Thiết Kế, Chế Tạo Mô Hình Thiết Bị Đo Lưu Lượng Sử Dụng Công Nghệ Truyền Thông Kết Nối Lora.pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG  BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN INTERNET KẾT NỐI VẠN VẬT Đề tài THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ ĐO LƯU LƯỢNG SỬ[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG



BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN INTERNET KẾT NỐI VẠN VẬT

Đề tài:

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ ĐO LƯU LƯỢNG SỬ DỤNG

CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG KẾT NỐI LORA

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN ĐẠT

VÌ VĂN THƠ

VŨ HỒNG CÔNG TRẦN DIỄM QUỲNH

Giáo viên hướng dẫn: TS VŨ CHIẾN THẮNG

THÁI NGUYÊN - 2024

LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại hiện nay, Internet of Things (IoT) không chỉ là một xu hướng

mà còn là một cuộc cách mạng công nghiệp, mở ra những khả năng vô tận trong việc kết nối và tương tác giữa các thiết bị thông minh Cùng với sự bùng nổ của công nghệ, việc thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị đo lưu lượng sử dụng công nghệ truyền thông LoRa không chỉ là việc nghiên cứu về đo lường mà còn là một bước tiến quan trọng trong sự hòa mình của các thiết bị vào mạng lưới IoT

IoT mở ra một thế giới mới, nơi mọi vật đều có khả năng truyền thông và tương tác thông qua Internet Trong ngữ cảnh của việc đo lường lưu lượng, IoT không chỉ đơn thuần là một phương tiện để thu thập dữ liệu mà còn là công cụ để tạo ra thông tin có ý nghĩa từ dữ liệu đó Các thiết bị đo lưu lượng không chỉ gửi thông tin về lượng tiêu thụ mà còn có khả năng giao tiếp với các thiết bị khác để tối

ưu hóa quy trình và giảm lãng phí

Việc kết nối các thiết bị đo lưu lượng thông qua công nghệ LoRa trong môi trường IoT mang lại nhiều lợi ích, từ khả năng giảm chi phí triển khai đến việc mở rộng phạm vi sử dụng Không chỉ vậy, sự linh hoạt và hiệu suất cao của LoRa giúp các thiết bị này trở thành những "nút thông minh" không thể thiếu trong mạng lưới IoT, đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập, truyền và xử lý dữ liệu một cách hiệu quả

Trong tiểu luận này, chúng em sẽ đi sâu vào cách mà IoT và công nghệ truyền thông LoRa tương tác, tạo nên một hệ thống đo lường lưu lượng thông minh,

mở ra những triển vọng mới trong quản lý tài nguyên và xây dựng các hệ thống thông minh phục vụ cuộc sống hàng ngày

Mặc dù nhóm thực hiện đề tài đã hoàn thiện được quyển báo cáo và sản phẩm, nhưng do còn hạn chế về kiến thức nên chắc chắn còn thiểu sót Nhóm em mong nhận nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô cùng các bạn sinh viên

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ INTERNET KẾT NỐI VẠN VẬT

1.1 Internet kết nối vạn vật

1.1.1 Khái niệm về Internet kết nối vạn vật

Trong thế giới ngày nay, chúng ta đang chứng kiến sự gia tăng không ngừng của một cách mạng công nghiệp, nơi mà không chỉ con người mà cả những vật thể xung quanh chúng ta đều trở nên kết nối và tương tác thông qua một mạng lưới rộng lớn - đó chính là Internet of Things (IoT) hay Internet kết nối vạn vật Đây không chỉ là một khái niệm mà còn là một bước tiến quan trọng, định hình lại cách chúng ta tương tác với thế giới xung quanh

Internet kết nối vạn vật (Internet of Things - IoT) là một khái niệm mô tả mạng lưới kết nối toàn cầu giữa các thiết bị vật lý, đối tượng và cảm biến thông qua Internet Trong hệ thống IoT, các thiết bị này được trang bị công nghệ cảm biến, chip thông minh và khả năng kết nối mạng, cho phép chúng tương tác và chia sẻ dữ liệu mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người

Điều đặc biệt về IoT là khả năng tạo ra một môi trường tự động hóa thông tin liên tục, trong đó các thiết bị có thể truyền dữ liệu, nhận dữ liệu, và thậm chí thực hiện các nhiệm vụ mà không cần sự giám sát của con người Các ứng dụng của IoT

