iot cloud gcp và ứng dụng ngôi nhà thông minh

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 60Monday, June 10, 20242:52:50 PM2:52:50 PM60Monday, June 10, 20242:52:50 PM2:52:50 PM60Monday, June 10, 20242:52:50 PM2:52:50 PMIoT Cloud GC

Trang 1

INDUSTRIAL UNIVERSITY OF HO CHI MINH CITY FACULTY OF INFORMATION TECHNOLOGY

HUYNH GIA TUE LE THI KIM TRUC

IOT CLOUD GCP AND SMART HOME APPLICATION Major: Information Technology

Supervisor: M.Sc Nguyen Thanh Thai

HO CHI MINH CITY, 2020

IoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minh

60Monday, June 10, 20242:52:50 PM2:52:50 PM60Monday, June 10, 20242:52:50 PM2:52:50 PM60Monday, June 10, 20242:52:50 PM2:52:50 PM

IoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minh

IoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhIoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minh

60IoT Cloud GCP Va Ung dung ngoi nha thong minhMonday, June 10, 2024

Trang 2

ABSTRACT

Title: IoT Cloud Google Cloud Platform(GCP) and Smart Home Application

In modern houses today, number of electric devices is constantly increasing However, due to the differences in architectures of these devices, especially the distance between them, there are many difficulties in controlling

For this reason, applying automatic control technologies for creating a flexible interaction between environment and indoor equipment is inevitable This leads to the smart home concept In this thesis report, we will present a simulation system which integrates hardware and software using Internet of Things (loT) technology

This project aims to be able to remotely control devices via the Internet, use Google Cloud's Firebase service to deploy websites, use free hosting provided by Firebase to access and control devices in Smart Home model The highlight of the model is that it can monitor the status of the device while collecting and analyzing data visually with the management server (Cloud Google) and direct control via Firebase or the function designed to use or to control the device on the site

Key words: Internet of Things, Smart Home, Automatic Control, Home Automation

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp là giai đoạn quan trọng nhất trong quãng đời mỗi sinh viên Báo cáo khóa luận tốt nghiệp là tiền đề nhằm trang bị cho chúng em những kỹ năng nghiên cứu, những kiến thức quý báu trước khi lập nghiệp.

Trước hết, chúng em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giảng viên Khoa Công nghệ thông tin trường Đại học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh Đặc biệt là các Thầy, Cô trong chuyên ngành Công nghệ thông tin đã tận tình chỉ dạy và trang bị cho chúng em những kiến thức cần thiết trong suốt thời gian ngồi trên ghế giảng đường, làm nền tảng kiến thức giúp chúng em có thể hoàn thành được bài báo cáo này.

Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn ThS Nguyễn Thành Thái đã tận tình giúp đỡ, định hướng cách tư duy và cách làm việc khoa học Đó là những góp ý hết sức quý báu không chỉ trong quá trình thực hiện luận văn này mà còn là hành trang tiếp bước cho em trong quá trình học tập và tích lũy kinh nghiệm làm việc sau này.

Sau cùng, tuy đã nỗ lực hết sức có thể nhưng do thời gian thực hiện đề tài không nhiều và kiến thức cũng như kinh nghiệm còn hạn chế nên đồ án tốt nghiệp của chúng em có thể sẽ còn nhiều thiếu sót Vì vậy, chúng em kính mong quý thầy cô thông cảm và rất mong nhận được ý kiến từ mọi người để hoàn thiện đề tài tốt hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Trang 4

