điều khiển và giám sát trại nuôi gà khóa luận tốt nghiệp đại học khoa công nghệ điện

Là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, mang đến những dịch vụ tiên tiến bằng cách kết nối các “Things” cả đối tượng vật lý lẫn các đối tượng ảo Dieu khien va giam

Trang 1

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRẠI NUÔI GÀ

SINH VIÊN : Hồ Quang Duy

Nguyễn Xuân Nguyễn

Dieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe DienDieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe DienDieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe DienDieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe Dien

131Monday, June 10, 20242:09:19 PM2:09:19 PM131Monday, June 10, 20242:09:19 PM2:09:19 PM131Monday, June 10, 20242:09:19 PM2:09:19 PM

Dieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe DienDieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe DienDieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe DienDieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe DienDieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe DienDieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe DienDieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe DienDieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe Dien

Dieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe DienDieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe DienDieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe DienDieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe Dien131Monday, June 10, 20242:09:22 PM2:09:22 PM131Monday, June 10, 20242:09:22 PM2:09:22 PM131Monday, June 10, 20242:09:22 PM2:09:22 PM

131Dieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe DienMonday, June 10, 2024

Trang 2

Nghiên cứu phương pháp điều khiển qua Internet thông qua máy tính

Trang 3

Trang 4

Trang 5

iv

-

MỤC LỤC PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN iii

I. Giới thiệu về trang trại nuôi gà: 4

1. Thực tại mô hình nuôi gà tại Việt Nam 4

2. Ưu điểm so với phương pháp nuôi gà truyền thống 5

II. Nền tảng Internet of Things 5

Dieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe DienDieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe DienDieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe DienDieu khien va giam sat trai nuoi ga Khoa luan tot nghiep dai hoc khoa Cong nghe Dien1312410062:09:18 PM2:09:18 PM1312410062:09:18 PM2:09:18 PM1312410062:09:18 PM2:09:18 PM

Trang 6

v

8. Lưu trữ đám mây 34

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ HMI, LINH KIỆN VÀ MODULE SỮ DỤNG 37

I. Giới thiệu về HMI 37

1. HMI là gì? 37

2. Các thiết bị HMI truyền thống 38

3. Các thiết bị HMI hiện đại 38

4. Vị trí thành phần chính của HMI trong hệ thống tự động hóa hiện đại 39

5. Màn hình HMI UART 40

II. Module Arduino 41

1. Giới thiệu về Arduino 41

2. Arduino Mega 2560 42

3. Cấu trúc phần cứng 42

4. Chuẩn giao tiếp 45

III. Module ESP8266 ESP-12E NODEMCU 46

IV. Cảm biến 48

1. DHT 22 48

2. Cảm biến Ánh sáng 49

3. Cảm biến siêu âm HY-SRF05 50

4. Cảm Biến nước mưa (Rain Water Sensor ) 51

V. Module thời gian thực RTC DS1307 52

VI. Module TB6600 53

CHƯƠNG 4: THI CÔNG 57

I. Sơ đồ kết nối phần cứng và nguyên lý hoạt động cảu hệ thống 57

1. Sơ đồ kết nối phần cứng 57 123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 7

vi

2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống 60

II. Code chương trình 60

1. Code chương trình Arduino 60

2. Code chương trình ESP8266 85

III Thiết kế giao diện màn hình HMI 88

1. Cách tạo giao diện HMI bằng phần mềm Nextion Editor 88

2. Bảo mật màn hình HMI 93

3. Chế độ điều khiển AUTO, MANUAL và cài đặt thời gian 99

4. Lưu đồ giải thuật 106

VI Ứng dụng điều khiển qua máy tính 108

1. Lập trình Node-red 108

2. Thiết kế ứng dụng 109

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 116

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 118

I. Kết luận 118

II. Hướng phát triển 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO 119

Trang 8

vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1 – Các khía cạnh của IoT 7

Hình 2.2 – Mô tả tổng quan hệ thống IoT 7

Hình 2.3 – Các thiết bị khác nhau và mối quan hệ với đối tượng thực 8

Hình 2.4 – Ứng dụng SmartHome 11

Hình 2.5 – Internet công nghiệp 13

Hình 2.6 – IoT với nông nghiệp 14

Hình 2.7 – Thành phố thông minh 15

Hình 2.8 – Ứng dụng IoT trong chăn nuôi, sản xuất nông trại 16

Hình 2.9 – Khung truyền tín hiệu UART 17

Hình 2.10 – Kiến trúc mức cao của MQTT 19

Hình 2.11 – Ứng dụng của MQTT 22

Hình 2.12 – Điện toán đám mây 35

Hình 3.1 – HMI là gì? 37

Hình 3.2 – HMI Scada System 39

Hình 3.3 – HMI Nextion Editor 41

Trang 9

viii

Hình 3.15 – Bên trong IC 6N137 (trái) và IC PC817 (phải) 55

Hình 3.16 – Sơ đồ kết nối module TB6600 với Arduino và động cơ bước 2 pha 56 Hình 4.1 – Sơ đồ kết nối phần cứng 57

Hình 4.2 – Sơ đồ chân kết nối của bộ điều khiển chính 58

Hình 4.3 – Sơ đồ mạch vẽ bằng phần mềm Altium 59

Hình 4.4 – Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống 60

Hình 4.5 – Giao diện phần mềm Nextion Editor 89

Hình 4.6 – Tùy chọn độ phân giải màn hình HMI 90

Hình 4.7 – Thêm Fonts chữ cho ứng dụng 91

Hình 4.8 – Điều chỉnh thông số cho đối tượng 91

Hình 4.9 – Tùy chọn thêm trang cho ứng dụng 92

Hình 4.10 – Thiệt lập sự kiện 92

Hình 4.11 – Lưu đồ giải thuật chế độ bảo mật HMI 93

Hình 4.12 – Thiết lập sự kiện cho các nút 94

Hình 4.13 – Giao diện khi nhập mật khẩu sai 95

Hình 4.14 – Giao diện khi nhập đúng mật khẩu 96

Hình 4.15 – Giao diện đổi mật khẩu 97

Hình 4.16 – Thiết lập giao diện nhập mật khẩu 98

Hình 4.17 – Giao điện chế độ điều khiển AUTO 100

Hình 4.18 – Giao diện chế độ MANUAL 102

Hình 4.19 – Giao diện chế độ cài đặt theo giờ 104

Hình 4.20 – lưu đồ giải thuật chế độ Auto 106

Hình 4.21 – Lưu đồ giải thuật chế độ Time 107

Hình 4.22 – Lưu đồ giải thuật chế độ giám sát HMI 108

Hình 4.23 – Lưu đồ giải thuật điều khiên giám sát qua Node-red 109

Hình 4.24 – Cài đặt và truy cập vào node-red 110

Hình 4.25 – Giao diện phần mềm node-red 111

Hình 4.26 – Điều chỉnh thông số cho nút nhấn 112

Hình 4.27 – Thiết lập thông số cho khối input Firebase của LIGHT 113

Hình 4.28 – Thiệt lập thông số khối output Firebase 113

Trang 10

ix

Hình 4.29 – Thiết lập cho khối input MQTT nhận tín hiệu 114

Hình 4.30– Thiết lập thông số cho khối MQTT của fan 114

Hình 4.31 – Giao diện điều khiển trên Node-red 115

Hình 4.32 – Giao diện giám sát trên Node-red 115

Hình 5.1 – Mô hình điều khiển và giám sát trang trại gà 116

Hình 5.2 – Giao diện điều khiển trên máy tính 117

Hình 6.1 – Lưu đồ giải thuật chế độ chống trộm và bơm tự động 120

Hình 6.2 – Trang trại gà tại Texas - Mỹ 120

Hình 6.3 – Van nước và thức ăn cho gà 121

Hình 6.4 – Bồn thức ăn của trang trang trại gà 121

Trang 11

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN I ĐẶT VẤN ĐỀ

Công nghệ ngày càng phát triển, đời sống con người ngày càng được nâng cao, xu hướng các dây chuyền tự động, hệ thống thông minh ngày càng được phát triển Thực tế

