyển đổi trạng thái thông tin client server Trường Đại học Mở Hà Nội - CoAP sử dụng UDP (User Datagram Protocol), không hỗ trợ TCP, ngồi cịn hỗ trợ địa broadcast multicast, truyền thông CoAP thông qua datagram phi kết nối (connectionless) sử dụng giao thức truyền thơng dựa gói - UDP dễ dàng triển khai vi điều khiển TCP công cụ bảo mật SSL/TSL khơng có sẵn, nhiên ta sử dụng Datagram Transport Layer Security (DTLS) để thay Ví dụ mơ hình sử dụng giao thức CoAP HTTP AMQP (Advanced Message Queue Protocol) - AMQP giao thức làm trung gian cho gói tin lớp ứng dụng với mục đích thay hệ thống truyền tin độc quyền khơng tương thích Các tính AMQP định hướng message, hàng đợi, Trường Đại học Mở Hà Nội định tuyến (bao gồm point-to-point publish-subscribe) có độ tin cậy bảo mật cao Các hoạt động thực thông qua broker, cung cấp khả điều khiển luồng (Flow Control) - Một Message Broker phổ biến RabbitMQ, lập trình ngơn ngữ Erlang, RabbitMQ cung cấp cho lập trình viên phương tiện trung gian để giao tiếp nhiều thành phần hệ thống lớn - Không giống giao thức khác, AMQP giao thức có dây (wire-protocol), có khả diễn tả message phù hợp với định dạng liệu, triển khai với nhiều loại ngơn ngữ lập trình DDS (Data Distribution Service) - DDS ngôn ngữ trung gian dựa vào liệu tập trung sử dụng phép khả mở rộng, thời gian thực, độ tin cậy cao trao đổi liệu tương tác - Đây giao thức phi tập trung (broker-less) với truyền thông ngang hàng trực kiểu peer-to-peer publishers subscribers thiết kế để trở thành ngôn ngữ hệ điều hành độc lập DDS gửi nhận liệu, kiện, thông tin lệnh UDP chạy giao thức truyền tải khác IP Multicast, TCP/IP, nhớ chia sẻ, … DDS hỗ trợ kết nối quản lý many-to-many theo thời gian thực cịn hỗ trợ dị tìm tự động (automatic discovery) Các ứng dụng sử dụng DDS cho truyền thông tách riêng không yêu cầu can thiệp từ ứng dụng người dùng, đơn giản hóa việc lập trình mạng phức tạp Các tham số QoS sử dụng để xác định chế tự dị tìm thiết lập lần Trường Đại học Mở Hà Nội XMPP (Extensible Messaging Presence Protocol) - XMPP (trước gọi “Jabber”) giao thức truyền thông dùng cho định hướng tin nhắn trung gian dựa ngôn ngữ XML - XMPP mô hình phân quyền client-server phi tập trung, sử dụng cho ứng dụng nhắn tin văn Có thể nói XMPP gần thời gian thực mở rộng đến hàng trăm hàng nghìn nút Dữ liệu nhị phân phải mã hóa base64 trước truyền băng tần XMPP tương tự MQTT, chạy tảng TCP Một ví dụ XMPP 3, Kết luận chương: - Có nhiều giao thức IoT khác hỗ trợ Internet of Things Tuy nhiên MQTT, HTTP, CoAP xem ba giao thức phổ biến thị trường IoT Bởi lợi ích tuyệt vời mà mang lại thích hợp với mục đích IoT giao tiếp thời gian thực Trường Đại học Mở Hà Nội - Kết lại điều thực quan trọng việc áp dụng kỹ thuật IoT Chính cần nắm rõ yêu cầu thực tế doanh nghiệp vận hành Cũng thông tin ưu/nhược điểm giao thức phù hợp cho trường hợp cụ thể CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT VÀ THIẾT KẾ SƠ BỘ 1, Khảo sát sản phẩm mạch giám sát thông số môi trường: - Các hệ thống IoT giám sát thông số môi trường phong phú đa dạng kể đến như:         Giám sát chất lượng khơng khí, carbon dioxide khí dạng khói, carbon monoxide khu vực hạn chế mức độ ozone nhà Giám sát chất lượng nước, chất nhiễm, chất nhiễm nhiệt, rị rỉ hóa chất, diện chì mực nước lũ Theo dõi độ ẩm độ rung đất để phát ngăn ngừa sạt lở đất Giám sát rừng đất bảo vệ cháy rừng Giám sát thiên tai cảnh báo động đất sóng thần Giám sát ngư nghiệp sức khỏe thủy hải sản đánh bắt trái phép Theo dõi mức độ tuyết rơi khu nghỉ mát trượt tuyết khu rừng quốc gia để theo dõi thời tiết phòng chống tuyết lở Giám sát trung tâm liệu nhiệt độ độ ẩm không khí Ơ nhiễm khơng khí nước Trường Đại học Mở Hà Nội