ỨNG DỤNG INTERNET OF THINGS XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ QUẢN LÝ NHÀ KÍNH

Công Nghệ Thông Tin, it, phầm mềm, website, web, mobile app, trí tuệ nhân tạo, blockchain, AI, machine learning - Công Nghệ Thông Tin, it, phầm mềm, website, web, mobile app, trí tuệ nhân tạo, blockchain, AI, machine learning - Công nghệ thông tin BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM 2018 ỨNG DỤNG INTERNET OF THINGS XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ QUẢN LÝ NHÀ KÍNH Chủ nhiệm đề tài: Võ Xuân Phong, CTK38, 1410349 Lâm Đồng, tháng 62018 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM 2018 ỨNG DỤNG INTERNET OF THINGS XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ QUẢN LÝ NHÀ KÍNH Giáo viên Hƣớng dẫn Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) (ký, họ tên) Xác nhận của cơ quan chủ trì (Ký, họ tên,đóng dấu) Lâm Đồng, tháng 62018 Danh sách những thành viên Sinh viên thực hiện STT MSSV Họ tên Email 1 1410349 Võ Xuân Phong phongvxk38gmail.com 2 1410183 Nguyễn Thanh Tùng ngthtung2805gmail.com Giáo viên hướng dẫn: TS. Trần Ngô Như Khánh MỤC LỤC CHƠNG 1: TỔNG QUAN.................................................................................................1 Phương pháp nghiên cứu ................................................................... 11.1. Nội dung và kết quả nghiên cứu......................................................... 21.2. Công nghệ Internet of Things (IoT) ................................................... 21.3. Các mô hình triển khai IoT ................................................................ 61.4. Một số giao thức truyền dữ liệu sử dụng trong IoT. ........................... 91.5. CHƠNG 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ......................................................13 Ứng dụng trên máy chủ (Server) ...................................................... 132.1. Cơ sở dữ liệu lưu trữ........................................................................ 142.2. Ứng dụng di động ............................................................................ 142.3. Hệ thống thiết bị tại nhà kính ........................................................... 152.4. CHƠNG 3: TRIỂN KHAI HỆ THỐNG .........................................................................17 Mô tả hệ thống................................................................................. 173.1. Một số kết quả xây dựng hệ thống ................................................... 273.2. CHƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................33 Kết luận ........................................................................................... 334.1. Hướng phát triển.............................................................................. 334.2. TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................34 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1. 1 Kiến trúc hệ thống IoT....................................................................... 1 Hình 1. 2 Hình ảnh tổng quan về IOT ............................................................... 3 Hình 1. 3 Các thành phần cơ sở của IoT ............................................................ 4 Hình 1. 4 Các mô hình triển khai trong IOT ...................................................... 7 Hình 1. 5 Mô hình hoạt động của MQTT .......................................................... 9 Hình 1. 6 Mô hình giao thức CoAP và HTTP .................................................. 10 Hình 1. 7 Mô hình hoạt động của Websocket .................................................. 11 Hình 2. 1 Mô hình tổng quan hệ thống ............................................................ 13 Hình 2. 2 Mô hình hoạt động của RESTful API .............................................. 15 Hình 3. 1 Mô hình triển khai ........................................................................... 18 Hình 3. 2 Bộ điều khiển tại nhà kính ............................................................... 19 Hình 3. 3 Màn hình thống kê của ứng dụng web ............................................. 28 Hình 3. 4 Màn hình điều khiển của ứng dụng web........................................... 28 Hình 3. 5 Màn hình cấu hình tự động .............................................................. 29 Hình 3. 6 Màn hình đăng nhập của ứng dụng di động ..................................... 29 Hình 3. 7 Màn hình điều khiển của ứng dụng di động ..................................... 30 Hình 3. 8 Màn hình xem thông số môi trường trên ứng dụng di động.............. 31 Hình 3. 9 Màn hình thống kê thông số môi trường trên ứng dụng di động ....... 32 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Danh mục các loại thiết bị tại nhà kính............................................ 16 Bảng 2. 1 Danh mục các thiết bị tại nhà kính .................................................. 