đa dạng, bao gồm giám sát môi trường, quản lý tài nguyên năng lượng, y tế thông minh, và nhiều lĩnh vực khác

Mục tiêu của IoT là tối ưu hóa quá trình tương tác và quản lý thông tin, giúp tạo ra một thế giới thông minh và kết nối hơn Dữ liệu thu thập được từ các thiết bị trong mạng lưới IoT có thể được sử dụng để phân tích và đưa ra quyết định thông minh, cung cấp lợi ích lớn trong việc quản lý tài nguyên, tối ưu hóa hiệu suất, và cải thiện chất lượng cuộc sống

1.1.2 Lịch sử phát triển và tầm nhìn tương lai của IoT

1.1.2.1Lịch sử phát triển

Giai đoạn đầu (1990 - 2000):

Khái niệm "Internet of Things" được Kevin Ashton đề xuất lần đầu vào năm 1999 Các ứng dụng IoT đầu tiên xuất hiện trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp và theo dõi tài sản Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) được sử dụng để xác định và theo dõi các đối tượng

Giai đoạn tăng trưởng (2000 - 2010):

Sự phát triển của mạng không dây như Wi-Fi và Bluetooth thúc đẩy sự phát triển của IoT

Các thiết bị IoT tiêu dùng đầu tiên như ổ cắm thông minh và bóng đèn thông minh xuất hiện trên thị trường

Nền tảng IoT đầu tiên được phát triển để quản lý và kết nối các thiết bị IoT

Giai đoạn bùng nổ (2010 - nay):

Sự ra đời của điện toán đám mây và smartphone thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của IoT.Số lượng thiết bị IoT được kết nối tăng vọt, dự kiến đạt 75 tỷ thiết bị vào năm

2025

IoT được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nhà thông minh, thành phố thông minh, y tế, nông nghiệp, công nghiệp, v.v

1.1.2.2 Tầm nhìn tương lai

IoT sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ trong tương lai với sự hỗ trợ của các công nghệ mới như:

5G: Mạng 5G cung cấp tốc độ cao và độ trễ thấp, cho phép các ứng dụng

IoT thời gian thực

Trí tuệ nhân tạo (AI): AI giúp phân tích dữ liệu IoT và đưa ra dự đoán

chính xác hơn

Blockchain: Blockchain giúp bảo mật dữ liệu IoT và tăng cường tính minh

bạch

IoT sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng một thế giới thông minh, kết nối

và bền vững IoT sẽ được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống, từ nhà thông minh, thành phố thông minh đến y tế, nông nghiệp, công nghiệp IoT sẽ giúp

tự động hóa các tác vụ, tiết kiệm thời gian và công sức cho con người, tối ưu hóa hiệu quả hoạt động, giảm thiểu lãng phí và chi phí.IoT sẽ mang đến trải nghiệm tiện lợi và thoải mái cho người dùng.Nâng cao an ninh và bảo mật cho con người và tài sản.IoT có tiềm năng thay đổi cuộc sống của chúng ta theo nhiều cách khác nhau Việc hiểu rõ về IoT sẽ giúp chúng ta tận dụng tối đa lợi ích của công nghệ này và xây dựng một tương lai tốt đẹp hơn

1.1.3 Kiến trúc IoT

Kiến trúc IoT được đại diện cơ bản bởi 4 phần như hình 1.2 bao gồm: Vạn vật (Things), trạm kết nối (Gateway), hạ tầng mạng Internet và điện toán đám mây (Internet and Cloud), các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services)

Vạn vật (Things): Ngày nay có hàng tỷ vật dụng đang hiện hữu trên thị trường gia

dụng và công nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của người dùng Chẳng hạn như xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối trực tiếp thông qua băng tần mạng 9 không dây và truy cập vào Internet Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ, còn các thiết bị chưa thông minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối

Trạm kết nối (Gateway): Một rào cản chính khi triển khai IoT đó là gần 85% các

vật dụng đã không được thiết kế để có thể kết nối với Internet và không thể chia sẻ

dữ liệu với điện toán đám mây Để khắc phục vấn đề này, các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý

Hạ tầng mạng Internet và điện toán đám mây (Internet and Cloud):

 Cơ sở hạ tầng kết nối: Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IP được kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính Cơ

sở hạ tầng mạng này bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp - được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ

 Trung tâm dữ liệu/ hạ tầng điện toán đám mây: Các trung tâm dữ liệu

và hạ tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối

Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services): Intel đã kết hợp những phần mềm

quản lý API hàng đầu (Application Progmraming Interface) là Mashery và Aepona

để giúp đưa các sản phẩm và giải pháp IoT ra thị trường một cách chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ hệ thống và tài nguyên đang

có sẵn

1.1.4 Đặc tính của Internet Of Things (IoT)

Hệ thống IoT có tính ứng dụng cao, ở mỗi lĩnh vực sẽ có yêu cầu và đặc tính khác nhau Tuy nhiên, các đặc trưng cơ bản của IoT sẽ bao gồm những yếu tố sau:

 Khả năng định danh - Mọi yếu tố (Things) tham gia IoT đều được định danh: thiết bị, phương tiện hay con người đều được định danh bằng các mã riêng Hoạt động định danh nhằm phân biệt các nhóm đối tượng, từ đó giúp quá trình thu thập thông tin, xử lý dữ liệu diễn ra chính xác hơn

 Thông minh/ tự động hóa - Các yếu tố trí tuệ nhân tạo, tự động hóa được tích hợp, ứng dụng trong hệ thống IoT Thiết bị và toàn bộ hệ thống có thể hoạt động chủ động trong 1 điều kiện môi trường nhất định, và tình huống thực tế

 Hệ thống phức tạp - IoT là hệ thống phức tạp với nhiều thiết bị không đồng nhất vì nó có phần cứng khác nhau cũng như network khác nhau Chúng có thể tương tác với nhau nhờ liên kết mạng, trên cùng 1 nền tảng internet Do vậy, vận hành hệ thống IoT khá phức tạp, tốn nhiều thời gian, công sức và chi phí

 Kích thước lớn - Hệ thống IoT có thể gồm hàng trăm nghìn đến hàng tỷ thiết

bị cùng kết nối trên 1 nền tảng internet Mỗi đối tượng sẽ đóng 1 vai trò nhất định, thực hiện nhiệm vụ chức năng khác nhau, chia sẻ và sử dụng tài

nguyên chung Và số lượng thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều so với được truyền bởi con người

 Tính linh hoạt: các thiết bị điện tử, máy móc linh hoạt thay đổi trạng thái như ngủ và thức dậy, kết nối hoặc bị ngắt, vị trí thiết bị đã thay đổi, và tốc độ đã thay đổi… Hơn nữa, số lượng thiết bị có thể tự động thay đổi tùy vào cách

mà chúng ta muốn

1.1.5 Ưu điểm và hạn chế của Internet Of Things (IoT)

Ưu điểm của Internet Of Things (IoT) :

1 Tự động hóa: IoT giúp tự động hóa các tác vụ thủ công, tiết kiệm thời gian

và công sức Ví dụ: hệ thống tưới tiêu tự động trong nông nghiệp giúp tiết kiệm nước và tăng năng suất cây trồng

2 Hiệu quả: IoT giúp tối ưu hóa hiệu quả hoạt động, giảm thiểu lãng phí và chi phí Ví dụ: hệ thống quản lý năng lượng thông minh trong nhà giúp giảm thiểu tiêu thụ điện năng

3 Tiện lợi: IoT mang đến trải nghiệm tiện lợi và thoải mái cho người dùng

Ví dụ: hệ thống nhà thông minh giúp điều khiển các thiết bị điện tử trong nhà bằng giọng nói

4 An toàn: IoT giúp nâng cao an ninh và bảo mật cho con người và tài sản

Ví dụ: hệ thống camera giám sát thông minh giúp bảo vệ ngôi nhà khỏi trộm cắp

5 Khả năng truy cập: IoT cho phép truy cập dữ liệu từ xa, giúp người dùng

có thể kiểm soát và quản lý các thiết bị từ bất cứ đâu

6 Dữ liệu và phân tích: IoT thu thập lượng dữ liệu khổng lồ giúp cải thiện hiệu quả hoạt động, đưa ra quyết định sáng suốt và phát triển các dịch vụ mới

7 Mở rộng và kết nối: IoT giúp kết nối các thiết bị và hệ thống khác nhau, tạo ra một hệ sinh thái thông minh và hiệu quả

8 Tăng trưởng kinh tế: IoT thúc đẩy sự phát triển của các ngành công nghiệp mới và tạo ra nhiều việc làm

Hạn chế của Internet Of Things (IoT):