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Trang 5

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 1

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 6

NHẬN XÉT VÀ PHẢN BIỆN CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 2

Trang 7

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 2

1.3 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 2

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 GIỚI THIỆU VỀ IOT 4

2.1.1 Định nghĩa 4

2.1.2 Đặc tính cơ bản của mô hình IoT 5

2.1.3 Ứng dụng của IOT 6

2.2 GIỚI THIỆU VỀ NHÀ THÔNG MINH ỨNG DỤNG IOT 8

2.2.1 Định nghĩa về nhà thông minh 8

2.2.2 Cách hoạt động nhà thông minh 9

2.3 GIỚI THIỆU VỀ DỊCH VỤ LƯU TRỮ ĐÁM MÂY(CLOUD) 10

2.3.1 Định nghĩa 10

2.3.2 Lợi ích Cloud 11

2.3.3 Phương thức hoạt động của Computing Cloud 12

2.3.4 Vai trò và lợi ích của Cloud với IOT 12

2.4 TỔNG QUAN VỀ GOOGLE CLOUD IOT CORE 13

2.4.1 Khái niệm 13

2.4.2 Các thành phần Google Clould IoT Core 14

2.4.3 Cách thức bảo mật, kết nối thiết bị với GCIC 15

Trang 8

2.4.4 Quan hệ giữa thiết bị IoT với GCIC 16

2.5 TỔNG QUAN VỀ GOOGLE FIREBASE 17

2.5.1 Khái niệm về Firebase 17

2.5.2 Dịch vụ cơ bản Firebase 17

2.5.3 Lợi ích Firebase cung cấp 18

2.6 GIỚI THIỆU MỘT SỐ MODULE SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH 19

2.6.1 Module Raspberry Pi 3 19

2.6.2 Module Arduino UNO R3 21

2.6.3 Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 23

2.6.4 Module cảm biến khí ga MQ2 24

2.6.5 Module cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HS-SR501 26

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG VÀ TRIỂN KHAI MÔ HÌNH HỆ THỐNG 28

3.2.2 Thiết lập Google Cloud IoT Core 35

3.3 THIẾT LẬP GOOGLE FIREBASE 37

3.4 DEPLOY DỰ ÁN LÊN HOSTING 38

Trang 9

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 42

Trang 10

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 2 1: Định nghĩa Internet of Things 5

Hình 2 2: Đặc tính cơ bản của IoT 6

Hình 2 3: Ứng dụng của IoT trong xã hội 7

Hình 2 4: Smart City là sản phẩm cho sự phát triển IoT 7

Hình 2 5: Smart Home đang là xu hướng mạnh mẽ phát triển IoT 8

Hình 2 6: Nhà thông minh ứng dụng IoT 9

Hình 2 7: Một số dịch vụ Cloud Computing 11

Hình 2 8: Google Cloud Core với một số dịch vụ Google Cloud 14

Hình 2 9: Cấu trúc chính của Google Cloud IoT Core 14

Hình 2 10: Cơ chế xác thực giữa Device với Cloud 15

Hình 2 11: Device với Cloud IoT qua giao thức MQTT 16

Hình 2 12: Giới thiệu về Firebase 17

Hình 2 13: Module Raspberry Pi 3 B+ 20

Hình 2 14: Phương thức truyền dữ liệu qua giao tiếp UART 21

Hình 2 15: Module Arduino UNO 22

Hình 2 16: Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 23

Hình 2 17: Cảm biến khí Gas MQ2 25

Hình 2 18: Cảm biến thân nhiệt chuyển động 26

Hình 3 1: Mô hình tổng quan hệ thống 28

Hình 3 2: Sơ đồ khối hoạt động của hệ thống 29

Hình 3 3: Mô hình nhà thông minh 30

Hình 3 4: Mô hình kết nối Raspberry với Arduino thông qua cổng Serial 31

Hình 3 5: Kiểm tra cổng kết nối Serial từ Arduino 32

Hình 3 6: Giao diện diều khiển 33

Hình 3 7: Biểu đồ dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm theo thời gian thực 34

Trang 11

Hình 3 9: Khởi tạo Firebase 38

Hình 3 10: Chọn project cần triển khai 39

Hình 3 11: Lựa chọn ngôn ngữ để viết các functions 39

Hình 3 12: Cài đặt các gói thư viện cần thiết 39

Hình 3 13: Cấu hình hosting 40

Hình 3 14: Cấu trúc thư mục của project 40

Hình 3 15: Triển khai dự án lên hosting 40

Hình 4 1: Mô hình nhà thông minh 42

Hình 4 2: Giao diện website 42

Hình 4 3: Database Realtime với Firebase 43

Hình 4 4: Dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm trên Pub/Sub Google Cloud 43

