Báo cáo đồ án viễn thông tìm hiểu iot trong smart city

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN -o0o - BÁO CÁO ĐỒ ÁN VIỄN THÔNG TÌM HIỂU IOT TRONG SMART CITY GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: ĐỖ XUÂN THU LỚP: 71DCDT21 Trần Văn Dũng Đặng Ngọc Hiếu Vũ Quang Huy Vũ Việt Hùng Trần Đức Giang Lê Hoàng Tuấn Nguyễn Xuân Tuấn Nguyễn Công Tuấn HÀ NỘI 09-2023 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại ngày nay, khi cuộc sống đô thị ngày càng phát triển và quy mô của các thành phố trên khắp thế giới không ngừng tăng lên, sự xuất hiện của công nghệ Internet of Things (IoT) đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc xây dựng và quản lý các thành phố thông minh (smart city) IoT đã mở ra một thế giới mới của khả năng kết nối, thu thập dữ liệu và tự động hóa, giúp chúng ta nâng cao chất lượng cuộc sống, tối ưu hóa nguồn lực và bảo vệ môi trường Đồ án này tập trung vào khám phá và phân tích các ứng dụng của IoT trong lĩnh vực quản lý năng lượng trong smart city Chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về cách IoT có thể được tích hợp vào hạ tầng đô thị để tối ưu hóa sử dụng năng lượng, giảm thiểu lãng phí, và định hình một môi trường số thông minh Trong quá trình nghiên cứu, chúng ta sẽ xem xét các dự án thực tế đã triển khai trên thế giới, từ các thành phố lớn đến những địa phương nhỏ, để hiểu rõ hơn về những lợi ích và thách thức mà IoT mang lại trong quản lý năng lượng Đồng thời, chúng ta sẽ đàm phán về những tiềm năng và hướng phát triển tương lai của IoT trong ngữ cảnh đô thị thông minh Qua đồ án này, hy vọng rằng chúng ta sẽ có cái nhìn sâu sắc về cách công nghệ IoT không chỉ là một công cụ hiệu quả trong quản lý năng lượng mà còn là yếu tố quyết định giúp chúng ta xây dựng những thành phố thông minh, bền vững và thân thiện với môi trường I.kiến thức tổng quan 1.1 Định nghĩa smart city 1.1.1 Định nghĩa Thành phố thông minh hay đô thị thông minh là một khu vực thành thị sử dụng các loại phương pháp điện tử và cảm biến khác nhau để thu thập dữ liệu Thông tin chi tiết thu được từ dữ liệu đó được sử dụng để quản lý tài sản, tài nguyên và dịch vụ một cách hiệu quả; đổi lại, dữ liệu đó được sử dụng để cải thiện hoạt động trên toàn thành phố Điều này bao gồm dữ liệu được thu thập từ người dân, thiết bị, tòa nhà và tài sản, sau đó được xử lý và phân tích để giám sát và quản lý hệ thống giao thông và vận tải, nhà máy điện, tiện ích, mạng lưới cấp nước, chất thải, phát hiện tội phạm, hệ thống thông tin, trường học, thư viện, bệnh viện và các dịch vụ cộng đồng khác Thành phố thông minh là một hệ thống hữu cơ tổng thể được kết nối từ nhiều hệ thống thành phần với hệ thống trí tuệ nhân tạo có thể hành xử thông minh như con người, gồm mạng viễn thông số (dây thần kinh), hệ thống nhúng thông minh (não bộ), các cảm biến (giác quan) và phần mềm (tinh thần và nhận thức) để nâng cao chất lượng cuộc sống, cải thiện chất lượng phục vụ của chính quyền thành phố, giảm tiêu thụ năng lượng, quản lý hiệu quả các nguồn tài nguyên thiên nhiên 1.1.2 các yếu tố chính Các yếu tố chính cần thiết tạo nên bộ khung của đô thị hay thành phố thông minh tích hợp có ảnh hưởng hai chiều, tác động lẫn nhau, bao gồm:  Hạ Tầng Kỹ Thuật và Công Nghệ Thông