cho thấy, sự phát triển mạnh mẽ của các ứng dụng Internet of Things là nhờ cơ sở hạ

tầng ngày càng phát triển, cùng với đó là chi phí sản xuất thấp Chính vì vậy việc điều khiển và giám sát thiết bị công nghiệp từ xa thông qua Internet đang là xu thế phát triển mới trong ngành công nghiệp tự động hóa cũng như trong các nhà máy sản xuất

Và trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa hiện nay, việc phát minh và chế tạo ra các thiết bị thông minh có khả năng điều khiển từ xa đang và sẽ rất được quan tâm và rất hữu ích cho cuộc sống hàng ngày

Hiện nay, mặc dù khái niệm IOT và công nghệ điều khiển giám sát các thiết bị từ xa đã trở nên khá quen thuộc và được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực của đời sống con người, đặc biệt ở các nước phát triển có nền khoa học công nghệ tiên tiến Tuy nhiên, những công nghệ này chưa được áp dụng một cách rộng rãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng Song nó vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng

Trên cơ sở đó được sự định hướng và chỉ dẫn của Ths Nguyễn Đức Toàn nhóm đã

chọn đề tài khóa luận “Điều khiển và giám sát trang trại gà” thông qua màn hình HMI

và ứng dụng IoT để điều khiển và giám sát từ xa thông qua Internet

Xây dựng hệ thống gồm nhiều chế độ điều khiển:

 Điều khiển trực tiếp qua màn hình cảm ứng HMI:

Trang 12

 Chế độ điều khiển trực tiếp bằng tay: cho phép người dùng trực tiếp điều khiển đèn, quạt hút, mái che, van bồn thức ăn

 Chế độ cài đặt theo thời gian: cho phép người dùng cài đặt thời gian để van thức ăn đóng mở 1 cách tự động

 Điều khiển và giám sát qua máy tính thông qua mạng

 Tạo giao diện, cài đặt cấu hình cho nút điều khiển và biểu đồ

 Giao diện đơn giản, dễ sữ dụng và làm nỗi bật được các đối tượng cần điều khiển và giám sát

III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp thông qua 9 nội dung sau đây:

liên quan đến đề tài

ẩm, tín hiệu bật tắt các thiết bị lên phần mềm

cảm ứng HMI với arduino

đưa dữ liệu lên web

thoại thông qua Node-red và App Inventer

Trang 13

3

IV BỐ CỤC

Với đề tài “Điều khiển và giám sát trang trại gà” thì bố cục của khóa luận tốt

nghiệp gồm các chương sau:

 Chương 1 Tổng quan: Trình bày tổng quan về mục tiêu, đối tượng và

phạm vi nghiên cứu của đề tài

 Chương 2 Giới thiệu về trang trại gà và Internet of things: chương này giới thiệu về thực tại các trại gà , cơ sở lý thuyết và tầm quan trọng của

Internet of things trong sản xuất và đời sống

 Chương 3 Linh kiện và module sữ dụng: chương này giới liệu về các

thiết bị phần cứng, thông số kỹ thuật của các linh kiện và module sữ dụng

 Chương 4 Thi công: chương này trình bày thiết kế phần cứng, đưa ra lưu đồ giải thuật, thiết kế giao diện điều khiển và giám sát cho màn hình cảm ứng HMI, cũng như xây dựng giao diện điều khiển thông qua máy tính và

Trang 14

4

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TRANG TRẠI NUÔI GÀ VÀ INTERNET OF THINGS

I Giới thiệu về trang trại nuôi gà:

1 Thực tại mô hình nuôi gà tại Việt Nam

Gia cầm là loài cho sản phẩm thịt làm thực phẩm cho con người phổ biến nhất trên thế giới, chiếm khoảng 30% sản phẩm thịt trên toàn thế giới, đặc biệt là thịt gà Trong cơ cấu chăn nuôi hiện nay thì sản lượng thịt lợn sản xuất ra chiếm tỉ lệ cao nhất (74%), thịt gà đứng thứ 2 (17%) và thịt bò đứng thứ 3 (9%)

Chăn nuôi gà đang là một trong những nghề sản xuất truyền thống lâu đời và mang lại hiệu quả thu nhập cao đối với người nông dân Việt Nam hiện nay Hàng năm lượng gà thịt được cung cấp lên đến 450 nghìn tấn và khoảng 3,5 tỷ quả trứng, mặc dù tình trạng chăn nuôi gà trong nước còn đang ở mức nhỏ, phân tán và còn tương đối lạc hậu, năng xuất không cao Bên cạnh đó thì xu hướng chăn nuôi với quy mô lớn, đảm bảo an toàn dịch bệnh ngày càng phát triển trong khi chăn nuôi nhỏ lẻ giảm dần Tuy nhiên, ngành này đang phải đối mặt sự cạnh tranh vô cùng khốc liệt với thịt gà nhập khẩu

Mặt khác nhờ có sự đổi mới không ngừng của khoa học kỹ thuật trong chăn nuôi mà nghề chăn nuôi gà đang ngày càng phát triển, nhu cầu xã hội tăng cao, thị trường rộng lớn Nghề chăn nuôi gà đang là những nghề mang lại nhiều tiềm năng phát triển và thu nhập cao cho người nông dân.

Xu hướng chọn thịt gà để cung cấp đạm động vật cho bữa ăn hàng ngày vì nhiều dưỡng chất, giá thành rẻ, tiết kiệm được nguồn thức ăn chăn nuôi, nguồn nước đồng thời giảm tác động tiêu cực đến môi trường đã mở ra một thị trường đầy tiềm năng.