Trang 12

9 MQTT Message Queuing Telemetry Transport 10 NFC Near-Field Communications

11 RFI Radio Frequency Identification

Trang 13

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Xã hội thế kỷ 21 chứng kiến sự phát triển vượt bậc của công nghệ và đánh dấu sự mở đầu của những thiết bị thông minh Smart phone, Smart tivi, Smart watch, smatch home,…đều là những thiết bị ngày càng phổ biến, thông dụng trong đời sống hằng ngày của con người Đúng như tên gọi, những thiết bị này không những có khả năng đáp ứng những yêu cầu cơ bản của con người, mà còn hơn thế, các thiết bị thông minh ra đời đã thay thế con người trong việc kiểm soát và điều khiển các chức năng khác 1 cách chuyên nghiệp, dễ dàng và hiệu quả

Tiếp nối thành công của những thiết bị thông minh ấy, Smart home ra đời như một sự khởi đầu táo bạo về tư duy làm chủ công nghệ ngay trong cuộc sống của con người Một ngôi nhà thông minh với khả năng thấu hiểu tư duy điều khiển của con người nhanh chóng trở thành đề tài công nghệ có sức hấp dẫn

Đề tài này với mục tiêu đặt ra có thể điều khiển thiết bị từ xa thông qua Internet, sử dụng dịch vụ của Google Cloud là Firebase để deploy trang web, sử dụng hosting miễn phí do Firebase cung cấp để truy cập điều khiển các thiết bị trong mô hình Smart Home Điểm nổi bật của mô hình là có thể giám sát trạng thái của thiết bị đồng thời thu thập và phân tích dữ liệu trực quan có server quản lý (Cloud Google) và điều khiển trực tiếp thông qua Firebase hoặc chức năng đã thiết kế dùng để điều khiển thiết bị trên trang web

Trang 14

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, khi đời sống ngày càng được nâng cao, những nhu cầu của con người đòi hỏi những sự tiện nghi và hỗ trợ tốt nhất Cùng với đó là sự mở rộng không ngừng của mạng lưới internet trên khắp các vùng quốc gia và lãnh thổ làm cho việc giám sát và điều khiển hệ thống qua mạng internet trở thành tất yếu Từ những yêu cầu và điều kiện thực tế đó, ý tưởng về ngôi nhà thông minh được hình thành, nơi mà mọi hoạt động của con người đều được hỗ trợ và giúp đỡ một cách linh hoạt, ngoài ra ngôi nhà còn có thể tự động quản lí một cách thông minh nhất

Vậy, như thế nào là nhà thông minh ?

Sự thông minh của một ngôi nhà được đánh giá và thể hiện trên 4 phương diện sau:

Thứ nhất, là khả năng tự động hóa Căn nhà được trang bị hệ thống các cảm biến như: cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí gas, cảm biến báo cháy, cảm biến vật cản, cảm biến ánh sáng… với khả năng tự động hoạt động theo điều kiện môi trường Nhà thông minh giúp chúng ta giám sát được mức tiêu thụ điện, nước tốt hơn so với thông thường

Thứ hai, là khả năng thỏa mãn nhu cầu của người sử dụng Chủ nhân ngôi nhà có thể điều khiển theo ý muốn hoặc theo những kịch bản được lập trình sẵn

Thứ ba, là khả năng bảo mật, giám sát an ninh Hệ thống giám sát an ninh, báo cháy, báo rò rỉ khí gas sẽ tự động báo trạng thái của ngôi nhà qua mạng internet

Thứ tư, là khả năng điều khiển, cảnh báo từ xa thông qua kết nối internet thông qua wifi,3g… Các thiết bị như: bóng đèn, điều hòa, ti vi, tủ lạnh,… cũng đều được kết nối tới mạng internet Người sử dụng chỉ cần có một thiết bị kết nối internet là có thể

Trang 15

theo dõi dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị trong nhà theo ý muốn của bản thân

Từ những yêu cầu thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống, nên chúng em đã chọn đề tài "IoT Google Cloud Platform và Ứng dụng nhà thông minh" để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người Ngoài chức năng bật tắt các thiết bị từ xa, đề tài của nhóm sẽ xây dựng thêm các chức năng giám sát trạng thái điều khiển, bật tắt của thiết bị

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Tìm hiểu và triển khai mô hình ứng dụng IoT điều khiển và giám sát các thiết bị trong ngôi nhà như đèn, quạt, thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm, khí gas dựa vào những chỉ số data thu được đó chúng ta có thể cài đặt cảnh báo vượt ngưỡng gas cho phép hoặc tự động đóng cửa sổ khi độ ẩm không khí thu được vượt ngưỡng bình thường Tất cả các tác vụ này đều có thể triển khai thực hiện thông qua mạng Internet