Tin Hạ tầng kỹ thuật tiên tiến và các công nghệ thông tin đột phá là cơ sở của Smart City Với mạng 5G mạnh mẽ và hệ thống cảm biến thông minh, dữ liệu từ khắp nơi được thu thập và phân tích để cung cấp thông tin quan trọng Từ việc điều khiển giao thông đến dự báo nguồn năng lượng, công nghệ thông tin định hình mô hình quản lý đô thị hiện đại  Quản lý – Tổ chức Tại khu đô thị thông minh việc quản lý và vận hành sẽ được áp dụng những công nghệ hiện đại, giúp xử lí nhanh chóng, tránh nhầm lẫn, phục vụ tốt nhất cho nhu cầu của cư dân trong đời sống hàng ngày như tìm chỗ trống để xe ô tô, báo cáo tiền sinh hoạt,  Quản Lý Tài Nguyên và Môi Trường Đô Thị Thông Minh Trong bối cảnh tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt, đô thị thông minh là giải pháp cho việc quản lý tài nguyên một cách thông minh và bền vững Không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng và tài nguyên, mô hình này còn tạo cơ hội tái sử dụng và tái chế, góp phần bảo vệ môi trường và tạo điều kiện sống tốt hơn cho thế hệ tương lai  Giao Thông và Hệ Thống Vận Chuyển Thông Minh Thách thức về giao thông và ùn tắc đang ngày càng trở nên nghiêm trọng Smart City đưa ra giải pháp thông qua việc phát triển hệ thống giao thông thông minh, sử dụng dữ liệu thời gian thực để dự báo và giảm thiểu ùn tắc Hệ thống vận chuyển thông minh cũng thúc đẩy sự phát triển của phương tiện công cộng, giúp cải thiện chất lượng không khí và cuộc sống của cư dân  Dịch Vụ Công Và Tương Tác Dân Cư Đô thị thông minh Smart City mang đến sự tiện lợi cho cư dân thông qua việc cung cấp dịch vụ công trực tuyến Từ việc thanh toán hóa đơn đến đăng ký giấy tờ, mọi thủ tục trở nên đơn giản và nhanh chóng Nền tảng tương tác dân cư giúp cư dân tham gia vào việc đưa ra ý kiến và đóng góp vào quyết định về phát triển đô thị  An Ninh Thông Tin và Quản Lý Dữ Liệu Trong Đô Thị Thông Minh Với việc số hóa và gắn kết, bảo mật thông tin là yếu tố quan trọng của Smart City Hệ thống an ninh thông tin và quản lý dữ liệu đảm bảo sự riêng tư và bảo mật của thông tin cá nhân, ngăn chặn nguy cơ xâm nhập và lợi dụng dữ liệu 1.2 Khái niệm IoT trong Smart City 1.2.1 khái niệm IOT Internet Vạn Vật tiếng Anh: Internet of Things, viết tắt IoT là một liên mạng, trong đó các thiết bị thông minh, phương tiện vận tải, phòng ốc và các trang thiết bị khác được nhúng với các bộ phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu Hệ thống IoT cho phép vật được cảm nhận hoặc được điều khiển từ xa thông qua hạ tầng mạng hiện hữu, tạo cơ hội cho thế giới thực được tích hợp trực tiếp hơn vào hệ thống điện toán, hệ quả là hiệu năng, độ tin cậy và lợi ích kinh tế được tăng cường bên cạnh việc giảm thiểu sự can dự của con người Khi IoT được gia tố cảm biến và cơ cấu chấp hành, công nghệ này trở thành một dạng thức của hệ thống ảo-thực với tính tổng quát cao hơn, bao gồm luôn cả những công nghệ như điện lưới thông minh, nhà máy điện ảo, nhà thông minh, vận tải thông minh và thành phố thông minh Mỗi vật được nhận dạng riêng biệt trong hệ thống điện toán nhúng và có khả năng phối hợp với nhau trong cùng hạ tầng Internet hiện hữu 1.2.2 IOT trong smart city IoT cho phép thu thập hàng loạt dữ liệu quan trọng theo thời gian thực có thể được sử dụng để cung cấp thông tin