21 MỞ ĐẦU Internet kết nối vạn vật – Internet of Things (IoT) là một mạng toàn cầu các thiết bị truyền thông được kết nối với nhau. IoT tích hợp các khái niệm truyền thông mọi lúc mọi nơi, tính toán tự động và thông minh. Trong môi trường IoT, “mọi th ứ” (things), đặc biệt là các vật dụng hàng ngày như đồ dùng gia dụng, quần áo, xe cộ, đường xá, các vật liệu thông minh,… đều có thể đọc được, nhận dạng, định vị và có thể điều khiển thông qua internet 1. Điều này tạo ra nền tảng cho nhiều ứng dụ ng mới như các ứng dụng giám sát và điều khiển áp dụng cho nhi ều lĩnh vực trong đó có nông nghiệp. Hiện nay, trong xu thế của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, nông nghiệp công nghệ cao là một trong những định hướng chính để phát triển kinh tế - xã hội của nước ta. Riêng đối với Lâm Đồng, một địa phương rất có thế mạnh trong phát triển kinh tế nông nghiệp với điều kiện khí hậu, đất đai thích hợp với 4 vùng sinh thái đặc trưng, có gần 209.000 ha đất đỏ bazan thuận lợi cho phát triển đa dạng, quanh năm nhiều chủ ng loại cây trồng như rau, hoa, chè, cà phê, tiêu, điều, cây ăn trái, phát triển chăn nuôi bò sữa, nuôi cá nước lạnh, ứng dụng IoT trong sản xuất nông nghiệp cũng đã trở thành một nhu cầu cấp thiết. Toàn tỉnh hiện có hơn 50.000ha đất sản xuất nông nghiệp sả n xuất theo mô hình ứng dụng công nghệ cao, chiếm 18 tổng diện tích sản xuất nông nghiệp, tỷ trọng giá trị sản xuất nông nghiệp công nghệ cao đạt 30 giá trị toàn ngành, 80 giá trị xuất khẩu toàn tỉnh. Đã có rất nhiều mô hình ứng dụng IoT trong nông nghiệp đã được triển khai và thực hiện. Chẳng hạn như mô hình ứng dụng IoT vào trồng cây trong nhà lưới, nhà kính thông qua hệ thống giám sát thông số môi trường, như: độ pH, độ dẫn điện EC của dung dịch thủy canh, nhiệt độ, độ ẩm không khí hay mô hình điều khiển thông minh cho vườn cây thông qua việc giám sát nhiệt độ và độ ẩm không khí; thông tin về độ ẩm đất được theo dõi và ghi nhận; gi ảm chi phí nhân công, tăng năng suất và giảm lượng nước tiêu thụ. Hay mô hình tăng năng suất bằ ng kỹ thuật chiếu sáng hiệu quả nhằm rút ngắn thời gian canh tác, tăng sản lượng đế n hai lần, cải thiện chất lượng rau quả (màu sắc, chất dinh dưỡng). Tuy nhiên, việc ứng dụng IoT trong nông nghiệp công nghệ cao còn gặp nhiều khó khăn như chi phí đầu tư ban đầu lớn; tồn tại tâm lý ngại thay đổi, ứng dụng giải pháp công nghệ, kỹ thuật mới; sự liên kết giữa nghiên cứu - quản lý và chuyển giao - ứng dụng còn rời rạc. Theo thống kê năm 2017, trên địa bàn tỉnh hiện có khoả ng 15 trang trạidoanh nghiệp ứng dụng IoT nhưng chỉ tập trung ở những doanh nghiệp lớn, chưa áp dụng rộng rãi được mô hình cho nhiều trang trại và hộ nông dân khác 2. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu các kiến trúc và nền tảng IoT để ứng dụng xây dựng hệ thống mô phỏng hỗ trợ quản lý nhà kính, hướng tới việc tiếp cận phát triển ứng dụng nhà kính thông minh có chi phí triển khai thấp và có thể ứng dụng rộng rãi. Đề tài “Ứng dụng Internet of Things xây dựng hệ thống hỗ trợ qu ản lý nhà kính” được thực hiện góp phần giải quyết các vấn đề trên. Hệ thống sẽ cung cấp các chức năng hỗ trợ quản lý và điều khiển các thiết bị của nhà kính theo thời gian thự c, thu thập thông số môi trường, hệ thống có thể tự động hóa dựa trên thông số môi trường được gửi lên từ các cảm biến hoặc do người dùng lập lịch cho thiết bị bật tắt tự động theo thời gian, thống kê và lập báo cáo. TRANG 1 CHƠNG 1: TỔNG QUAN Phƣơng pháp nghiên cứu1.1. Hướng tiếp cận của đề tài là dựa trên việc tìm hiểu, nghiên cứu kiến trúc, công nghệ và các ứng dụng của IoT, đặc biệt là trong lĩnh vực nông nghiệp công nghệ cao để phát triển hệ thống IoT quản lý nhà kính. Kiến trúc của hệ thống IoT có thể chia làm 05 tầng: tầng nhận thức (Perception Layer), tầng mạng (Network layer), tầ ng trung gian (Middleware layer), tầng ứng dụng (Application layer) và tầng nghiệp vụ (Bussiness layer) 3. Tầng nhận thức gồm các cảm biến và thiết bị chấp hành sử dụ ng trong IoT. Tầng mạng làm nhiệm vụ chuyển dữ liệu tạo ra bởi các thiết bị vật lý của tầng nhậ n thức đến tầng trung gian thông qua các công nghệ như RFID, ZigBee, WPAN, WSN, DSL, UMTS, GPRS, WiFi, WiMax, LAN, WAN, 3G và LTE. Tầng trung gian có chức năng chính là quản lý dịch vụ, kết nối dịch vụ với nơi yêu cầu thông qua các cơ chế dùng địa chỉ và tên để cung cấp khả năng độc lập với phần cứng. Trong khi đó, tầng ứng dụng cung cấp các dịch vụ được yêu cầu bởi người dùng. Dựa trên những thông tin có được từ tầng ứng dụng, tầng nghiệp vụ - có nhiệm vụ quản lý các hoạt động tổng thể của hệ thống IoT - sẽ xây dựng các mô hình nghiệp vụ, đồ thị, biểu đồ,… Hình 1. 1 Kiến trúc hệ thống IoT TRANG 2 Dựa trên kiến trúc này, đề tài tập trung vào tầng ứng dụng để xây dựng hệ thố ng hỗ trợ quản lý nhà kính. Để minh họa cho hoạt động của nhà kính, một bộ điều khiể n khiển được thiết kế và phát triển dựa trên board mạch vi xử lý Ardunio. Bộ điều khiển được kết nối đến các thiết bị như thiết bị cảm biến, thiết bị chấp hành (actuator). Ứ ng dụng được xây dựng dựa trên công nghệ điện toán đám mây, hỗ trợ nền tảng thiết bị di động. Nội dung và kết quả nghiên cứu1.2. Hệ thống hỗ trợ quản lý nhà kính được được xây dựng g ồm các chức năng chính như quản lý và điều khiển các thiết bị thời gian thực, thu thập thông số môi trường, tự động hóa hoạt động thiết bị dựa trên thông số môi trường hoặc do người dùng lập lịch, thống kê và xem thông số theo nhiều khung thời gian. Công nghệ Internet of Things (IoT)1.3. 1.3.1. Khái niệm Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nố i Internet viết tắt là IoT (tiếng Anh: Internet of Things) là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thu thập thông tin về môi trường xung quanh để thực hiện một công việc nào đó. TRANG 3 Hình 1. 2 Hình ảnh tổng quan về IOT 1.3.2. Đặc điểm của Internet of Things. Tính năng kết nối liên thông (interconnectivity): Đối với IOT bất cứ thứ gì cũng có thể kết nối được với nhau nhờ mạng lưới thông tin và các cơ sở hạ tầng liên lạ c tổng thể. Các thành phần cơ sở của IoT gồm có: sự định danh, sự thụ cảm, truy ền thông, tính toán, các dịch vụ và ngữ nghĩa1. TRANG 4 Hình 1. 