Theo xự tiến bộ của công nghệ kỹ thuật nuôi gà đã trở thành một nghành công nghiệp rất phát triển ở nước ta Hiện nay có khá nhiều trang trại phát triển theo xu hướng tự động hóa trong việc nuôi và giám sát trại gà Để bắt kịp xu hướng đó, chúng tôi tiến hành nghên cứu hệ thống điều khiển và giám sát trại nuôi gà sử dụng HMI

Về cơ bản chúng tôi xây dựng hệ thống quản lý chính gồm:

 Bộ phận điều khiển ( màn hình HMI, bộ vi xử lý, Aduino mega )

Trang 15

5

 Cơ cấu chấp hành ( quạt, đèn, hệ thống phun sương )  Giám sát điều khiển từ xa qua điện thoại và máy tính

2 Ưu điểm so với phương pháp nuôi gà truyền thống

 Với hệ thống giám sát sữ dụng các thiết bị và công nghệ tự động hóa, giúp cho con người nhàn hạ hơn trong lao động sản xuất, giảm nhân công Thay vì con người trực tiếp cho ăn thủ công thì bây giờ thay bằng những bồn trộn thức ăn tự động, kiểm soát được lượng dinh dưỡng, liều lượng thức ăn để giúp gia cầm phát triển tốt hơn

 Với một chiếc điện thoại kết nối wifi hay máy tính, ta có thể dễ dàng giám sát tình trạng chuồng trại gà hiện tại, cài đặt nhiệt độ, độ ẩm sao cho phù hợp với các giai đoạn phát triển của gia cầm

 Nâng cao sản lượng, năng xuất lao động và chất lượng sản phẩm, tiết kiệm được thức ăn cho gà giúp giảm chi phí sản xuất

 Nuôi trong môi trường khép kín nên gia cầm ít dịch bệnh, giảm ngắn thời gian xuất chuồng ( tầm 49 đến 50 ngày so với hơn 3 tháng của phương pháp nuôi gà truyền thống nên đem lại hiêu quả kinh tế cao

II Nền tảng Internet of Things 1 Internet of Things là gì?

Ngay từ tên gọi của nó, Internet Of Things viết tắt là IOT chính là internet trong mọi thứ Và theo WikiPedia định nghĩa thì IOT chính là mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc mạng lưới kết nối thiết bị Internet

Internet of Things là khái niệm để chỉ các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, kết nối với Internet và tạo nên một mạng lưới các thiết bị thông minh phục vụ cho cuộc sống người dùng

Công nghệ IOT đã không còn xa lạ và được sữ dụng trong rất nhiều lãnh vực của đời sống con người Tuy nhiên lại chưa được sữ dụng rộng rãi tại Việt Nam, bởi điều kiện về kỹ thuật không đầy đủ , thiếu kinh tế và nhu cầu sữ dụng rất ít Nhưng công nghệ này vẫn mang trong nó những xu hướng phát triển đầy tiềm năng

Là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, mang đến những dịch vụ tiên tiến bằng cách kết nối các “Things” (cả đối tượng vật lý lẫn các đối tượng ảo)

Trang 16

IoT được nhắc đến nhiều trong vài năm gần đây Theo dự báo của hãng Ericsson trong báo cáo di động tháng 6/2016, trong vòng 2 năm tới, số lượng thiết bị kết nối vào mạng IoT sẽ vượt tổng số điện thoại di động đang hoạt động trên toàn cầu và trở thành phân khúc thiết bị kết nối lớn nhất Tuy được nhắc đến nhiều, được dự đoán là tăng trưởng lớn nhưng khái niệm về IoT ít được nhắc đến Tháng 6/2012, tổ chức viễn thông thế giới (ITU) đã đưa ra một số khái niệm về IoT, các đặc trưng cơ bản, các yêu cầu, mô hình tham chiếu của IoT trong khuyến nghị ITU-T Y2060

Một số định nghĩa đã được tổ chức ITU đưa ra như sau:

 IoT là một kiến trúc toàn cầu của xã hội thông tin, có khả năng cung cấp dịch vụ đặc biệt bằng cách kết nối các đối tượng (đối tượng vật lý hoặc đối tượng đã được ảo hóa) dựa trên công nghệ truyền thông và thông tin đã có, đang phát triển

 Device: là một phần của thiết bị, bắt buộc phải có khả năng truyền thông và có các khả năng tùy chọn như cảm biến, thực thi, thu thập dữ liệu, xử lý dữ liệu, lưu trữ dữ liệu

 Thing: là đối tượng của thế giới thật hoặc đối tượng của thế giới ảo, có khả năng định danh, và tích hợp trong mạng truyền thông

IoT có 3 khía cạnh: bất kỳ đối tượng, bất kỳ thời gian, bất kỳ địa điểm như hình 2.1

Trang 17

7

Hình 2.1 – Các khía cạnh của IoT

Trong IoT: Thing là các đối tượng thực tế hoặc đối tượng ảo hóa được định danh và tích hợp trong mạng truyền thông Đối tượng trong thế giới thực có khả năng cảm nhận, kích thích và được kết nối ví dụ như robot công nghiệp, điện, môi trường xung quanh Các đối tượng ảo hóa trong thế giới thông tin có khả năng lưu trữ, xử lý, truy nhập ví dụ như các ứng dụng phần mềm, đa phương tiện

Hình 2.2 – Mô tả tổng quan hệ thống IoT Trong mô hình trên:

 Một đối tượng thực có thể được mô tả trên thế giới thông tin bằng một hoặc nhiều đối tượng ảo, một vật đối tượng ảo hóa có thể tồn tại mà không có sự kết nối nào đến đối tượng thực

Trang 18

8

 Device là một phần của thiết bị, device phải có khả năng truyền thông và các khả năng tùy chọn như cảm nhận, kích thích, bắt dữ liệu, lưu trữ, xử lý dữ liệu Device thu thập các thông tin khác nhau và cung cấp chúng đến mạng truyền thông và thông tin để xử lý Một số device có thể thực hiện hành động dựa trên các thông tin nhận được từ mạng truyền thông thông tin  Các Device truyền thông với nhau bằng các cách: truyền qua mạng truyền thông sử dụng gateway (kiểu a), truyền qua mạng truyền thông không sử dụng gateway (kiểu b), truyền trực tiếp giữa các device mà không sử dụng mạng truyền thông (kiểu c)

Đối với mỗi Device, yêu cầu tối thiểu là có khả năng truyền thông Device được phân thành 4 loại: Device data-carrying, Device data-capturing, Device cảm biến & kích thích, Device thông thường Hình 3 mô tả các kiểu device và mối quan hệ giữa device và đối tượng thực

Hình 2.3 – Các thiết bị khác nhau và mối quan hệ với đối tượng thực

- Device data- carrying: là device được gắn vào đối tượng thực để gián tiếp kết nối đối tượng thực đến mạng truyền thông

- Device data-capturing: device data-capturing là device có khả năng đọc/ghi, tương tác với đối tượng thực Sự tương tác có thể thực hiện bằng cách gián tiếp qua device data-carrying, hoặc trực tiếp truy cập dữ liệu gắn liền với đối tượng thực Trong

Trang 19

- Device thông thường: là một device được nhúng vào bộ xử lý và có khả năng truyền thông, có thể truyền thông với mạng bằng dây hoặc không dây Device thông thường bao gồm ứng dụng và thiết bị cho các miền ứng dụng IoT khác nhau, chẳng hạn như máy móc công nghiệp, thiết bị điện gia dụng, điện thoại thông minh Các đặc trưng cở bản của IoT:

- Tính tương tác: Các đối tượng có thể tương tác với hạ tầng truyền thông và thông tin toàn cầu