chuyên sâu và cuối cùng là các hành động giúp tăng hiệu quả chung và hoạt động của thành phố Để làm vậy IOT sử dụng các giao thức nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền dữ liệu từ nguồn tới đích Giao thức IOT (IOT protocol) được chia thành 4 lớp: - Lớp vật lý, cảm giác Trong lớp vật lý, các thiết bị, cảm biến hoặc bộ truyền động được sử dụng tại nguồn để thu thập dữ liệu thô về các điều kiện, sự kiện hoặc hành động nhất định - ví dụ: sự hiện diện hay vắng mặt của một vật thể và nhiệt độ hoặc độ ẩm của môi trường Lớp vật lý được triển khai rộng rãi để thu thập dữ liệu cơ sở hạ tầng theo thời gian thực - Lớp kết nối hoặc lớp mạng Lớp mạng cho phép truyền dữ liệu đã thu được thông qua kết nối đã thiết lập Ở cấp độ này, dữ liệu vật lý thô được biên soạn và chuẩn bị để truyền qua cổng IoT và các sự kiện tương tự trong lớp vật lý được chuyển đổi thành bản ghi kỹ thuật số và được truyền đạt Để điều này xảy ra, các mạng phải tính đến hướng và luồng dữ liệu hợp lý - Lớp xử lý dữ liệu Sau khi các sự kiện hoặc điều kiện được thu thập trong lớp vật lý được chuyển đổi thành dữ liệu số, dữ liệu này phải được xử lý Trong lớp xử lý dữ liệu, dữ liệu được định dạng theo cách cho phép đọc và sử dụng ở cấp ứng dụng cao hơn—ví dụ: bằng cách nén tổng dung lượng để làm cho dữ liệu phù hợp để sử dụng hoặc giải thích trên đám mây hoặc dữ liệu trung tâm - Lớp ứng dụng Sau khi dữ liệu đã được thu thập, gửi qua mạng và được xử lý thêm, dữ liệu sẽ sẵn sàng được những người ra quyết định của thành phố và thậm chí cả những người dân bình thường xem xét Trong lớp ứng dụng, mọi người có thể diễn giải dữ liệu theo cách có ý nghĩa để thông báo hành động trong tương lai 1.3 Ưu điểm và Thách thức của IOT trong Smart city 1.3.1.Ưu điểm Các thành phố thông minh dựa vào Internet of Things (IoT) để tận dụng việc kết hợp sử dụng ứng dụng, hệ thống kết nối, các công trình, thiết bị, và nhiều yếu tố khác nhau để tạo ra môi trường sống và làm việc hiệu quả Dưới đây là một số lợi ích của nó:  Quản lý cơ sở hạ tầng cải thiện:Công nghệ IoT có thể được sử dụng để giám sát và quản lý cơ sở hạ tầng của thành phố, bao gồm cả cầu, đường, và các công trình xây dựng Điều này giúp xác định nhu cầu bảo dưỡng, giảm thời gian ngừng hoạt động và nâng cao an toàn tổng thể  An toàn cộng đồng nâng cao: Các cảm biến và camera kết nối qua IoT có thể cải thiện an toàn cộng đồng bằng cách phát hiện các rủi ro an ninh tiềm ẩn, theo dõi hoạt động tội phạm và giám sát thời gian phản ứng trong tình huống khẩn cấp  Vận tải hiệu quả: IoT hỗ trợ tối ưu hóa các tuyến vận tải công cộng, giảm ùn tắc và cải thiện lưu thông giao thông Các phương tiện kết nối cũng có thể giao tiếp với nhau và với hệ thống giao thông, tạo điều kiện cho việc đi lại an toàn và hiệu quả hơn  Tiết kiệm năng lượng: Công nghệ IoT cho phép giám sát và quản lý việc sử dụng năng lượng trong các tòa nhà và không gian công cộng, giảm lãng phí năng lượng và tiết kiệm chi phí  Quản lý rác hiệu quả: Các cảm biến IoT có thể giúp tối ưu hóa tuyến thu gom rác, giảm ảnh hưởng môi trường từ việc thu gom rác và giảm chi phí  Tăng cường tương tác với cộng đồng: Các nền tảng có kết nối IoT có thể cho phép cộng đồng tham gia vào quy hoạch đô thị, đưa ra phản hồi về dịch vụ đô thị