LỜI MỞ ĐẦU Từ vài năm nay, cụm từ IoT Internet of Things được xuất hiện khá phổ biến ở Việt Nam cũng như trên thế giới và IoT đang trở thành làn sóng mạnh mẽ của cuộc cách mạng công ngh
TỔNG QUAN VỀ MẠNG IoT
Giới thiệu về mạng máy tính
Mạng máy tính được coi là rất phức tạp, khó thực hiện và vận dụng Hơn nữa, với công nghệ IoT, nơi chúng ta kết nối mọi loại các thiết bị trên Internet như máy lạnh, quạt, vvv Sự phức tạp này trở nên thậm chí cao hơn Nhiều tài liệu cho thấy thực sự có 13 tỷ thiết bị IoT được kết nối với Internet và có khả năng con số này sẽ tăng lên đến 30 tỷ trong ba năm tới
Sự phức tạp của mạng IoT sẽ mang lại cho sinh viên thời gian để học và hiểu cách thức hoạt động của công nghệ này Do đó, điều rất quan trọng là phải cung cấp mạng học tập và các công cụ thực hành, nơi sinh viên có thể mô phỏng hoặc xây dựng và quản lý hệ thống để hiểu rõ hơn về triết lý đằng sau các mạng. Các công cụ mô phỏng mạng được sử dụng để kiểm tra xem mạng sẽ hoạt động như thế nào trước khi được cài đặt vật lý Có nhiều công cụ để mô phỏng mạng: NS-2, TOSSIM, OMNeT ++, J-Sim, Avrora và một số công cụ phổ biến của Cisco Packet Tracer
Trình theo dõi gói của Cisco là một phần mềm mạnh mẽ do Công ty Cisco tạo ra để mô phỏng ảo mạng, đặc biệt là mạng không dây Trình theo dõi gói của Cisco cung cấp một môi trường nơi thiết bị trông giống như thực tế và điều này rất quan trọng đối với người dùng, đặc biệt là sinh viên Họ có thể giám sát và tương tác với các thiết bị không dây và IoT khác nhau trong môi trường ảo trước khi làm việc trong thời gian thực
Làm việc với các công cụ mô phỏng để tìm hiểu cách mạng hoạt động mang lại cho chúng ta cả thời gian và vật liệu lợi thế và giúp giảm chi phí trong giáo dục Báo cáo này được tổ chức như sau: phần đầu là phần mở đầu, phần thứ hai một phần tập trung vào các công cụ mô phỏng theo dõi gói tin cisco, phần thứ ba của luận án là về triển khai nhà thông minh với trình theo dõi gói Cisco, và phần cuối cùng là kết luận và nghiên cứu trong tương lai.
1.1.1 Mạng máy tính là gì ?
Mạng máy tính là một hệ thống bao gồm nhiều máy tính (tối thiểu là 2 máy tính trong cùng một hệ thống) được kết nối với nhau qua các đường truyền vật lý theo một cấu trúc nhất định.
Hình 1 Hình ảnh minh hoạ mạng máy tính
1.1.2 Chức năng của mạng máy tính
Mạng máy tính có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, bao gồm:
- Chia sẻ tài nguyên: Mạng máy tính cho phép các máy tính chia sẻ tài nguyên với nhau, chẳng hạn như dữ liệu, máy in, thiết bị ngoại vi, v.v.
- Trao đổi dữ liệu: Mạng máy tính cho phép các máy tính trao đổi dữ liệu với nhau, chẳng hạn như email, tài liệu, ảnh, v.v…
- Truy cập internet: Mạng máy tính cho phép các máy tính truy cập internet, nơi có thể truy cập nhiều thông tin và ứng dụng.
Có nhiều loại mạng máy tính khác nhau, được phân loại theo phạm vi, tốc độ, công nghệ, v.v.
- Mạng cục bộ (LAN): Mạng cục bộ là một mạng máy tính được giới hạn trong một khu vực địa lý nhỏ, chẳng hạn như một tòa nhà, một trường học hoặc một doanh nghiệp.