3 Các thành phần cơ sở của IoT Sự định danh là yếu tố cần thiết của việc phát triển hệ thống IoT để đảm bả o việc xác định các đối tượng cùng với dịch vụ được yêu cầu. Có nhiều phương pháp định danh như sử dụng mã thiết bị điện tử (EPC) và mã rộng kh ắp (uCode). Ngoài ra còn có các cơ chế định địa chỉ như địa chỉ IP. Các phương thức định địa chỉ phổ biế n hiện nay gồm IPv4, IPv6 và 6LoWPAN-một giao thức cung cấp chức năng nén gói tin IPv6. Với không gian địa chỉ của giao thức IPv6 sẽ đảm bảo cung cấp đủ cho nhu cầ u rất lớn của các thiết bị IoT. Phần cảm biến làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ môi trường và gửi đến cơ sở dữ liệu đặt cục bô cùng vị trí với cảm biến hoặc các cơ sở dữ liệu ở xa, kết n ối thông qua các công nghệ điện toán đám mây. Các cảm biến có thể thấy trong hệ thống IoT như cảm biến thông minh, thiết bị chấp hành, hoặc cảm biến trong thiết bị đeo trên người. Sự truyền thông là thành phần thiết yếu của tất cả các thiết bị IoT. Do nhữ ng giới hạn xuất phát từ đặc điểm của vạn vật (things), ví dụ như pin nguồn hoạt độ ng hay giới hạn về phạm vi truyền dữ liệu, nhiều giao thức truyền thông khác nhau được sử dụng như WiFi, ZigBee, GSM, GPRS, UMTS, 3G, LTE và 5G. Chuẩn IEEE 802.15.4e được phát hành bởi IEEE vào năm 2012 đã cải tiến và bổ sung một số tính năng so với chuẩn 802.15.4 trước đó, để giải quyết yêu cầu cấp thiết của các ứng dụng trong công nghiệp nhúng. Ngoài ra còn có một số kỹ thuật truy ền thông khác như RFID, NFC và Beacons (Bluetooth Low Energy). CwT+ (Window tree plus)-giao thức TRANG 5 xử lý xung đột sử dụng ít bộ nhớ được đề xuất để làm đơn giản quá trình giải quyết xung động của mạng RFID. Trong đó, một thẻ NFC có giá thành thấp, cho phép các thiết bị có thể dễ dàng giao tiếp với điện thoại thông minh hay máy tính. Còn công nghệ Bluetooth 4.2 cung cấp đặt tính Bluetooth Low Energy, một công nghệ truyền thông tiêu thụ ít năng lượng, được áp dụng trong các mạng 6LoWPAN. Hơn nữa, IoT được triển khai trên nhiều nền tảng phần c ứng khác nhau như Arduino, Intel Galileo, Raspberry Pi hay ESP8266. Các công nghệ điện toán đám mây cũng đóng vai trò quan trọng trong chức năng tính toán của hệ thống IoT bởi vì cung cấp các tính năng lưu trữ và xử lý dữ liệu thời gian thực. Các dịch vụ IoT có thể phân thành các nhóm dịch vụ như Đị nh danh (Identity related), tập hợp thông tin (Information aggregation) , cộng tác (Collaborative-Aware) và rộng khắp (Ubiquitous). Dịch vụ định danh tập trung vào việc xác định các thự c thể, trong khi dịch vụ tập hợp thu thập dữ liệu từ cảm biến và gửi cho ứng dụng phía sau. Dịch vụ cộng tác đưa ra quyết định dựa trên kết quả phân tích dữ liệu thu được và dịch vụ rộng khắp giúp dịch vụ cộng tác hoạt động mọi lúc mọi nơi. Khái niệm ngữ nghĩa trong IoT quan tâm đến khả năng rút trích tri thức từ máy để cung cấp theo yêu cầu bằng cách khai phá và sử d ụng các tài nguyên và mô hình hóa thông tin. Ví dụ về các công nghệ web ngữ nghĩa (Semantic web) gồ m Resource Description Framework (RDF) and the Web Ontology Language (OWL). 1.3.3. Ứng dụng của Internet of Things Internet of Things có thể ứng dụng được trong bất kì lĩnh vực nào mà chúng ta muốn. Một số lĩnh vực nổi bật hiện nay được ứng dụng IoT nhiều nhất như:  Nhà kính thông minh  Ngôi nhà thông minh  Quản lý các thiết bị cá nhân: thiết bị đeo tay để đo nhịp tim huyết áp  Quản lý môi trường:  Xử lý trong các tình huống khẩn cấp  Quản lý giao thông  Lĩnh vực mua sắm thông minh  Đồ dùng sinh hoạt hằng ngày: như máy pha coffee, bình nóng lạnh TRANG 6  Tự động hóa: các công xưởng sản xuất xe hơi đã áp dụng công nghệ IoT để cắt giảm hầu hết các công nhân, thay vào đó là các bộ máy tích hợp trí thông minh nhân tạo cho năng suất tăng gấp nhiều lần và độ chính xác cao hơn. 1.3.4. u và nhƣợc điểm của Internet of Things Ưu điểm:  Kết nối và truy xuất thông tin nhanh  Tiện dụng cho mọi hoạt động của con người  Tiết kiệm được thời gian khi sử dụng IOT  Nâng cao năng xuất trong lao động và sản xuất Nhược điểm:  Chi phí để triền khai hệ thống hoàn thiện cao  Tính bảo mật về thông tin chưa cao Các mô hình triển khai IoT1.4. Bài toán truyền thông trong IoT chủ yếu liên quan tới những vấn đề phát sinh trong việc truyền thông giữa 3 nhóm: thiết bị, gateways và cloud. Cụ thể hơn thì quá trình truyền thông đó chủ yếu liên quan tới trao đổi message (thông điệp). Việc trao đổi message thường tuân theo một mô hình truyền thông nhất định. Và với m ỗi mô hình truyền thông thì cách trao đổi message lại khác nhau đôi chút. Để lựa chọn đượ c giải pháp truyền thông phù hợp cho sản phẩm IoT, chúng ta nên xem xét đầy đủ các mô hình truyền thông IoT. Dựa vào cách thức trao đổi thông điệp (message), ta có thể chia các mô hình truyền thông IoT thành 4 nhóm như sau:  Từ xa (Telemetry): dữ liệu di chuyển một chiều từ thiết bị đến hệ thố ng. Mục đích là gửi trạng thái của thiết bị lên phía hệ thống  Yêu cầu (Inquiry): gửi các yêu cầu của thiết bị lên hệ thống, các yêu cầu này liên quan tới việc thu thập các thông tin mà thiết bị hiện tại không thu thập được. Các thông tin đó được dùng để kích hoạt một sự kiện nào đó được mô tả từ trước TRANG 7  Lệnh (Command): gửi mệnh lệnh từ hệ thống tới thiết bị hoặc 1 nhóm thiết bị để bắt các thiết bị đó thực thi một công việc cụ thể, đồng thời yêu cầu trả về trạng thái thực thi công việc  Thông báo (Notification): gần giống với Telemetry, ở mô hình này, thông tin cũng di chuyển 1 chiều, nhưng là từ hệ thống tới các thiết bị (chiều ngược lại so với Telemetry) Ta có thể hình dung một cách trực quan về 4 mô hình này như sau: Hình 1. 