và báo cáo vấn đề trong thời gian thực  Sức khỏe và sự an toàn: IoT có thể được sử dụng để giám sát chất lượng không khí, phát hiện nguy cơ môi trường và theo dõi xu hướng sức khỏe, cung cấp dữ liệu quý báu cho các quan chức y tế công cộng phát triển chính sách cải thiện sức khỏe cộng đồng IoT trong các thành phố thông minh có thể giúp cải thiện chất lượng cuộc sống của người dân, thúc đẩy sự đổi mới và tăng trưởng kinh tế, tạo nên một tương lai bền vững và chống chọi 1.3.2 Thách Thức Các thiết bị IoT với chức năng hạn chế đã xuất hiện ít nhất một thập kỷ Những thay đổi gần đây là nhờ sự phổ biến của các tùy chọn kết nối (WIFI, 3G và Bluetooth, v.v.), dịch vụ đám mây và phân tích, là những hỗ trợ tuyệt vời cho IoT Cloud cung cấp một nền tảng để lưu trữ phần mềm thông minh, kết nối một số lượng lớn thiết bị IoT và cung cấp cho các thiết bị này một lượng lớn dữ liệu Điều này cho phép các quyết định thông minh được đưa ra mà không cần sự can thiệp của con người Tuy nhiên, vẫn còn một số thách thức hiện tại hạn chế việc áp dụng IoT:  Các lỗ hổng bảo mật (quyền riêng tư, phá hoại, từ chối dịch vụ): Việc các hacker tấn công vào các mục tiêu quan trọng sẽ khiến mối nguy hiểm này rất lớn Rõ ràng, hậu quả của việc phá hoại và từ chối dịch vụ có thể nghiêm trọng hơn nhiều so với xâm nhập quyền riêng tư cá nhân Nếu có sự thay đổi tỷ lệ pha trộn chất khử trùng tại nhà máy xử lý nước hoặc dừng hệ thống làm mát tại nhà máy điện hạt nhân có khả năng khiến cả thành phố gặp nguy hiểm ngay lập tức  Các vấn đề pháp lý và pháp lý: Điều này áp dụng chủ yếu cho các thiết bị y tế, ngân hàng, bảo hiểm, thiết bị cơ sở hạ tầng, thiết bị sản xuất và đặc biệt là các thiết bị liên quan đến dược phẩm và thực phẩm Điều này làm tăng thêm thời gian và chi phí cần thiết để đưa các sản phẩm này ra thị trường  Tính quyết định của mạng: Điều này rất quan trọng đối với hầu hết các lĩnh vực có thể sử dụng IoT, như trong các ứng dụng điều khiển, bảo mật, sản xuất, vận chuyển, cơ sở hạ tầng nói chung và các thiết bị y tế Việc sử dụng đám mây hiện tại có độ trễ khoảng 200 mili giây trở lên Điều này phù hợp cho hầu hết các ứng dụng, nhưng không phải cho bảo mật hoặc các ứng dụng khác yêu cầu phản hồi nhanh chóng, cần lập tức Ví dụ như một kích hoạt từ hệ thống giám sát an ninh nhận được sau năm giây có thể là quá muộn  Thiếu một kiến trúc và tiêu chuẩn hóa chung: Sự phân mảnh liên tục trong quá trình triển khai IoT sẽ làm giảm giá trị và tăng chi phí cho người dùng cuối Hầu hết các sản phẩm đều nhắm mục tiêu các lĩnh vực rất cụ thể Một số nguyên nhân của sự phân mảnh này là do lo ngại về bảo mật và quyền riêng tư, cố gắng chiếm lĩnh thị trường, cố gắng tránh các vấn đề với tài sản trí tuệ của đối thủ cạnh tranh và hiện tại thiếu sự lãnh đạo rõ ràng trong lĩnh vực này  Khả năng mở rộng: Điều này hiện không phải là vấn đề lớn, nhưng nó chắc chắn sẽ trở thành một vấn đề chủ yếu liên quan đến đám mây khi số lượng thiết bị hoạt động tăng lên Điều này sẽ tăng băng thông dữ liệu cần thiết và thời gian cần thiết để xác minh giao dịch  Hạn chế của các cảm biến hiện tại: Các loại cảm biến cơ bản, chẳng hạn như nhiệt độ, ánh sáng, chuyển động, âm thanh, màu sắc, radar, máy quét laser, siêu âm và tia X, đã khá hiệu quả Hơn nữa, những