- Mạng diện rộng (WAN): Mạng diện rộng là một mạng máy tính được mở rộng trên một khu vực địa lý lớn, chẳng hạn như một quốc gia hoặc một lục địa.
- Mạng toàn cầu (GAN): Mạng toàn cầu là một mạng máy tính được mở rộng trên toàn thế giới.
- Mạng băng thông cao (WAN): Mạng băng thông cao là một mạng máy tính có tốc độ truyền dữ liệu cao.
- Mạng băng thông thấp (WAN): Mạng băng thông thấp là một mạng máy tính có tốc độ truyền dữ liệu thấp.
- Mạng có dây: Mạng có dây là một mạng máy tính sử dụng cáp vật lý để kết nối các máy tính với nhau.
- Mạng không dây: Mạng không dây là một mạng máy tính sử dụng sóng radio để kết nối các máy tính với nhau.
1.1.4 Các thành phần của mạng máy tính
Một mạng máy tính bao gồm các thành phần sau:
- Nút mạng: Nút mạng là một thiết bị được kết nối với mạng máy tính Nút mạng có thể là máy tính, thiết bị ngoại vi hoặc thiết bị mạng.
- Môi trường truyền dẫn: Môi trường truyền dẫn là phương tiện vật lý mà dữ liệu được truyền qua mạng máy tính Môi trường truyền dẫn có thể là cáp, sóng radio hoặc ánh sáng.
- Thiết bị kết nối: Thiết bị kết nối là một thiết bị được sử dụng để kết nối các nút mạng với nhau Thiết bị kết nối có thể là bộ định tuyến, bộ chuyển mạch hoặc cổng.
- Giao thức mạng: Giao thức mạng là một bộ quy tắc được sử dụng để định dạng và truyền dữ liệu qua mạng máy tính.
1.1.5 Lợi ích của mạng máy tính
Mạng máy tính mang lại nhiều lợi ích cho người dùng, bao gồm:
- Tăng cường hiệu quả: Mạng máy tính cho phép người dùng chia sẻ tài nguyên và trao đổi dữ liệu, giúp tăng cường hiệu quả công việc.
- Tăng cường kết nối: Mạng máy tính giúp mọi người kết nối với nhau dễ dàng hơn, bất kể họ ở đâu.
- Tạo ra các ứng dụng mới: Mạng máy tính cho phép phát triển các ứng dụng mới, chẳng hạn như email, video trực tuyến và trò chơi trực tuyến.
Mạng máy tính là một công nghệ quan trọng trong thế giới hiện đại Mạng máy tính mang lại nhiều lợi ích cho người dùng, giúp họ làm việc hiệu quả hơn, kết nối với nhau dễ dàng hơn và tạo ra các ứng dụng mới.
IoT (Internet of Things) là viết tắt của Internet vạn vật Đây là một mạng lưới các thiết bị vật lý được kết nối với nhau và với internet Các thiết bị này có thể là bất cứ thứ gì, từ máy tính, điện thoại thông minh, đến các thiết bị gia dụng, thiết bị công nghiệp, v.v.
Mạng IoT được định nghĩa là một mạng lưới các thiết bị vật lý được kết nối với nhau và với internet Các thiết bị này có thể giao tiếp với nhau và với các hệ thống khác thông qua dữ liệu.