4 Các mô hình triển khai trong IOT Mỗi mô hình trên có thể cần đến việc lưu trữ dữ liệu. Khi đó, các cơ chế store forward (lưu trữ và chuyên tiếp) sẽ được tận dụng (ví dụ: hàng đợi, topicsubscription trong các broker hoặc socket trong các room). N ếu bên gửi và bên nhận cùng online, ta có thể dùng các giải pháp direct message (tin nhắn trực tiếp). Cơ chế store forward thường được áp dụng trong mô hình Command. Bởi vì khi gửi lệnh cho một thiết bị thì thiết bị đó có thể không online... Tình huống này lại phát sinh ra một giải pháp khác, đó là sử dụng thuộc tính TTL cho message (Time To Live). Khi thiết bị trở lại trạng thái online, TTL giúp device tránh được việc thực thi các lệnh quá cũ hoặc một giải pháp nữa là lưu trữ các trạng thái xuống database và khi thiết bị online trở lại thì việc đầu tiên là yêu cầu trạng thái và các message đã được lưu trữ để thiết bị có thể cập nhật lại trạng thái mới nhất. Direct message (tin nhắn trự c tiếp) thì lại được áp dụng cho mô hình Telemetry (mặc dù đôi khi lưu trữ các dữ liệ u gửi bằng mô hình Telemetry vẫn có ích). TRANG 8 1.4.1. Telemetry Giao thức HTTP có thể thực thi mô hình này theo 2 cách: hoạt động như mộ t client, gửi yêu cầu PUTPOST chứa các thông tin trạng thái cần cập nhật sang một hệ thống khác hoặc hoạt động như một server, nhận những yêu cầu GET từ các hệ thống khác để thu thập dữ liệu. Trong bất kì trường hợp nào, việc thực thi này xoay quanh 2 hành động chính là request reply (yêu cầu hồi đáp). 1.4.2. Inquiry Sử dụng HTTP để gán vào mô hình này khá đơn giản vì bản thân giao thức HTTP đã hoạt động dưới hình thức gửi request - nh ận response. Do đó, khi implement theo mô hình Inquiry, việc trao đổi thông điệp với HTTP chỉ xoay quanh các yêu cầ u GET từ thiết bị lên hệ thống để lấy thông tin. 1.4.3. Command Mô hình này hơi ngược so với Inquiry, bên bắt đầu quá trình truyền thông lại là hệ thống chứ không phải thiết bị. Với giao thức HTTP, mô hình này có thể implement bằng cách cho thiết bị nhận một trong 2 vai trò: client hoặc server. Nếu thiết bị hoạt động như một server, hệ thống sẽ gửi yêu cầu POST và chờ đợi phản hồi tương ứng (đồng bộ hóa) từ phía thiế t bị để biết quá trình thực thi mệnh lệnh có diễn ra suôn sẻ không... Nếu thiết bị hoạt động như client, thiết bị sẽ gửi GET request lên hệ thống để hỏi xem có mệnh lệnh nào cần thực thi không. Nếu không có lệnh nào, client sẽ phải đợi (đồng bộ hóa ). Sau khi nhận và thực thi lệnh, thiết bị sẽ gửi POST request lên hệ thống để thông báo kết quả thực thi mệnh lệnh. 1.4.4. Notification Mô hình này ngược với Telemetry, luồng lưu thông thông điệp thì lại gần giố ng với mô hình Command, tuy nhiên việc trao đổi thông điệp theo mô hình Notification không cần phản hồi cho mỗi thông điệp nhận được. Với giao thức HTTP, thiết bị nhận thông báo từ hệ thống. Trong quá trình truyền thông với thiết bị, hệ thống hoạt động như một server (hệ thống sẽ gửi yêu POST) hoặc client (hệ thống sẽ gửi yêu cầu GET). Nếu hệ thống hoạt động như một client, nó chỉ có thể phản hồi khi thông báo từ phía thiết bị đã sẵn sàng hoặc phản hồ i ngay lập tức. TRANG 9 Một số giao thức truyền dữ liệu sử dụng trong IoT.1.5. 1.5.1. MQTT MQTT là một giao thức publishsubscribe bản tin, được thiết kế cho công nghệ M2M (Machine to Machine) gọn nhẹ. MQTT kiểm soát các gói tin header được giữ sao cho càng nhỏ càng tốt. Mỗi gói tin điều khiển MQTT bao gồm ba phần, phần header cố định, phần header thay đổi và payload. Mỗi gói tin điều khiển MQTT có header cố định 2 byte. Không phải tất cả các gói tin điều khiển có phần header thay đổi và payload. Phần header thay đổi chứa thông tin nhận dạng của gói tin nếu nó được sử dụng bởi gói tin kiểm soát. Phần payload có dung lượng lên đến 256 MB được đính kèm trong các gói tin. Việc có mộ t header nhỏ làm cho giao thức này phù hợp với ứng dụng IoT b ằng cách giảm lưu lượng dữ liệu truyền qua mạng hạn chế băng thông. Hình 1. 5 Mô hình hoạt động của MQTT 1.5.1.1. u điểm  Ít tốn băng thông  Độ tin cậy cao 1.5.1.2. Nhƣợc điểm  Độ bảo mật thông tin không cao 1.5.2. CoAP CoAP là một giao thức truyền tải tài liệu theo mô hình clientserver dựa trên internet tương tự như giao thức HTTP nhưng được thiết kế cho các thiết bị ràng buộ c. Giao thức này hỗ trợ một giao thức one-to-one để chuyển đổi trạng thái thông tin giữa client và server. TRANG 10 CoAP sử dụng UDP (User Datagram Protocol), không hỗ trợ TCP, ngoài ra còn hỗ trợ địa chỉ broadcast và multicast, truyền thông CoAP thông qua các datagram phi kết nối (connectionless) có thể được sử dụng trên các giao thức truy ền thông dựa trên các gói. UDP có thể dễ dàng triển khai trên các vi điều khiển hơn TCP nhưng các công cụ bảo mật như SSLTSL không có sẵn, tuy nhiên ta có thể sử dụng Datagram Transport Layer Security (DTLS) để thay thế. Hình 1. 6 Mô hình giao thức CoAP và HTTP 1.5.2.1. u điểm  Dễ cài đặt và triển khai 1.5.2.2. Nhƣợc điểm  Không bảo mật 1.5.3. Websocket WebSoket là công nghệ hỗ trợ giao tiếp hai chiều giữa client và server bằng cách sử dụng một TCP socket để tạo một kết nối hiệu quả và ít tốn kém. Mặc dù đượ c thiết kế để chuyên sử dụng cho các ứng dụng web, lập trình viên vẫn có thể đưa chúng vào bất kì loại ứng dụng nào. TRANG 11 Hình 1. 7 M...