1 Bảo mật: Bảo mật dữ liệu và thiết bị IoT là một vấn đề quan trọng cần được giải quyết Hacker có thể tấn công và xâm nhập vào các thiết bị IoT để lấy cắp dữ liệu hoặc điều khiển các thiết bị trái phép

2 Khả năng tương tác: Các thiết bị IoT từ các nhà cung cấp khác nhau thường không tương tác với nhau, gây khó khăn cho người dùng trong việc

sử dụng và quản lý

3 Quyền riêng tư: Việc thu thập và sử dụng dữ liệu cá nhân cần được thực hiện một cách minh bạch và có trách nhiệm Người dùng cần được đảm bảo quyền kiểm soát dữ liệu của họ

4 Chi phí: Chi phí đầu tư cho hệ thống IoT có thể cao, đặc biệt là đối với các doanh nghiệp nhỏ và hộ gia đình

5 Khả năng tiếp cận: Khả năng tiếp cận internet và các thiết bị IoT có thể bị hạn chế ở một số khu vực

6 Nhu cầu về kỹ năng: Việc triển khai và sử dụng IoT có thể đòi hỏi người dùng phải có kiến thức và kỹ năng nhất định

7 Tác động môi trường: Việc sản xuất và sử dụng các thiết bị IoT có thể gây

ra tác động tiêu cực đến môi trường

1.1.6 Ứng dụng của IoT trong cuộc sống

1.1.6.1 Ứng dụng cho doanh nghiệp

IoT công nghiệp (IoT) đề cập đến các thiết bị thông minh được sử dụng trong sản xuất, bán lẻ, y tế và các lĩnh vực khác để tạo ra hiệu quả kinh doanh Các thiết bị công nghiệp, từ cảm biến đến máy móc, cung cấp cho chủ doanh nghiệp dữ liệu chi tiết theo thời gian thực để các doanh nghiệp có thể sử dụng phục vụ mục đích cải thiện quá trình kinh doanh Những thiết bị này cung cấp thông tin chuyên sâu về quản lý chuỗi cung ứng, kho vận, nguồn nhân lực và sản xuất – giảm chi phí và tăng luồng doanh thu

Hãy cùng tìm hiểu các hệ thống công nghiệp thông minh trong các ngành dọc khác nhau:

Quản lý chuỗi cung ứng: Theo dõi, giám sát và quản lý hàng hóa, vật tư, và sản

phẩm trong chuỗi cung ứng giúp tăng tính chính xác, giảm thất thoát và nâng cao hiệu quả hoạt động

Giám sát và quản lý tài sản: Được sử dụng để theo dõi vị trí, tình trạng, và hiệu

suất của các tài sản như máy móc, thiết bị, phương tiện giao thông, và hạ tầng cơ sở

Quản lý năng lượng và tài nguyên: Điều khiển, giám sát và tối ưu hóa sử dụng

năng lượng, nước, và tài nguyên khác để giảm bớt lãng phí và tiết kiệm nguồn lực

Dịch vụ khách hàng thông minh: Cung cấp dịch vụ khách hàng tốt hơn thông qua

việc thu thập dữ liệu, phân tích hành vi khách hàng, và đưa ra đề xuất sản phẩm hoặc dịch vụ cá nhân hóa

Quản lý môi trường: Theo dõi, đánh giá, và dự báo dữ liệu môi trường như khí

hậu, khí thải, chất lượng không khí, nước, và đất để đưa ra các giải pháp bảo vệ môi trường

Sản xuất thông minh: Tích hợp các thiết bị và hệ thống IoT vào quy trình sản xuất

giúp theo dõi, giám sát và tối ưu hóa hiệu suất sản xuất, đồng thời tăng tính tự động hóa và giảm sai sót

An ninh và an toàn: Sử dụng các giải pháp IoT để đảm bảo an ninh và an toàn cho

cơ sở hạ tầng, công trình xây dựng, nhà máy, hoặc các khu vực nguy hiểm

Sản phẩm và dịch vụ kết nối: Phát triển các sản phẩm và dịch vụ kết nối thông

minh, từ đồ gia dụng, thiết bị y tế, đồ dùng cá nhân, đến các ứng dụng trong lĩnh vực du lịch, giải trí, và thể thao

1.1.6.2 Ứng dụng cho người dùng

IoT sẽ làm cho nhà, văn phòng và phương tiện của chúng ta trở nên thông minh hơn, dễ đo lường hơn và tốt hơn Dưới đây là một số ứng dụng hữu ích cho người dùng:

Nhà thông minh: Cung cấp khả năng kiểm soát và giám sát từ xa các thiết bị trong

nhà như đèn, điều hòa, hệ thống báo động, thiết bị gia dụng thông minh, đồng thời giúp tăng tính tiện nghi và an ninh cho ngôi nhà

Sức khỏe và chăm sóc sức khỏe: Giúp theo dõi và giám sát sức khỏe, hoạt động,

giấc ngủ, đồng thời cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe từ xa, hỗ trợ theo dõi và điều khiển các thiết bị y tế thông minh

Hệ thống giải trí thông minh: Cung cấp trải nghiệm giải trí đa phương tiện, từ việc

điều khiển các thiết bị giải trí như TV, loa thông minh, camera an ninh, đến dịch vụ phát trực tuyến, âm nhạc, và trò chơi

Giao thông thông minh: Cung cấp thông tin về tình trạng giao thông, đưa ra lộ

trình tối ưu, hỗ trợ theo dõi và quản lý phương tiện giao thông cá nhân, giúp giảm

ùn tắc giao thông và tiết kiệm thời gian di chuyển

Thông minh về năng lượng: Hỗ trợ giám sát và quản lý tiêu thụ năng lượng của

các thiết bị trong nhà, cung cấp thông tin về lượng điện tiêu thụ, đưa ra đề xuất tiết kiệm năng lượng, đồng thời tích hợp với nguồn năng lượng tái tạo

Thú cưng thông minh: Theo dõi hoạt động, sức khỏe, dinh dưỡng của thú cưng

thông qua các thiết bị đeo thông minh, giúp chăm sóc thú cưng hiệu quả hơn

Quản lý tài sản cá nhân: Giúp đánh dấu vị trí của tài sản cá nhân như xe đạp, điện

thoại di động, ví điện tử, giúp theo dõi và bảo vệ tài sản cá nhân

Giải pháp an toàn: Cung cấp giải pháp an toàn cho ngôi nhà, như hệ thống báo

động, camera an ninh, cảnh báo trực tuyến, giúp đảm bảo an toàn cho người dùng

và tài sản

1.1.7 Các công nghệ truyền thông cho IoT

Trong IoT (Internet of Things), việc truyền thông giữa các thiết bị là một phần quan trọng để thu thập dữ liệu, trao đổi thông tin và điều khiển các thiết bị từ

xa Dưới đây là một số công nghệ truyền thông phổ biến được sử dụng trong IoT:

1.1.7.1 Wi-Fi (IEEE 802.11): Wifi (là viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng

802.11) là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến

Ưu điểm:

Tốc độ truyền dẫn cao: Wi-Fi cung cấp tốc độ truyền dẫn dữ liệu cao, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu truyền dữ liệu lớn như video streaming, truyền tải dữ liệu sensor có kích thước lớn

Kết nối ổn định: Wi-Fi cho phép kết nối ổn định và liên tục trong môi trường

có nhiều thiết bị kết nối

Nhược điểm:

Tiêu thụ năng lượng: Wi-Fi tiêu tốn năng lượng lớn hơn so với các công nghệ khác, điều này có thể gây ra vấn đề với các thiết bị yêu cầu tuổi thọ pin dài

Phạm vi hoạt động hạn chế: Wi-Fi có phạm vi hoạt động hạn chế, thường chỉ hoạt động trong một không gian nhà hoặc văn phòng nhất định

1.1.7.2 Bluetooth: Bluetooth là một công nghệ truyền thông không dây ngắn phạm

vi sử dụng tần số radio để kết nối các thiết bị với nhau trong phạm vi ngắn

Ưu điểm:

Tiêu thụ năng lượng thấp: Bluetooth tiêu thụ ít năng lượng hơn so với Wi-Fi, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tuổi thọ pin cao

Phạm vi hoạt động ngắn: Bluetooth phù hợp cho việc kết nối giữa các thiết bị trong phạm vi ngắn như tai nghe không dây, cảm biến

Nhược điểm:

Tốc độ truyền dẫn thấp: Bluetooth có tốc độ truyền dẫn thấp hơn so với

Wi-Fi, điều này có thể gây ra độ trễ trong việc truyền tải dữ liệu

Số lượng thiết bị kết nối hạn chế: Bluetooth có hạn chế về số lượng thiết bị kết nối đồng thời so với Wi-Fi