- Các dịch vụ liên quan đến các đối tượng: IoT có khả năng cung cấp các dịch vụ liên quan đến các đối tượng, chẳng hạn như bảo vệ riêng tư, tính nhất quán giữa đối tượng thực và đối tượng ảo Để cung cấp các dịch vụ này, cả công nghệ trong thế giới thực và thế giới thông tin cần sự thay đổi

- Tính không đồng nhất: các thiết bị trong IoT là không đồng nhất do sử dụng mạng và nền tảng phần cứng khác nhau Các thiết bị có thể tương tác với nhau qua các nền tảng, mạng khác nhau

- Thay đổi linh hoạt: trạng thái các thiết bị thay đổi linh hoạt ví dụ như trạng thái ngủ hoặc hoạt động, kết nối, không kết nối, vị trí, tốc độ, số lượng device có thể thay đổi

- Quy mô lớn: số lượng thiết bị cần được được quản lý và giao tiếp sẽ lớn hơn số lượng thiết bị kết nối đến internet ngày nay Số lượng thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn số lượng thông tin được truyền bởi con người Một điều quan trọng là cần quản lý dữ liệu được tạo ra và phân tích dữ liệu cho các ứng dụng Điều đó liên quan đến phân tích, xử lý dữ liệu hiệu quả

IoT cũng đưa ra các yêu cầu:

Trang 20

10

- Kết nối định danh: mỗi đối tượng kết nối đến IoT cần được định danh Các định danh không đồng nhất của các đối tượng khác nhau cần phải được xử lý một cách giống nhau

- Sự tương tác: sự tương tác đảm bảo cung cấp và sử dụng các dịch vụ, thông tin giữa các hệ thống phân tán, hệ thống không đồng nhất

- Mạng tự trị: Mạng tự trị (mạng có khả năng tự quản lý, tự cấu hình, tự sửa chữa, tự tối ưu, tự bảo vệ) cần được hỗ trợ trong chức năng điều khiển mạng của IoT để thích ứng với các miền ứng dụng khác nhau, môi trường khác nhau và số lượng lớn các thiết bị khác nhau

- Cung cấp các dịch vụ tự trị: Các dịch vụ có thể được cung cấp bằng cách bắt giữ, truyền thông và xử lý dữ liệu đối tượng tự động dựa trên các quy tắc của người điều hành hoặc khách hàng Dịch vụ tự trị phụ thuộc vào các công nghệ tổng hợp và khai thác dữ liệu tự động

- Khả năng định vị: Một số truyền thông và dịch vụ phụ thuộc vào thông tin vị trí của đối tượng hoặc người dùng Thiết bị cần biết và lưu vết thông tin vị trí một cách tự động Truyền thông và dịch vụ dựa trên vị trí có thể bị ràng buộc bởi các luật, quy định, tuân theo các yêu cầu bảo mật

- Bảo mật: mỗi đối tượng được kết nối có các mối đe dọa về bảo mật như sự bí mật, xác thực, tính vẹn toàn dữ liệu và dịch vụ Một ví dụ quan trong của bảo mật là sử dụng các chính sách bảo mật khác nhau đến các thiết bị và mạng người sử dụng trong IoT

- Bảo vệ riêng tư: nhiều đối tượng thuộc sở hữu cá nhân Việc gửi dữ liệu của các đối tượng này có thể bao gồm các thông tin cá nhân hoặc của người sử dụng Bảo vệ riêng tư cần thực hiện trong suốt quá trình truyền thông, tập hợp dữ liệu, lưu trữ, khai thác, xử lý Bảo mật riêng tư không nên thiết lập rào cản để xác thực nguồn dữ liệu

- Các dịch vụ liên quan đến cơ thể con người cần có chất lượng và độ bảo mật cao: mỗi đất nước sẽ có các luật và các quy định về các dịch vụ

- Cắm và chạy: cắm và chạy cần thiết để IoT phát triển, tích hợp và liên kết các đối tượng với ứng dụng

Trang 21

11

- Có khả năng quản lý: IoT cần có chức năng quản lý để đảm hoạt động bình thường Ứng dụng IoT thường làm việc tự động không có sự can thiệp của con người nhưng quá trình hoạt động phải được quản lý bởi các bên liên quan

3 Ứng dụng IoT

Có thể thấy, con người luôn luôn tò mò, luôn đặt ra những câu hỏi, thách thức, phá bỏ những quy luật hiện tại để vươn tới những điều tốt đẹp hơn Từ những sự tò mò ấy cho phép ta tưởng tượng về một thế giới nơi các máy móc thiết bị trở nên gần gũi với con người, thay thế các hoạt động của con người trong cuộc sống Để làm được điều đó chúng

ta đã tìm ra công nghệ IoT – Internet of Things giúp kết nối các thiết bị và nâng cao tính tự động hóa của các loại máy móc Để hiểu hơn về cách áp dụng IoT hôm nay BKAII sẽ cùng các bạn tìm hiểu 10 ứng dụng thế giới thực của IoTnhé!

Làn sóng IoT xuất hiện sẽ vượt xa làn sóng của máy tính xách tay, smart

phone IoT hướng tới những chiếc xe thông minh, smart home, smart city, chăm sóc sức

khỏe kết nối,…  Smart home

Trang 22

12

Có thể nói smart home chính là ứng dụng được tìm kiếm nhiều nhất trên google Vậy như thế nào được hiểu là một ngôi nhà thông minh? Bạn sẽ có thể bật điều hòa, bình nóng lạnh trước khi về nhà hay thậm chí tắt đèn ngay khi bạn không có nhà, bạn có thể mở cửa cho bạn bè vào chơi trong khi bạn vẫn còn ở cơ quan Các công ty đang xây dựng và sản xuất hàng loạt các sản phẩm để làm cho cuộc sống con người đơn giản và thuận tiện hơn Smart home chính là bậc thang mang tính cách mạng của quá trình phát triển xu

hướng IoT Sự xuất hiện của smart home được dự đoán sẽ trở nên phổ biến như smart

phone hiện nay

Để sống trong một ngôi nhà thông minh như vậy chủ nhà phải bỏ ra chi phí sở hữu nhà vô cùng lớn Các sản phẩm trong các ngôi nhà thông minh được dự đoán sẽ giúp tiết kiệm thời gian, năng lượng và tiền bạc

 Các thiết bị đeo thông minh

Hiện nay ở nhiều nước đã xuất hiện các thiết bị đeo trên người với những tính năng vô cùng thông minh như: tai nghe, các loại kính, ba lô, vòng tay siêu thông minh,… Những thiết bị này dần bùng nổ tại các thị trường trên toàn thế giới Google và Samsung là những công ty lớn có những khoản đầu tư khổng lồ cho việc tạo ra các thiết bị như vậy Các thiết bị đeo được cài đặt cảm biến và các phần mềm thu thập dữ liệu, thông tin người dùng Các thiết bị này bao gồm các yêu cầu về thể chất, sức khỏe và có tính giải trí cao Điều kiện tiên quyết cho các thiết kế này là công suất cực thấp và kích thước nhỏ gọn, có tính thẩm mỹ cao