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM 2018

ỨNG DỤNG INTERNET OF THINGS XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ QUẢN LÝ NHÀ KÍNH

Chủ nhiệm đề tài: Võ Xuân Phong, CTK38, 1410349

Lâm Đồng, tháng 6/2018

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM 2018

ỨNG DỤNG INTERNET OF THINGS XÂY DỰNG HỆ THỐNG HỖ TRỢ

Danh sách những thành viên

Sinh viên thực hiện

1 1410349 Võ Xuân Phong phongvxk38@gmail.com

2 1410183 Nguyễn Thanh Tùng ngthtung2805@gmail.com

Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Ngô Như Khánh

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ HỆ THỐNG 13

Ứng dụng trên máy chủ (Server) 13

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Kiến trúc hệ thống IoT 1

Hình 1 2 Hình ảnh tổng quan về IOT 3

Hình 1 3 Các thành phần cơ sở của IoT 4

Hình 1 4 Các mô hình triển khai trong IOT 7

Hình 1 5 Mô hình hoạt động của MQTT 9

Hình 1 6 Mô hình giao thức CoAP và HTTP 10

Hình 1 7 Mô hình hoạt động của Websocket 11

Hình 2 1 Mô hình tổng quan hệ thống 13

Hình 2 2 Mô hình hoạt động của RESTful API 15

Hình 3 1 Mô hình triển khai 18

Hình 3 2 Bộ điều khiển tại nhà kính 19

Hình 3 3 Màn hình thống kê của ứng dụng web 28

Hình 3 4 Màn hình điều khiển của ứng dụng web 28

Hình 3 5 Màn hình cấu hình tự động 29

Hình 3 6 Màn hình đăng nhập của ứng dụng di động 29

Hình 3 7 Màn hình điều khiển của ứng dụng di động 30

Hình 3 8 Màn hình xem thông số môi trường trên ứng dụng di động 31

Hình 3 9 Màn hình thống kê thông số môi trường trên ứng dụng di động 32

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Danh mục các loại thiết bị tại nhà kính 16 Bảng 2 1 Danh mục các thiết bị tại nhà kính 21

MỞ ĐẦU

Internet kết nối vạn vật – Internet of Things (IoT) là một mạng toàn cầu các thiết bị truyền thông được kết nối với nhau IoT tích hợp các khái niệm truyền thông mọi lúc mọi nơi, tính toán tự động và thông minh Trong môi trường IoT, “mọi thứ” (things), đặc biệt là các vật dụng hàng ngày như đồ dùng gia dụng, quần áo, xe cộ, đường xá, các vật liệu thông minh,… đều có thể đọc được, nhận dạng, định vị và có thể điều khiển thông qua internet [1] Điều này tạo ra nền tảng cho nhiều ứng dụng mới như các ứng dụng giám sát và điều khiển áp dụng cho nhiều lĩnh vực trong đó có nông nghiệp

Hiện nay, trong xu thế của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, nông nghiệp công nghệ cao là một trong những định hướng chính để phát triển kinh tế - xã hội của nước ta Riêng đối với Lâm Đồng, một địa phương rất có thế mạnh trong phát triển kinh tế nông nghiệp với điều kiện khí hậu, đất đai thích hợp với 4 vùng sinh thái đặc trưng, có gần 209.000 ha đất đỏ bazan thuận lợi cho phát triển đa dạng, quanh năm nhiều chủng loại cây trồng như rau, hoa, chè, cà phê, tiêu, điều, cây ăn trái, phát triển chăn nuôi bò sữa, nuôi cá nước lạnh, ứng dụng IoT trong sản xuất nông nghiệp cũng đã trở thành một nhu cầu cấp thiết Toàn tỉnh hiện có hơn 50.000ha đất sản xuất nông nghiệp sản xuất theo mô hình ứng dụng công nghệ cao, chiếm 18% tổng diện tích sản xuất nông nghiệp, tỷ trọng giá trị sản xuất nông nghiệp công nghệ cao đạt 30% giá trị toàn ngành, 80% giá trị xuất khẩu toàn tỉnh Đã có rất nhiều mô hình ứng dụng IoT trong nông nghiệp đã được triển khai và thực hiện Chẳng hạn như mô hình ứng dụng IoT vào trồng cây trong nhà lưới, nhà kính thông qua hệ thống giám sát thông số môi trường, như: độ pH, độ dẫn điện EC của dung dịch thủy canh, nhiệt độ, độ ẩm không khí hay mô hình điều khiển thông minh cho vườn cây thông qua việc giám sát nhiệt độ và độ ẩm không khí; thông tin về độ ẩm đất được theo dõi và ghi nhận; giảm chi phí nhân công, tăng năng suất và giảm lượng nước tiêu thụ Hay mô hình tăng năng suất bằng kỹ thuật chiếu sáng hiệu quả nhằm rút ngắn thời gian canh tác, tăng sản lượng đến hai lần, cải thiện chất lượng rau quả (màu sắc, chất dinh dưỡng)

Tuy nhiên, việc ứng dụng IoT trong nông nghiệp công nghệ cao còn gặp nhiều khó khăn như chi phí đầu tư ban đầu lớn; tồn tại tâm lý ngại thay đổi, ứng dụng giải pháp công nghệ, kỹ thuật mới; sự liên kết giữa nghiên cứu - quản lý và chuyển giao -

ứng dụng còn rời rạc Theo thống kê năm 2017, trên địa bàn tỉnh hiện có khoảng 15 trang trại/doanh nghiệp ứng dụng IoT nhưng chỉ tập trung ở những doanh nghiệp lớn, chưa áp dụng rộng rãi được mô hình cho nhiều trang trại và hộ nông dân khác [2]

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu các kiến trúc và nền tảng IoT để ứng dụng xây dựng hệ thống mô phỏng hỗ trợ quản lý nhà kính, hướng tới việc tiếp cận phát triển ứng dụng nhà kính thông minh có chi phí triển khai thấp và có thể ứng dụng rộng rãi

Đề tài “Ứng dụng Internet of Things xây dựng hệ thống hỗ trợ quản lý nhà kính” được thực hiện góp phần giải quyết các vấn đề trên Hệ thống sẽ cung cấp các chức năng hỗ trợ quản lý và điều khiển các thiết bị của nhà kính theo thời gian thực, thu thập thông số môi trường, hệ thống có thể tự động hóa dựa trên thông số môi trường được gửi lên từ các cảm biến hoặc do người dùng lập lịch cho thiết bị bật tắt tự động theo thời gian, thống kê và lập báo cáo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Phương pháp nghiên cứu 1.1.