IoT đề cập đến ý tưởng về sự vật (đối tượng), có thể đọc được, có thể nhận biết, định vị, có thể xác định địa chỉ thông qua các thiết bị cảm biến thông tin (cảm biến) và có thể kiểm soát thông qua Internet Mọi thứ là các đối tượng vật lý có số nhận dạng duy nhất, có thể truyền dữ liệu qua mạng Ví dụ về các đối tượng vật lý bao gồm xe cộ, điện thoại thông minh, thiết bị gia dụng, đồ chơi, máy ảnh, dụng cụ y tế và hệ thống công nghiệp, động vật, con người, tòa nhà, vvv
IoT là một công nghệ tiên tiến và mang tính cách mạng mới, nơi mọi đối tượng trở thành đối tượng thông minh và nơi họ có thể truyền đạt thông tin về bản thân mà không có sự can thiệp của con người Internet of Things được kỳ vọng sẽ tạo ra một thay đổi lớn trong cuộc sống của chúng ta; nó sẽ giúp chúng ta thực hiện nhiệm vụ và công việc của mình một cách tốt hơn
1.3 Sự hình thành và phát triển của mạng IoT
TÌM HIỂU VỀ CISCO PACKET TRACER
Cisco Packet Tracer và IoT
Phiên bản cuối cùng của trình theo dõi gói Cisco bao gồm một số tính năng mới có thể giúp chúng tôi thực hiện mô phỏng IoT Các tính năng mới đó là thiết bị thông minh, cảm biến, thiết bị truyền động và vi điều khiển
Một số thiết bị thông minh được bao gồm trong trình theo dõi gói là cửa sổ thông minh, quạt thông minh, thông minh đèn, còi báo động Chúng tôi cũng có thể tìm thấy một số cảm biến như mực nước, nhiệt độ, độ ẩm, CO2
Một điều quan trọng nhất với phiên bản mới là tất cả các thiết bị đều có thể lập trình được sử dụng các ngôn ngữ lập trình khác nhau như Pyton, Javascript và Blocky Ngoài ra, tất cả chúng có thể được kết nối thông qua cáp có dây hoặc thông qua không dây.
Có các tùy chọn cáp khác nhau trong trình theo dõi gói mới, đó là cáp đồng thẳng, cáp đồng chéo và cáp quang Ethernet nhanh và cáp tùy chỉnh IoT Tuy nhiên, chúng tôi cũng có thể chọn tùy chọn cáp tự động trong đó các công cụ tự động chọn cáp để kết nối hai thiết bị
Các thiết bị IoT trong Cisco Packet Tracer có thể được sử dụng để xây dựng và mô phỏng ứng dụng IoT khác nhau như nhà thông minh, công nghiệp thông minh, thành phố thông minh, vvv
Lợi ích của việc sử dụng trình theo dõi gói Cisco là người dùng có thể tương tác với các thiết bị giống nhau cách họ làm trong các thiết bị thực Ngoài ra, với chức năng đa người dùng, đa người dùng có thể làm việc cùng nhau để xây dựng mạng ảo thông qua mạng thực
Bài viết này chỉ tập trung vào việc sử dụng các thiết bị thông minh trong phiên bản mới của gói dấu vết để triển khai một ngôi nhà thông minh hoặc hệ thống tự động hóa ngôi nhà dựa trên Internet Hình 9 dưới đây cho thấy một số thiết bị khác nhau có trong phiên bản mới của Cisco:
Hình 9 Các thiết bị thông minh trong Cisco Packet Tracer
SMART HOME
Tổng quan về Smart home
SMART HOME (nhà thông minh) là một ngôi nhà được trang bị các thiết bị điện, điện tử được kết nối với nhau và được điều khiển từ xa thông qua một thiết bị trung gian như điện thoại thông minh, máy tính bảng hoặc giọng nói Các thiết bị này có thể bao gồm đèn, rèm cửa, hệ thống sưởi, điều hòa, an ninh, giải trí, v.v. Đây là sự tiện lợi vì mọi tác vụ đều được thực hiện tự động và an toàn, đây là 1 trong những điều quan trọng nhất về lợi ích của SMART HOME, vì chúng ta có thể điều khiển các thiết bị từ xa và xem liệu có nguy hiểm nào trong nhà của bạn.