 Những chiếc ô tô được kết nối

Các nhà sản xuất ô tô đã bước qua giai đoạn tập trung vào việc tối ưu hóa các chức năng nội bộ của một chiếc xe Giờ đây họ quan tâm đến việc tối ưu hóa sự hài lòng của người sử dụng với việc nâng cao trải nghiệm trong xe hơi

Một chiếc xe được kết nối là chiếc xe có khả năng tối ưu hóa hoạt động, bảo trì cũng như sự thoải mái của khách hàng khi sử dụng Các thương hiệu lớn như BMW, Tesla, … đang nỗ lực cho cuộc cách mạng tiếp theo của ngành sản xuất ô tô

 Internet công nghiệp

Trang 23

13

Hình 2.5 – Internet công nghiệp

Industrial Internet là tiếng vang mới trong ngành công nghiệp, được gọi tắt là IIoT (Industrial Internet of Thing) IIoT hỗ trợ kĩ thuật công nghiệp với các cảm biến, phần mềm lớn để tạo ra những cỗ máy vô cùng thông minh Máy móc sẽ có tính chính xác và nhất quán hơn con người trong giao tiếp thông qua dữ liệu Từ những dữ liệu thu thập được giúp các công ty, nhà quản lí giải quyết các vấn đề sớm hơn, đạt hiệu quả cao hơn

IIoT có tiềm năng lớn về kiểm soát chất lượng và tính bền vững Những ứng dụng trao đổi thông tin giữa nhà cung cấp, nhà phân phối và nhà bán lẻ về thông tin hàng hóa, hàng tồn kho sẽ làm tăng hiệu quả chuỗi cung ứng

 Smart city

Thành phố thông minh là một ứng dụng của IoT tạo được sự tò mò của đông đảo người dân Giám sát thông minh, vận chuyển tự động, hệ thống quản lý năng lượng thông minh hơn, phân phối nước, an ninh đô thị và giám sát môi trường tất cả là ví dụ về internet của các ứng dụng cho thành phố thông minh IoT giúp giải quyết các vấn đề gặp phải tại các thành phố lớn đó là ô nhiễm môi trường, tắc nghẽn giao thông và thiếu năng lượng Một ví dụ có thể kể đến của các thiết bị được sử dụng truyền thông di động như: thùng rác thông minh, chúng sẽ gửi cảnh báo đến bộ phận vệ sinh môi trường khi cần dọn sạch

Trang 24

14

Bằng cách cài đặt ứng dụng và dùng các thiết bị thông minh chúng ta hoàn toàn có thể dễ dàng tìm thấy các cây xăng, siêu thị, quán ăn hay thậm chí là những bãi gửi xe miễn phí Ngoài ra hệ thống điện cũng được bảo vệ bởi các cảm biến sẽ giúp phát hiện nhanh chóng các vấn đề gây nhiễu, trục trặc, hay các vấn đề về lắp đặt

 IoT trong nông nghiệp

Hình 2.6 – IoT với nông nghiệp

Với sự gia tăng liên tục của dân số đồng nghĩa với việc nhu cầu sử dụng lương thực tăng lên nhiều lần Nông dân có thể áp dụng các kỹ thuật mới, công nghệ tiên tiến để tăng sản lượng sản xuất nông nghiệp Nông nghiệp thông minh có thể nói là lĩnh vực phát triển nhanh nhất với IoT

Những thông tin người nông dân thu được giúp họ có những quyết định đầu tư sáng suốt tránh tình trạng “được mùa mất giá, được giá mất mùa” như hiện nay Cảm biến độ ẩm, chất dinh dưỡng của đất, mức độ hấp thụ nước góp phần quan trọng vào việc kiểm soát sự tăng trưởng của cây trồng giúp người gieo trồng có thể xác định, tùy chỉnh lượng phân bón cần thiết

 Bán lẻ thông minh

IoT tạo nên một sự kết nối mật thiết giữa nhà bán lẻ với khách hàng giúp nâng cao trải nghiệm của khách hàng khi đến với cửa hàng Tiềm năng phát triển IoT trong lĩnh vực bán lẻ là vô cùng lớn

Trang 25

15

Smart phone là thiết bị phổ biến nhất được sử dụng để các nhà bán lẻ duy trì kết nối với khách hàng của mình khi khách hàng đến với cửa hàng hay thậm chí ngay cả khi họ ra khỏi cửa hàng Tương tác qua điện thoại và việc sử dụng các công nghệ giúp cho các nhà bán lẻ phục vụ khách hàng tốt hơn, thay đổi cách bài trí cửa hàng cho phù hợp với nhu cầu tiêu dùng

 Sức khỏe

Đây có thể nói là một lĩnh vực chưa được khai phá hết của Internet of Things bởi những ứng dụng không ngờ mà nó mang lại Một hệ thống chăm sóc sức khỏe được kết nối cùng các thiết bị y tế thông minh mang lại tiềm năng to lớn cho các công ty đầu tư sản

Trang 26

16

xuất IoT trong chăm sóc sức khỏe giúp mọi người có cuộc sống khỏe mạnh hơn bằng việc đeo các thiết bị kết nối Các dữ liệu thu thập được giúp phân tích sức khỏe của người dùng thiết bị kết nối và nhà cung cấp, sản xuất sẽ có được những thiết kế để chống lại bệnh tật

 IoT và chăn nuôi gia cầm, sản xuất nông trại

Hình 2.8 – Ứng dụng IoT trong chăn nuôi, sản xuất nông trại

Kiểm soát các khâu trong quy trình chăn nuôi giúp tiết kiệm thời gian và chi phí Sử dụng các công cụ IoT để thu thập dữ liệu về sức khỏe của gia súc, các chủ trang trại có thể biết sớm về bệnh tật của động vật giúp ngăn ngừa số lượng lớn các gia súc bị bệnh bởi virus lây lan Với những dữ liệu thu thập được cũng giúp chủ trang trại tăng nhanh được sản lượng gia súc, gia cầm

4 Chuẩn giao tiếp UART

Trang 27

17

UART – Universal asynchronous receiver transmitter là bộ truyền nhận nối tiếp bất đồng bộ UART là một ngoại vi cơ bản trong chip STM32F103C8T6 thường được dùng trong các quá trình giao tiếp với các loại module như: Zigbee, Bluetooth, Wifi…

Dưới đây là khung truyền dữ liệu:

Hình 2.9 – Khung truyền tín hiệu UARTCác khái niệm quan trọng trong chuẩn truyền thông UART:

Baudrate: Số bit truyền được trong 1s, ở truyền nhận không đồng bộ thì ở các bên

truyền và nhận phải thống nhất Baudrate Các thông số tốc độ Baudrate thường hay sử dụng dể giao tiếp với máy tính là 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 38400, 56000, 57600, 115200

Frame: Ngoài việc giống nhau của tốc độ baud 2 thiết bị truyền nhận thì khung

truyền của bên cũng được cấu hình giống nhau Khung truyền quy định số bit trong mỗi lần truyền, bit bắt đầu “Start bit”, các bit kết thúc (Stop bit), bit kiểm tra tính chẵn lẻ (Parity), ngoài ra số bit quy định trong một gói dữ liệu cũng được quy định bởi khung truyền Có thể thấy, khung truyền đóng một vai trò rất quan trọng trong việc truyền thành công dữ liệu