Hướng tiếp cận của đề tài là dựa trên việc tìm hiểu, nghiên cứu kiến trúc, công nghệ và các ứng dụng của IoT, đặc biệt là trong lĩnh vực nông nghiệp công nghệ cao để phát triển hệ thống IoT quản lý nhà kính Kiến trúc của hệ thống IoT có thể chia làm 05 tầng: tầng nhận thức (Perception Layer), tầng mạng (Network layer), tầng trung gian (Middleware layer), tầng ứng dụng (Application layer) và tầng nghiệp vụ (Bussiness layer) [3]

Tầng nhận thức gồm các cảm biến và thiết bị chấp hành sử dụng trong IoT Tầng mạng làm nhiệm vụ chuyển dữ liệu tạo ra bởi các thiết bị vật lý của tầng nhận thức đến tầng trung gian thông qua các công nghệ như RFID, ZigBee, WPAN, WSN, DSL, UMTS, GPRS, WiFi, WiMax, LAN, WAN, 3G và LTE Tầng trung gian có chức năng chính là quản lý dịch vụ, kết nối dịch vụ với nơi yêu cầu thông qua các cơ chế dùng địa chỉ và tên để cung cấp khả năng độc lập với phần cứng Trong khi đó, tầng ứng dụng cung cấp các dịch vụ được yêu cầu bởi người dùng Dựa trên những thông tin có được từ tầng ứng dụng, tầng nghiệp vụ - có nhiệm vụ quản lý các hoạt động tổng thể của hệ thống IoT - sẽ xây dựng các mô hình nghiệp vụ, đồ thị, biểu đồ,…

Hình 1 1 Kiến trúc hệ thống IoT

Dựa trên kiến trúc này, đề tài tập trung vào tầng ứng dụng để xây dựng hệ thống hỗ trợ quản lý nhà kính Để minh họa cho hoạt động của nhà kính, một bộ điều khiển khiển được thiết kế và phát triển dựa trên board mạch vi xử lý Ardunio Bộ điều khiển được kết nối đến các thiết bị như thiết bị cảm biến, thiết bị chấp hành (actuator) Ứng dụng được xây dựng dựa trên công nghệ điện toán đám mây, hỗ trợ nền tảng thiết bị di động

Nội dung và kết quả nghiên cứu 1.2.

Hệ thống hỗ trợ quản lý nhà kính được được xây dựng gồm các chức năng chính như quản lý và điều khiển các thiết bị thời gian thực, thu thập thông số môi trường, tự động hóa hoạt động thiết bị dựa trên thông số môi trường hoặc do người dùng lập lịch, thống kê và xem thông số theo nhiều khung thời gian

Công nghệ Internet of Things (IoT) 1.3.

1.3.1 Khái niệm

Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet viết tắt là IoT (tiếng Anh: Internet of Things) là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thu thập thông tin về môi trường xung quanh để thực hiện một công việc nào đó

Hình 1 2 Hình ảnh tổng quan về IOT

1.3.2 Đặc điểm của Internet of Things

Tính năng kết nối liên thông (interconnectivity): Đối với IOT bất cứ thứ gì cũng có thể kết nối được với nhau nhờ mạng lưới thông tin và các cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể

Các thành phần cơ sở của IoT gồm có: sự định danh, sự thụ cảm, truyền thông, tính toán, các dịch vụ và ngữ nghĩa[1]

Hình 1 3 Các thành phần cơ sở của IoT

Sự định danh là yếu tố cần thiết của việc phát triển hệ thống IoT để đảm bảo việc xác định các đối tượng cùng với dịch vụ được yêu cầu Có nhiều phương pháp định danh như sử dụng mã thiết bị điện tử (EPC) và mã rộng khắp (uCode) Ngoài ra còn có các cơ chế định địa chỉ như địa chỉ IP Các phương thức định địa chỉ phổ biến hiện nay gồm IPv4, IPv6 và 6LoWPAN-một giao thức cung cấp chức năng nén gói tin IPv6 Với không gian địa chỉ của giao thức IPv6 sẽ đảm bảo cung cấp đủ cho nhu cầu rất lớn của các thiết bị IoT

Phần cảm biến làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ môi trường và gửi đến cơ sở dữ liệu đặt cục bô cùng vị trí với cảm biến hoặc các cơ sở dữ liệu ở xa, kết nối thông qua các công nghệ điện toán đám mây Các cảm biến có thể thấy trong hệ thống IoT như cảm biến thông minh, thiết bị chấp hành, hoặc cảm biến trong thiết bị đeo trên người

Sự truyền thông là thành phần thiết yếu của tất cả các thiết bị IoT Do những giới hạn xuất phát từ đặc điểm của vạn vật (things), ví dụ như pin nguồn hoạt động hay giới hạn về phạm vi truyền dữ liệu, nhiều giao thức truyền thông khác nhau được sử dụng như WiFi, ZigBee, GSM, GPRS, UMTS, 3G, LTE và 5G Chuẩn IEEE 802.15.4e được phát hành bởi IEEE vào năm 2012 đã cải tiến và bổ sung một số tính năng so với chuẩn 802.15.4 trước đó, để giải quyết yêu cầu cấp thiết của các ứng dụng trong công nghiệp nhúng Ngoài ra còn có một số kỹ thuật truyền thông khác như RFID, NFC và Beacons (Bluetooth Low Energy) CwT+ (Window tree plus)-giao thức

xử lý xung đột sử dụng ít bộ nhớ được đề xuất để làm đơn giản quá trình giải quyết xung động của mạng RFID Trong đó, một thẻ NFC có giá thành thấp, cho phép các thiết bị có thể dễ dàng giao tiếp với điện thoại thông minh hay máy tính Còn công nghệ Bluetooth 4.2 cung cấp đặt tính Bluetooth Low Energy, một công nghệ truyền thông tiêu thụ ít năng lượng, được áp dụng trong các mạng 6LoWPAN

Hơn nữa, IoT được triển khai trên nhiều nền tảng phần cứng khác nhau như Arduino, Intel Galileo, Raspberry Pi hay ESP8266 Các công nghệ điện toán đám mây cũng đóng vai trò quan trọng trong chức năng tính toán của hệ thống IoT bởi vì cung cấp các tính năng lưu trữ và xử lý dữ liệu thời gian thực