tiến bộ gần đây trong vi điện tử, cùng với những tiến bộ trong cảm biến trạng thái rắn, sẽ làm cho các cảm biến trần ít trở thành vấn đề trong tương lai Thách thức sẽ là làm sao cho cảm biến có thể hoạt động tốt trong môi trường đông đúc, ồn ào và phức tạp hơn Việc áp dụng các thuật toán tương tự như logic mờ hứa hẹn sẽ làm giảm vấn đề này trong tương lai  Nguồn điện nằm ngoài mạng lưới: Mặc dù Ethernet, WIFI, 3G và Bluetooth đã có thể giải quyết hầu hết các vấn đề kết nối bằng cách cung cấp cho các thiết bị khác nhau các hình thức khác nhau, tuy nhiên hạn chế về thời lượng pin vẫn còn Hầu hết các điện thoại thông minh vẫn cần phải được sạc mỗi ngày và hầu hết các cảm biến vẫn cần thay pin thường xuyên hoặc kết nối với lưới điện Sẽ có một sự khác biệt nếu năng lượng có thể được phát không dây đến các thiết bị như vậy từ xa hoặc nếu nguồn năng lượng có thể tồn tại ít nhất một năm có thể được tích hợp vào các cảm biến II.CƠ SỞ HẠ TẦNG IOT TRONG SMART CITY 2.1 Cảm Biến và Thiết Bị Kết Nối: Cảm biến Internet of Things: Cảm biến IoT là những phần cứng phát hiện những thay đổi trong môi trường và thu thập dữ liệu Cảm biến IoT dùng để thu thập dữ liệu, giao tiếp và chia sẻ chúng với các thiết bị được kết nối của toàn bộ mạng Tất cả dữ liệu được thu thập này cho phép các thiết bị chạy tự động, do đó làm cho toàn bộ hệ sinh thái “thông minh hơn” hằng ngày Cảm biến IoT có phần giống với Network Interface Cards (NIC), kết nối các máy tính thông qua Ethernet hoặc Wi-Fi Trên thực tế, cảm biến IoT có các địa chỉ IPv6 duy nhất để tiện theo dõi trên mạng IoT Theo đó, những cảm biến giống như hệ thống thần kinh trên các mạng IoT vì chúng phát hiện và đo lường các hiện tượng trong thế giới thực Thiết bị Internet of Things: Thiết bị IoT là thiết bị điện toán phi tiêu chuẩn kết nối không dây với mạng và có khả năng truyền dữ liệu, chẳng hạn như nhiều thiết bị trên IoT Phân loại, ứng dụng cảm biến và thiết bị kết nối: - Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến nhiệt độ đo nhiệt trong nguồn nhiệt Nó có thể phát hiện những thay đổi nhiệt độ và chuyển những thay đổi này thành dữ liệu Máy móc được sử dụng trong sản xuất thường yêu cầu nhiệt độ môi trường và nhiệt độ thiết bị phải ở một mức nhất định Tương tự, trong nông nghiệp, nhiệt độ của đất là yếu tố quan trọng trong sự phát triển của cây trồng Cảm biến nhiệt độ có thể được chia thành loại tiếp xúc và loại không tiếp xúc theo quan điểm sử dụng Đầu tiên là cảm biến nhiệt độ tiếp xúc trực tiếp với đối tượng được đo và sự thay đổi nhiệt độ của đối tượng đo được cảm nhận bởi phần tử nhạy cảm với nhiệt độ Trong đó, cảm biến nhiệt độ giữ một khoảng cách nhất định với đối tượng cần đo, phát hiện cường độ tia hồng ngoại phát ra từ đối tượng cần đo và tính toán nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ chủ yếu được sử dụng trong các lĩnh vực liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ, chẳng hạn như giữ nhiệt thông minh và phát hiện nhiệt độ môi trường xung quanh - Cảm biến độ ẩm: Cảm biến độ ẩm có thể đo thành phần hơi nước trong không khí hoặc các chất khí khác Cảm biến độ ẩm thường được tìm thấy trong các hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) trong các lĩnh vực công nghiệp và dân dụng Chúng có thể