 Idle frame: Đường truyền UART ở mức “1”, để xác nhận hiện tại đường truyền dữ liệu trống, không có frame nào đang được truyền đi

 Break frame: Đường truyền UART ở mức “0”, để xác nhận hiện tại trên đường truyền đang truyền dữ liệu, có frame đang được truyền đi

Trang 28

18

Start bit: Bit đầu tiên được truyền trong một frame, bit này có chức năng báo cho

bên nhận rằng sắp có một gói dữ liệu truyền đến Đường truyền UART luôn ở trạng thái cao mức “1” cho đến khi chip muốn truyền dữ liệu đi thì nó gởi bit start bằng cách kéo xuống mức “0” Như vậy start bit giá trị điện áp 0V và phải bắt buộc có bit start trong khung truyền

Data: Data hay dữ liệu là thông tin mà chúng ta nhận được trong quá trình truyền

và nhận Data trong STM32 có quy định khung truyền là 8bit hoặc 9bit Trong quá trình truyền UART, bit có trọng số thấp nhất (LSB – least significant bit – bên phải) sẽ được truyền trước và cuối cùng là bit có ảnh hưởng cao nhất (MSB – most significant bit – bên trái)

Parity bit: Parity dùng để kiểm tra dữ liệu truyền có đúng hay không Có 2 loại

Parity đó là Parity chẵn (even parity) và parity lẽ (odd parity) Parity chẵn nghĩa là số bit 1 trong trong data truyền cùng với bit Parity luôn là số chẵn, ngược lại nếu Parity lẽ nghĩa là số bit 1 trong data truyền cùng với bit Parity luôn là số lẽ Bit Parity không phải là bit bắt buộc và vì thế chúng ta có thể loại bỏ bit này ra khỏi khung truyền

Stop bits: Stop bits là một bit báo cáo để cho bộ truyền/nhận biết được gói dữ liệu

đã được gởi xong Stop bits là bit bắt buộc phải có trong khung truyền Stop bits có thể là 1bit, 1.5bit, 2bit, 0.5bit tùy thuộc vào ứng dụng UART của người sử dụng

5 Giao thức MQTT

5.1 Giới thiệu về MQTT

MQTT = Message Queue Telemetry Transport

Đây là một giao thức truyền thông điệp (message) theo mô hình publish/subscribe (xuất bản – theo dõi), sử dụng băng thông thấp, độ tin cậy cao và có khả năng hoạt động trong điều kiện đường truyền không ổn định

Kiến trúc mức cao (high-level) của MQTT gồm 2 phần chính là Broker và Clients

Trang 29

19

Hình 2.10 – Kiến trúc mức cao của MQTT

Trong đó, broker được coi như trung tâm, nó là điểm giao của tất cả các kết nối đến từ client Nhiệm vụ chính của broker là nhận mesage từ publisher, xếp các message theo hàng đợi rồi chuyển chúng tới một địa chỉ cụ thể Nhiệm vụ phụ của broker là nó có thể đảm nhận thêm một vài tính năng liên quan tới quá trình truyền thông như: bảo mật message, lưu trữ message, logs,

Client thì được chia thành 2 nhóm là publisher và subscriber Client là các software components hoạt động tại edge device nên chúng được thiết kế để có thể hoạt động một cách linh hoạt (lightweight) Client chỉ làm ít nhất một trong 2 việc là publish các message lên một topic cụ thể hoặc subscribe một topic nào đó để nhận message từ topic này

MQTT Clients tương thích với hầu hết các nền tảng hệ điều hành hiện có: MAC OS, Windows, LInux, Androids, iOS

Các bạn có thể tưởng tượng broker giống như một sạp báo Publisher là các tòa soạn báo Tòa soạn in báo và chuyển cho sạp báo Người đọc báo đến sạp báo, chọn tờ báo mình cần đọc (subscriber)

5.2 Các khái niệm đáng chú ý trong giao thức MQTT

Trong một hệ thống sử dụng giao thức MQTT, nhiều client kết nối tới một server (Trong MQTT, server được gọi là MQTT Broker).Mỗi client sẽ đăng ký theo dõi các

Trang 30

20

kênh thông tin (topic) hoặc gửi dữ liệu lên kênh thông tin đó Quá trình đăng ký này gọi là “subscribe” và hành động một client gửi dữ liệu lên kênh thông tin được gọi là “publish” Mỗi khi kênh thông tin đó được cập nhật dữ liệu (dữ liệu này có thể đến từ các client khác) thì những client nào đã đăng ký theo dõi kênh này sẽ nhận được dữ liệu cập nhật đó

Message

Trong giao thức MQTT, message còn được gọi là "message payload", có định dạng mặc định là plain-text (chữ viết người đọc được), tuy nhiên người sử dụng có thể cấu hình thành các định dạng khác

Topic

Topic có thể coi như một "đường truyền" logic giữa 2 điểm là publisher và subscriber Về cơ bản, khi message được publish vào một topic thì tất cả những subscriber của topic đó sẽ nhận được message này

Giao thức MQTT cho phép khai báo các topic kiểu phân cấp

Giả sử chúng ta có một hệ thống cảm biến đo thông tin môi trường trong ngôi nhà của chúng ta Một ngôi nhà thường sẽ có nhiều phòng và mỗi phòng lại có bộ cảm biến môi trường riêng Như vậy, các topic phục vụ truyền tải thông tin môi trường cho ngôi nhà của chúng ta có thể được khai báo như sau:

home/living-room/temperature:topic thông tin nhiệt độ phòng khách

home/living-room/humidity:topic thông tin độ ẩm phòng khách

home/kitchen/temperature:topic thông tin nhiệt độ bếp ăn

Bên cạnh đó, MQTT cũng hộ trợ wildcards trong cú pháp khai báo topic, cụ thể đó là "+" và "#" Trong đó, "+" bao gồm các topic ở cùng 1 level và "#" bao gồm tất cả các topic nằm dưới topic hiện tại

Cụ thể như sau, khi muốn biết thông tin nhiệt độ của từng phòng, ta chỉ cần khai báo topic cần theo dõi là:

Trang 31

21

QoS - Quality of Service

Khái niệm này ra đời do nhu cầu đảm bảo sự chắc chắn trong việc gửi - nhận message giữa client và broker

MQTT hỗ trợ 3 mức QoS

QoS-0 là mức đảm bảo thấp nhất, tất cả các message có QoS 0 sau khi được gửi đi

bởi publisher sẽ không được kiểm tra xem đã đến broker hay chưa (fire - and - forget)

QoS-1: message được đảm bảo rằng đã đến nơi nhận ít nhất 1 lần (tức là sự trùng

lặp vẫn có thể xảy ra)

QoS-2: đây là mức đảm bảo cao nhất, broker sẽ đảm bảo các message có QoS-2 sẽ

đến nơi nhận chỉ 1 lần duy nhất, không trùng lặp, không thất lạc Tất nhiên việc xác nhận với QoS-2 sẽ tốn băng thông hơn 2 cách còn lại