Các dịch vụ IoT có thể phân thành các nhóm dịch vụ như Định danh (Identity related), tập hợp thông tin (Information aggregation) , cộng tác (Collaborative-Aware) và rộng khắp (Ubiquitous) Dịch vụ định danh tập trung vào việc xác định các thực thể, trong khi dịch vụ tập hợp thu thập dữ liệu từ cảm biến và gửi cho ứng dụng phía sau Dịch vụ cộng tác đưa ra quyết định dựa trên kết quả phân tích dữ liệu thu được và dịch vụ rộng khắp giúp dịch vụ cộng tác hoạt động mọi lúc mọi nơi

Khái niệm ngữ nghĩa trong IoT quan tâm đến khả năng rút trích tri thức từ máy để cung cấp theo yêu cầu bằng cách khai phá và sử dụng các tài nguyên và mô hình hóa thông tin Ví dụ về các công nghệ web ngữ nghĩa (Semantic web) gồm Resource Description Framework (RDF) and the Web Ontology Language (OWL)

1.3.3 Ứng dụng của Internet of Things

Internet of Things có thể ứng dụng được trong bất kì lĩnh vực nào mà chúng ta muốn Một số lĩnh vực nổi bật hiện nay được ứng dụng IoT nhiều nhất như:

 Nhà kính thông minh  Ngôi nhà thông minh

 Quản lý các thiết bị cá nhân: thiết bị đeo tay để đo nhịp tim huyết áp  Quản lý môi trường:

 Xử lý trong các tình huống khẩn cấp  Quản lý giao thông

 Lĩnh vực mua sắm thông minh

 Đồ dùng sinh hoạt hằng ngày: như máy pha coffee, bình nóng lạnh

 Tự động hóa: các công xưởng sản xuất xe hơi đã áp dụng công nghệ IoT để cắt giảm hầu hết các công nhân, thay vào đó là các bộ máy tích hợp trí thông minh nhân tạo cho năng suất tăng gấp nhiều lần và độ chính xác cao hơn

1.3.4 Ƣu và nhƣợc điểm của Internet of Things

Ưu điểm:

 Kết nối và truy xuất thông tin nhanh

 Tiện dụng cho mọi hoạt động của con người  Tiết kiệm được thời gian khi sử dụng IOT  Nâng cao năng xuất trong lao động và sản xuất Nhược điểm:

 Chi phí để triền khai hệ thống hoàn thiện cao  Tính bảo mật về thông tin chưa cao

Các mô hình triển khai IoT 1.4.

Bài toán truyền thông trong IoT chủ yếu liên quan tới những vấn đề phát sinh trong việc truyền thông giữa 3 nhóm: thiết bị, gateways và cloud Cụ thể hơn thì quá trình truyền thông đó chủ yếu liên quan tới trao đổi message (thông điệp) Việc trao đổi message thường tuân theo một mô hình truyền thông nhất định Và với mỗi mô hình truyền thông thì cách trao đổi message lại khác nhau đôi chút Để lựa chọn được giải pháp truyền thông phù hợp cho sản phẩm IoT, chúng ta nên xem xét đầy đủ các mô hình truyền thông IoT

Dựa vào cách thức trao đổi thông điệp (message), ta có thể chia các mô hình truyền thông IoT thành 4 nhóm như sau:

 Từ xa (Telemetry): dữ liệu di chuyển một chiều từ thiết bị đến hệ thống

Mục đích là gửi trạng thái của thiết bị lên phía hệ thống

 Yêu cầu (Inquiry): gửi các yêu cầu của thiết bị lên hệ thống, các yêu

cầu này liên quan tới việc thu thập các thông tin mà thiết bị hiện tại không thu thập được Các thông tin đó được dùng để kích hoạt một sự kiện nào đó được mô tả từ trước

 Lệnh (Command): gửi mệnh lệnh từ hệ thống tới thiết bị hoặc 1 nhóm

thiết bị để bắt các thiết bị đó thực thi một công việc cụ thể, đồng thời yêu cầu trả về trạng thái thực thi công việc

 Thông báo (Notification): gần giống với Telemetry, ở mô hình này,

thông tin cũng di chuyển 1 chiều, nhưng là từ hệ thống tới các thiết bị (chiều ngược lại so với Telemetry)

Ta có thể hình dung một cách trực quan về 4 mô hình này như sau:

Hình 1 4 Các mô hình triển khai trong IOT

Mỗi mô hình trên có thể cần đến việc lưu trữ dữ liệu Khi đó, các cơ chế store & forward (lưu trữ và chuyên tiếp) sẽ được tận dụng (ví dụ: hàng đợi, topic/subscription trong các broker hoặc socket trong các room) Nếu bên gửi và bên nhận cùng online, ta có thể dùng các giải pháp direct message (tin nhắn trực tiếp)

Cơ chế store & forward thường được áp dụng trong mô hình Command Bởi vì khi gửi lệnh cho một thiết bị thì thiết bị đó có thể không online Tình huống này lại phát sinh ra một giải pháp khác, đó là sử dụng thuộc tính TTL cho message (Time To Live) Khi thiết bị trở lại trạng thái online, TTL giúp device tránh được việc thực thi các lệnh quá cũ hoặc một giải pháp nữa là lưu trữ các trạng thái xuống database và khi thiết bị online trở lại thì việc đầu tiên là yêu cầu trạng thái và các message đã được lưu trữ để thiết bị có thể cập nhật lại trạng thái mới nhất Direct message (tin nhắn trực tiếp) thì lại được áp dụng cho mô hình Telemetry (mặc dù đôi khi lưu trữ các dữ liệu gửi bằng mô hình Telemetry vẫn có ích)

1.4.1 Telemetry

Giao thức HTTP có thể thực thi mô hình này theo 2 cách: hoạt động như một client, gửi yêu cầu PUT/POST chứa các thông tin trạng thái cần cập nhật sang một hệ thống khác hoặc hoạt động như một server, nhận những yêu cầu GET từ các hệ thống khác để thu thập dữ liệu Trong bất kì trường hợp nào, việc thực thi này xoay quanh 2 hành động chính là request / reply (yêu cầu / hồi đáp)

1.4.2 Inquiry

Sử dụng HTTP để gán vào mô hình này khá đơn giản vì bản thân giao thức HTTP đã hoạt động dưới hình thức gửi request - nhận response Do đó, khi implement theo mô hình Inquiry, việc trao đổi thông điệp với HTTP chỉ xoay quanh các yêu cầu GET từ thiết bị lên hệ thống để lấy thông tin

1.4.3 Command

Mô hình này hơi ngược so với Inquiry, bên bắt đầu quá trình truyền thông lại là hệ thống chứ không phải thiết bị