Thiết kế smart home
Việc thiết kế smart home được thực hiện trên Cisco Packet Tracer phiên bản 8.1.1 Hình ảnh dưới đây là danh sách các thiết bị khác nhau được sử dụng cho mô phỏng và chức năng
Hình 11 Các thiết bị và chức năng
Cấu trúc liên kết mạng được sử dụng để triển khai ngôi nhà thông minh được trình bày trong Hình 11 dưới đây Việc triển khai bao gồm bốn phần: nhà thông minh, đám mây Internet, Iot máy chủ và mạng 3G Trong phần đầu tiên, chúng ta có một mạng gia đình với các thiết bị kết nối IoT khác nhau vào cổng chính (bộ ịnh tuyến Wi-Fi gia đình trong cấu trúc liên kết)
Phần thứ hai của mạng là đám mây internet (WAN) được kết nối với nhà Bộ định tuyến Wi-Fi thông qua modem cáp để cung cấp kết nối internet với internet của các thiết bị
Phần thứ ba liên quan đến máy chủ IoT đăng ký tất cả các thiết bị được kết nối với nó để cung cấp nhiều chức năng IoT hơn Sau đó, đến phần cuối cùng của cấu trúc liên kết “ mạng 3G ”, điện thoại thông minh được kết nối với tháp di động cho kết nối internet để truy cập từ xa các thiết bị
Hình 12 Cấu trúc liên kết mạng
3.2.1 Kết nối thiết bị với Homegateway
1 Nhấp vào Trang chủ để mở rộng cụm
2 Nhấp vào Home Gateway Nhấp vào tab Cấu hình
3 Nhấp vào Internet Chọn DHCP cho Cấu hình IP
4 Nhấp vào Wireless Nhập MyHomeGateway làm SSID Chọn
WPA2PSK làm xác thực Nhập CiscoIoT làm Cụm từ Pass
5 Nhấp vào Home PC Nhấp vào Màn hình nền Nhấp vào Cấu hình IP Chọn DHCP cho Cấu hình IP
• Bước 2: Xác minh kết nối Home Gateway với máy chủ ăng ký
1 Từ Home PC, nhập www.register.pka vào Trình duyệt Web
Nhập quản trị viên làm Tên người dùng và quản trị viên làm
Mật khẩu ể ăng nhập vào máy chủ đăng ký từ xa
➢ Lưu ý: Có thể mất vài phút để liệt kê tất cả các thiết bị IoT
2 Từ Home PC, nhập 192.168.25.1 vào Trình duyệt Web Nhập quản trị viên làm Tên người dùng và quản trị viên làm Mật khẩu để đăng nhập vào máy chủ IoT cục bộ được lưu trữ trên
3.2.2 Tự động hóa các thiết bị IoT
3.2.2.1 Tự động mở đóng quạt trần và cửa sổ dựa theo nhiệt độ
Hệ thống tự tắt bật quạt là vô cùng cần thiết cho 1 ngôi nhà thông minh Tưởng tượng khi bạn đang ngồi nhưng trời nóng bức quạt sẽ tự động bật tắt để làm mát cho chúng ta, nó sẽ khá là tiện lợi và mang lại cảm giác thoải mái, rất cần thiết cho 1 ngôi nhà thông minh
Trước tiên ta cần một thiết bị điều chỉnh nhiệt độ là
Thermostat, quạt trần, cửa sổ và một chiếc điện thoại thông minh Để tự động hóa dựa theo nhiệt độ đầu tiên ta cần kết nối các thiết bị trên với Homegateway Sau khi kết nối như hình 12 bên dưới.