Retain

Retain là một cờ (flag) được gắn cho một message của giao thức MQTT Retain chỉ nhận giá trị 0 hoặc 1 (tương ứng 2 giá trị logic false hoặc true) Nếu retain = 1, broker sẽ lưu lại message cuối cùng của 1 topic kèm theo mức QoS tương ứng Khi client bắt đầu subscribe topic có message được lưu lại đó, client ngay lập tức nhận được message

MQTT Bridge

MQTT Bridge là một tính năng của MQTT Broker cho phép các MQTT Broker có thể kết nối và trao đổi dữ liệu với nhau Để sử dụng tính năng này, ta cần tối thiểu 2 Broker, trong đó, một Broker bất kỳ sẽ được cấu hình thành Bridge Khi cấu hình MQTT bridge, ta cần lưu ý tới các thông số sau:

 address: địa chỉ của broker cần kết nối

 bridge_protocol_version: phiên bản của giao thức MQTT đang sử dụng

chung cho 2 broker

 topic: phần này định nghĩa 3 thong số: tên topic được trao đổi giữa 2 broker,

chiều trao đổi (1 chiều hay 2 chiều) và topic mapping giữa 2 broker

Trang 32

22

5.3 Ứng dụng của MQTT

Hình 2.11 – Ứng dụng của MQTT Một số dự án thực hiện với MQTT:

 Facebook Messenger Facebook đã sữ dụng các khía cạnh của MQTT trong facebook Messenger để trò chuyện trực tuyến

 IECC Scalable, DeltaRail phiên bản mới nhất của hệ thống kiểm soát hiệu IECC của họ sử dụng MQTT cho thông tin liên lạc trong các phần khác nhau của hệ thống và các thành phần khác nhau của hệ thống báo hiệu Nó cung cấp khung truyền thông cơ bản cho một hệ thống tuân thủ các tiêu chuẩn CENELEC cho các thông tin liên lạc quan trọng về an toàn

 Amazon Web Services đã công bố Amazon IoT dựa trên MQTT vào năm 2015

 Các tổ chức không gian địa lý SensorThings API đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn có một phần mở rộng MQTT trong tiêu chuẩn như một giao thức

Trang 33

 Node-RED họ trợ các nút MQTT kể từ phiên bản 0.14, để định cấu hình đúng các kết nối TLS

 Nền tảng tự động hóa phần mềm nguồn mở Home Assistant được bật MQTT và cung cấp bốn tùy chọn cho các broker MQTT

5.4 Bảo mật

MQTT được thiết kế một cách nhẹ và linh hoạt nhất có thể Do đó nó chỉ có 1 lớp bảo mật ở tầng ứng dụng: bảo mật bằng xác thực (xác thực các client được quyền truy cập tới broker).

Tuy vậy, MQTT vãn có thể được cài đặt kết hợp với các giải pháp bảo mật đa tầng khác như kết hợp với VPN ở tầng mạng hoặc SSL/TLS ở tầng transport

MQTT được thiết kế nhằm phục vụ truyền thông machine-to-machine nhưng thực tế chứng minh nó lại linh hoạt hơn mong đợi Nó hoàn toàn có thể áp dụng cho các kịch bản truyền thông khác như: machine-to-cloud, cloud-to-machine, app-to-app Chỉ cần có một broker phù hợp và MQTT client được cài đặt đúng cách, các thiết bị xây dựng trên nhiều nền tảng khác nhau có thể giao tiếp với nhau một cách dễ dàng

Giao thức MQTT ra đời năm 1999 và tính đến thời điểm hiện tại, MQTT phiên bản 3.1.1 được công nhận chuẩn OASIS

Trang 34

 Lợi ích của việc sử dụng mạng WiFi chuẩn 802.11

Kết nối vô tuyến có thể thay thế cơ sở hạ tầng có dây hoặc mở rộng hệ thống mạng LAN hiện có:

Đối với các ứng dụng mà không thích hợp với việc lắp đặt cáp hoặc chi phí quá tốn kém, mạng WiFi 802.11 có thể được sử dụng trong những trường hợp sau đây:

 Kết nối hai mạng LAN trong các tòa nhà riêng biệt trên các khoảng cách xa hoặc có các chướng ngại cản trở để kết nối bằng dây cáp Việc kết nối vô tuyến giúp cho doanh nghiệp không phải thuê bao một đường dây kết nối riêng (leased line) của nhà cung cấp dịch vụ viễn thông , nhờ đó cũng tiết kiệm chi phí đáng kể

 Thiết lập tạm thời mạng WiFi 802.11 cho các tình huống khẩn cấp như hội nghị, triển lảm, hỏa hoạn, bảo lụt,

 Đảm bảo tính thẩm mỹ cho những nơi không yêu cầu lắp đặt dây cáp như trong các di tích kiến trúc

 Đảm bảo liền mạch việc kết nối mạng LAN hoặc mạng Internet khi người dùng IPad,/ Iphone vừa sử dụng vửa di chuyển trong phạm vi tòa nhà hoặc khu vực

 Thiết lập mạng WiFi công công (WiFi Hotspot) để truy cập Internet trong sân bay, khách sạn và trung tâm bán hàng

Trang 35

25

 Các chế độ hoạt động mạng WiFi chuẩn 802.11

Chế độ Infrastructure: được sử dụng khi có ít nhất một điểm truy cập (AP -

Access Point) kết nối vào mạng LAN hay mạng Internet và có ít nhất một trạm khách hàng (client) Trạm khách hàng (laptop, máy tính bảng, điện thoại thông minh) kết nối vô tuyến vào mạng LAN hay mạng Internet thông qua điểm truy cập (AP)

Chế độ Ad-Hoc: được sử dụng khi các trạm khách hàng (clients) trực tiếp kết nối

vô tuyến với nhau mà không cần phải thông qua một điểm truy cập (AP) Điều này cũng được gọi là chế độ chia sẻ ngang hàng (peer-to-peer)

Phần lớn các mạng WiFi theo chuẩn 802.11 hoạt động trong chế độ Infrastructure Thông tin thêm về phương pháp ứng dụng cho các mạng vô tuyến 802.11 có thể được tìm thấy trong phần giới thiệu Công nghệ 2.4GHz và Công nghệ 5GHz

 Các chuẩn mạng 802.11 phổ biến

802.11a

Chuẩn giao thức 802.11a sử dụng cùng giao thức lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer) và định dạng frame như các chuẩn ban đầu 802.11-1997, nhưng dùng kỹ thuật OFDM cho truyền dẫn lớp vật lý Dãi tần hoạt động của nó là băng tần 5GHz và có tốc độ truyền dẫn tối đa 54Mbps Do dãi tần 2.4GHz đã trở nên quá tải (nhiều thiết bị dân dụng cũng sử dụng chung dãi tần này) nên việc sử dụng chuẩn 802.11a mang lại một lợi thế đáng kể Tuy nhiên, phạm vi phủ sóng hiệu quả của 802.11a trong dãi tần 5GHz là thấp hơn so với các chuẩn giao thức 802.11b/g/n trong dãi tần 2,4GHz, do bởi tín hiệu hoạt động ở dãi tần cao hơn sẽ dễ dàng bị hấp thụ bởi các vật thể rắn hơn như tường, thép, cây cối… Tuy nhiên, chuẩn 802.11a và 802.11n lại ít chịu ảnh hưởng của nhiễu trong dãi tần 5GHz, do đó nhiều lúc chúng lại có phạm vi phủ sóng tương tự hoặc thậm chí lớn hơn 802.11b/g/n