Với giao thức HTTP, mô hình này có thể implement bằng cách cho thiết bị nhận một trong 2 vai trò: client hoặc server Nếu thiết bị hoạt động như một server, hệ thống sẽ gửi yêu cầu POST và chờ đợi phản hồi tương ứng (đồng bộ hóa) từ phía thiết bị để biết quá trình thực thi mệnh lệnh có diễn ra suôn sẻ không Nếu thiết bị hoạt động như client, thiết bị sẽ gửi GET request lên hệ thống để hỏi xem có mệnh lệnh nào cần thực thi không Nếu không có lệnh nào, client sẽ phải đợi (đồng bộ hóa) Sau khi nhận và thực thi lệnh, thiết bị sẽ gửi POST request lên hệ thống để thông báo kết quả thực thi mệnh lệnh

1.4.4 Notification

Mô hình này ngược với Telemetry, luồng lưu thông thông điệp thì lại gần giống với mô hình Command, tuy nhiên việc trao đổi thông điệp theo mô hình Notification không cần phản hồi cho mỗi thông điệp nhận được

Với giao thức HTTP, thiết bị nhận thông báo từ hệ thống Trong quá trình truyền thông với thiết bị, hệ thống hoạt động như một server (hệ thống sẽ gửi yêu POST) hoặc client (hệ thống sẽ gửi yêu cầu GET) Nếu hệ thống hoạt động như một client, nó chỉ có thể phản hồi khi thông báo từ phía thiết bị đã sẵn sàng hoặc phản hồi ngay lập tức

Một số giao thức truyền dữ liệu sử dụng trong IoT 1.5.

1.5.1 MQTT

MQTT là một giao thức publish/subscribe bản tin, được thiết kế cho công nghệ M2M (Machine to Machine) gọn nhẹ

MQTT kiểm soát các gói tin header được giữ sao cho càng nhỏ càng tốt Mỗi gói tin điều khiển MQTT bao gồm ba phần, phần header cố định, phần header thay đổi và payload Mỗi gói tin điều khiển MQTT có header cố định 2 byte Không phải tất cả các gói tin điều khiển có phần header thay đổi và payload Phần header thay đổi chứa thông tin nhận dạng của gói tin nếu nó được sử dụng bởi gói tin kiểm soát Phần payload có dung lượng lên đến 256 MB được đính kèm trong các gói tin Việc có một header nhỏ làm cho giao thức này phù hợp với ứng dụng IoT bằng cách giảm lưu lượng dữ liệu truyền qua mạng hạn chế băng thông

Hình 1 5 Mô hình hoạt động của MQTT

CoAP là một giao thức truyền tải tài liệu theo mô hình client/server dựa trên internet tương tự như giao thức HTTP nhưng được thiết kế cho các thiết bị ràng buộc Giao thức này hỗ trợ một giao thức one-to-one để chuyển đổi trạng thái thông tin giữa client và server

CoAP sử dụng UDP (User Datagram Protocol), không hỗ trợ TCP, ngoài ra còn hỗ trợ địa chỉ broadcast và multicast, truyền thông CoAP thông qua các datagram phi kết nối (connectionless) có thể được sử dụng trên các giao thức truyền thông dựa trên các gói

UDP có thể dễ dàng triển khai trên các vi điều khiển hơn TCP nhưng các công cụ bảo mật như SSL/TSL không có sẵn, tuy nhiên ta có thể sử dụng Datagram Transport Layer Security (DTLS) để thay thế

Hình 1 6 Mô hình giao thức CoAP và HTTP

WebSoket là công nghệ hỗ trợ giao tiếp hai chiều giữa client và server bằng cách sử dụng một TCP socket để tạo một kết nối hiệu quả và ít tốn kém Mặc dù được thiết kế để chuyên sử dụng cho các ứng dụng web, lập trình viên vẫn có thể đưa chúng vào bất kì loại ứng dụng nào

Hình 1 7 Mô hình hoạt động của Websocket

1.5.3.1 Ƣu điểm

 WebSockets cung cấp khả năng giao tiếp hai chiều mạnh mẽ, có độ trễ thấp và dễ xử lý lỗi Không cần phải có nhiều kết nối như phương pháp Comet long-polling và cũng không có những nhược điểm như Comet streaming

 API cũng rất dễ sử dụng trực tiếp mà không cần bất kỳ các tầng bổ sung nào, so với Comet, thường đòi hỏi một thư viện tốt để xử lý kết nối lại, thời gian chờ timeout, các Ajax request (yêu cầu Ajax), các tin báo nhận và các dạng truyền tải tùy chọn khác nhau (Ajax long-polling và jsonp polling)

1.5.3.2 Nhƣợc điểm

 Nó là một đặc tả mới của HTML5, nên nó vẫn chưa được tất cả các trình duyệt hỗ trợ

 Không có phạm vi yêu cầu nào Do WebSocket là một TCP socket chứ không phải là HTTP request, nên không dễ sử dụng các dịch vụ có phạm vi-yêu cầu, như SessionInViewFilter của Hibernate Hibernate là một framework kinh điển cung cấp một bộ lọc xung quanh một yêu cầu

transaction và liên kết JDBC) được ràng buộc với luồng yêu cầu Khi yêu cầu đó kết thúc, bộ lọc hủy bỏ contest này

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Phần này trình bày tổng quan về các thành phần chính cùng với chức năng tương ứng trong hệ thống Cụ thể, hệ thống được gồm có 4 phân hệ chính như sau:

 Ứng dụng trên máy chủ (Server)  Cơ sở dữ liệu lưu trữ (Database)

 Ứng dụng di động (Mobile Application)  Hệ thống thiết bị tại nhà kính

Hình 2 1 Mô hình tổng quan hệ thống

Ở mô hình trên máy chủ web là trung tâm cho mọi giao tiếp giữa các thiết bị, ứng dụng di động và trang web của người dùng, mọi thông tin về thông số môi trường được gửi lên từ các thiết bị cảm biến sau đó được lưu trữ xuống cơ sở dữ liệu và hiển thị lên màn hình di động cũng như trang web của người sử dụng các thông số môi trường đã được thu thập trước đó cũng như trạng thái của các thiết bị

Ứng dụng trên máy chủ (Server) 2.1.

Đóng vài trò trung tâm của hệ thống, được phát triển dựa trên các công nghệ điện toán đám mây, cung cấp dịch vụ cho người dùng thông qua hai cách thức là ứng dụng web và ứng dụng trên thiết bị di động

Việc giao tiếp với các thiết bị của nhà kính được thực hiện thông qua giao thức Websocket để lấy các thông số môi trường cũng như gửi tín hiệu điều khiển cho thiết