Hình 13 Kết nối với Homegateway
Ta vào “ điện thoại’’ và vào phần Desktop => Tiếp tục vào
Web Browser nhập ID rồi đăng nhập Sau khi đăng nhập chúng ta vào phần Conditions và làm theo như hình 13 dưới đây
Hình 14 Tự động hóa dựa theo nhiệt độ
Sau khi điều chỉnh ta sẽ có hệ thống tự đóng mở cửa sổ và quạt trần Ta đặt ra quy định: Khi nhiệt độ vượt quá 20 độ C thì quạt trần và cửa sổ sẽ tự động mở và làm mát căn phòng; Khi nhiệt ộ dưới
17 độ C thì quạt và cửa sổ sẽ tự ộng đóng
3.2.2.2 Tự động dò khói để mở cửa và dập lửa
Gara là nơi ít được để ý nhất trong nhà nhưng cũng là nơi mang nhiều tính rủi ro do cá vật được đặt bên trong Từ các phương tiện di chuyển, các vật dụng lao động hay đến những chất lỏng dễ cháy nổ.Việc có một hệ thống thoát khí, phòng chống hỏa hoạn là đặc biệt cần thiết Hệ thống tự động hóa trong Gara được chia làm 2 phần: Hệ thống tự động hóa dò khói, khí CO2 để mở của Gara và hệ thống tự động dập lửa khi phát hiện có đám cháy
• Hệ thống tự động hóa dò khói, khí CO2 để mở cửa Gara: Hệ thống tự động bao gồm: Cacbon Dioxide Detector, Smoke Detetor,
Window, Garage Door Khi xe tiến vào Gara nếu khói xe vượt qua một mức nhất định thông tin sẽ được Cacbon Dioxide Detector và Smoke
Detetor chuyển về Home Gateway Từ đó hệ thống sẽ mở cửa để giảm nồng độ CO2 và khói trong Gara cho đến khi bình thường
Hình 15 Tự động dò khói
Công việc nghiên cứu này là để mô phỏng IoT bằng cách sử dụng Cisco Packet Tracer IoT là một công nghệ tiên tiến và mang tính cách mạng mới, do đó cần phải có công cụ thực hành giả lập nơi sinh viên có thể học và hiểu được rằng công nghệ này là cần thiết Đó là động lực thúc đẩy phía sau nghiên cứu này Chúng em chọn Cisco Packet Tracer vì nó cung cấp một môi trường mô phỏng với các thiết bị trông giống như trong cuộc sống thực, cũng trong phiên bản mới của trình theo dõi gói mà chúng tôi có thể tìm thấy nhiều thiết bị IoT , thiết bị truyền động và các cảm biến khác, tạo nên gói cisco truy tìm trình mô phỏng phù hợp cho IoT
Việc sử dụng các thiết bị IoT khác nhau và các thiết bị mạng có trong Cisco Packet Tracer giúp việc mô phỏng trở nên dễ dàng và nhiều thiết bị IoT 24 hơn sẽ được đưa vào phiên bản sắp tới của Cisco Packet Tracer, vì vậy có thể thực hiện mô phỏng IoT phức tạp hơn
Sau một thời gian dài nỗ lực và hăng hái và nghiên cứu, được sự hướng dẫn của thầy giáo cùng với sự chung sức của các thành viên trong nhóm, chúng em đã hoàn thành đề tài của nhóm đúng thời hạn và đạt được những kết quả tích cực trên nhiều mặt như:
• Rèn luyện được tinh thần làm việc nhóm.
• Nắm bắt tổng quan kiến thức về mạng IoT và hệ thống mô phỏng ảo của Cisco Packet Tracer.
• Có thêm định hướng phát triển cho đề tài của nhóm, vvv
Internet of things có thể thay đổi hoàn toàn cách sống của con người trong tương lai không xa Khi mọi vật đã được “Internet hóa”, người dùng có thể điều khiển chúng từ bất kỳ nơi nào, không bị giới hạn về mặt không gian và thời gian, chỉ cần một thiết bị thông minh có kết nối Internet.
Có thể nói, trong xu thế chung của thế giới hiện đại, dường như khái niệmIoT không phải là điều xa lạ với các sinh viên, bởi các bạn đã có cơ hội làm quen với khái niệm này trong chương trình học và những hoạt động ngoại khóa của trường Với những lợi thế đó, chắc chắn sinh viên sẽ nắm bắt được nhiều cơ hội để học hỏi và tạo ra những sản phẩm có ích trong tương lai.
Quyển luận văn này được hoàn thành đúng quy định của trường mặc dù bước đầu tìm hiểu và thực hiện về kiến thức mới còn gặp nhiều khó khăn trở ngại nhưng nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy cùng các ý kiến góp ý hỗ trợ của các bạn sinh viên đã giúp chúng em hoàn thành tốt để tài trên Mặc dù rất cố gắng như do kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót không mong muốn mong thầy cô lượng thứ Sau cùng chúng em xin kính chúc thầy cô qua Điện tử và thầy Tống Văn Luyên thật nhiều sức khỏe gặt hái được nhiều thành công trong cuộc sống.
Em xin chân thành cảm ơn!