802.11b

Là chuẩn mạng không dây 802.11 đầu tiên được áp dụng rộng rãi Nó có tốc độ truyền dẫn tối đa 11Mbps và sử dụng phương thức truyền thông giống như của các chuẩn của 802.11-1997 802.11b hoạt động trên dãi tần số 2.4GHz, nó chịu ảnh hưởng rất nhiều từ nhiễu do hoạt động cùng tần số với những thiết bị dân dụng khác như các thiết bị Bluetooth, điện thoại không dây DECT và VoIP, lò vi sóng, …

Trang 36

26

802.11g

802.11g là bước cải tiến kế tiếp từ 802.11b và vẫn hoạt động trên dãi tần 2.4GHz nhưng sử dụng kỹ thuật truyền dẫn OFDM Nó có tốc độ truyền dẫn tối đa 54Mbps và tương thích ngược với phần cứng của chuẩn 802.11b Đây là chuẩn công nghiệp tiếp theo và một lần nữa được áp dụng rộng rãi cho các ứng dụng mạng WLAN do tốc độ truyền tải dữ liệu tăng lên Tương tự như 802.11b, các thiết bị 802.11g đều có thể bị ảnh hưởng xuyên nhiễu từ những thiết bị dân dụng khác hoạt động trên dãi tần 2.4GHz Kỹ thuật OFDM được cho phép tại những tốc độ trên 20Mbps làm tăng đáng kể khả năng NLoS (Non-Line-of-Sight)

802.11n

Chuẩn 802.11n là một phiên bản để nhằm cải thiện các chuẩn trước đó bằng cách thêm vào anten công nghệ MIMO (Multiple Input-Multiple Output) và hoạt động trên cả dãi tần 2.4GHz và 5GHz với độ rộng kênh là 40 MHz (tùy chọn) Chuẩn 802.11n tương thích ngược với chuẩn 802.11a, b và g Khác với chuẩn 802.11g, kỹ thuật OFDM trong 802.11n được cho phép hoạt động trên toàn bộ dãi các tốc độ truyền dẫn, nhờ đónâng cao đáng kể khả năng NloS (Non-Line-of-Sight)

MIMO sử dụng nhiều anten thông minh để xử lý một lượng dữ liệu lớn hơn so với xữ lý bằng một anten duy nhất Bằng cách sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo không gian SDM (Spatial Division Multiplexing), máy trạm (client) có thể truyền nhiều luồng dữ liệu độc lập cùng một lúc trên một kênh và nhờ đó làm tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu thực tế (data rate) giữa máy trạm (client) và điểm truy cập (AP)

Khả năng tăng gấp hai độ rộng kênh (channel size) - từ 20MHz đến 40MHz - trên các thiết bị tương thích với chuẩn 802.11n cũng cho phép tăng gấp hai lần tốc độ truyền dẫn dữ liệu trên lớp vật lý

Việc hai tính năng trên được kết hợp mang lại cho chuẩn 802.11n khả năng nâng cao tốc độ truyền dẫn dữ liệu tối đa khi so sánh với 802.11g ở 2.4GHz và 802.11a ở 5GHz Nó có thể lên đến 600Mbps (trên lý thuyết) khi truyền đồng thời trên 4 luồng dữ liệu và độ rộng kênh 40MHz Vì vậy 802.11n đang trở thành tiêu chuẩn phổ biến hiện nay.

Trang 37

27

802.11ac hoạt động ở tân số 5GHz sử dụng OFDM dựa vào sự điều chế Các đặc điểm kỹ thuật cho thấy tốc độ băng thông WLAN ít nhất 1Gbps và một liên kết đơn lẻ có tốc độ băng thông ít nhất là 500Mbps Điều này đạt được bởi khái niệm mở rộng từ chuẩn 802.11n cho các kênh với băng thông rộng RF( lên đến 160MHz, 80Mhz bắt buộc), hơn thế nữa luồng dữ liệu được truyền đi với công nghệ đa Anten lên đến 8 luồng dữ liệu (Spatial streams ), nhiều người dùng MIMO (multi-user MIMO) và dùng cho nơi có mật độ người dùng cao(lên đến 256-QAM).

Dưới đây là bảng so sánh các đặc điểm của bốn chuẩn đề cập ở trên:

Các chuẩn WiFi 802.11

Giao thức 802.11

Phát hành

Dãi tần

Độ rộngkênh

Tốc độ dữ liệu mỗi luồng

(Mbps)

Số luồng

cho phép

Điều chế

Phạm vi trong nhà

(m)

Phạm vi ngoài trời

(m)

- Jun-97 2.4 20 Lên tới 2 1 DSSS, FHSS 20 100

a Sep-99 5 20 Lên tới 54 1 OFDM 35 120 b Sep-99 2.4 20 Lên tới 11 1 DSSS 38 140

g Jun-03 2.4 20 Lên tới 54 1 OFDM,

Trang 38

28

không phải là tốc độ truyền dữ liệu hữu ích (throughput - thông lượng)

Các chuẩn WiFi 802.11

Giao thức 802.11 Tốc độ truyền dẫn dữ liệu tốiđa (Mbps)

Tốc độ truyền dẫn dữ liệu hữu ích (Mbps)

Các kênh 2.4GHz Các kênh 5 GHz Kênh Tần số (MHz) Kênh Tần số (MHz)

Trang 39

Trang 40

 An ninh:

Truyền dẫn vô tuyến 802.11 sử dụng các kỹ thuật an ninh khác nhau nhằm đảm bảo tính riêng tư (confidence), tính xác thực (authentication) và tính toàn vẹn (integrity) dữ liệu WEP (Wired Equivalent Privacy), WPA (WiFi Protected Access) và WPA2 là ba kỹ thuật an ninh phổ biến trong đó WPA2 dùng bộ mã AES với tính bảo mật rất cao Còn việc xác thực người dùng thì sử dụng Pre- Shared Key cho hộ gia đình và doanh nghiệp nhỏ (SOHO) và sử dụng máy chủ xác thực RADIUS cho doanh nghiệp lớn (Enterprise)

 802.11 a: 54 Mbps, chuẩn 5GHz (ra đời năm1999, sản phẩm thương mại hóa vào năm 2001)

 802.11 b: Cải tiến 802.11 hỗ trợ tốc độ 5.5 và 11 Mbps (1999)

 802.11 c: Qúa trình hoạt động cầu liên kết, bao gồm trong các tiêu chuẩn IEEE 802.1D (2001)

 802.11 d: Mở rộng chuyển vùng quốc tế (country-to-country) (2001)

 802.11 e: Cải tiến QoS, bao gồm đóng gói theo cụm (packet brusting) (2005)