Cụ thể là tìm hiểu và triển khai mô hình sử dụng Raspberry làm Server kết nối với Arduino Uno – vi xử lý (microcontroller) để điều khiển thiết bị thông qua mạng internet

Tìm hiểu và tiến hành xây dựng cơ sở dữ liệu, truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị và server

Xây dựng giao diện website để điều khiển và giám sát thiết bị

Thiết kế và thi công mô hình để tạo ra một hệ thống "Smart Home" hoàn chỉnh

1.3 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

- Tìm hiểu cách thức hoạt động của các mô hình nhà IoT trước đây

- Tìm hiểu về vi xử lý Arduino Uno, Raspberry Pi và các module cảm biến - Thiết kế giao diện để điều khiển và giám sát

- Thiết kế và thi công mô hình nhà có các chức năng thông minh

Trang 16

- Kết nối các module thiết bị lại với nhau

- Viết chương trình kết nối và điều khiển cho Arduino và Rasberry, nạp code và chạy thử nghiệm sản phẩm

- Thử nghiệm và điều chỉnh phần cứng cũng như chương trình để mô hình được tối ưu và hoàn thiện

- Viết báo cáo luận văn

- Tiến hành báo cáo đồ án tốt nghiệp

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hệ thống sử dụng Raspberry Pi 3 để kết nối Internet làm vi điều khiển chính của hệ thống

Sử dụng các cảm biến thông dụng như: cẩm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11, cảm biến chuyển động PIR, cảm biến khí ga MQ2,… để thu thập các thông tin

Sử dụng hệ thống còi, đèn báo động khi phát hiện khí gas vượt ngưỡng cho phép Sử dụng hệ thống đèn led, relay, để điều khiển tăng tính ứng dụng cho đề tài Sử dụng phần mềm Visual Studio Code để lập trình giao diện cho Website Ngôn ngữ sử dụng chính: Python, HTML, CSS, Javascript,…

Trang 17

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU VỀ IOT

2.1.1 Định nghĩa

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

Hay hiểu một cách đơn giản IoT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị khác

Ngày nay việc đọc sách online, lướt mạng xã hội, đặt mua hàng trực tuyến, sáng chế ra các loại robot tự động, những ngôi nhà được thiết kế để điều khiển một cách tự động,…không còn mới mẻ với con người sống trong thời đại 4.0 như tất cả chúng ta ngày nay nữa Sở dĩ làm được những thứ như vậy là vì chúng đều được thực hiện một cách tự động từ xa, đương nhiên nó cần có sự tác động của con người trên các thiết bị thông minh – sản phẩm của thời đại công nghệ như desktop, laptop, các thiết bị di động(smart phone), tablet,…điểm chung của việc sử dụng những thiết bị thông minh này để thực hiện những tác vụ thông minh đó là chúng đều phải được kết nối Internet

Bằng phương pháp điện toán chi phí thấp, đám mây, dữ liệu lớn, phân tích và công nghệ di động, những thứ vật lý có thể chia sẻ và thu thập dữ liệu với sự can thiệp tối thiểu của con người Trong thế giới siêu kết nối này, các hệ thống kỹ thuật số có thể ghi lại, giám sát và điều chỉnh từng tương tác giữa những thứ được kết nối Thế giới vật lý và thế giới kỹ thuật số kết hợp cùng nhau phát triển

Trang 18

Hình 2 1: Định nghĩa Internet of Things

2.1.2 Đặc tính cơ bản của mô hình IoT

– Tính kết nối liên thông(interconnectivity): với IoT, bất cứ điều gì cũng có thể kết nối với nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể

– Những dịch vụ liên quan đến “Things”: hệ thống IoT có khả năng cung cấp các dịch vụ liên quan đến “Things”, chẳng hạn như bảo vệ sự riêng tư và nhất quán giữa Physical Thing và Virtual Thing Để cung cấp được dịch vụ này, cả công nghệ phần cứng và công nghệ thông tin(phần mềm) sẽ phải thay đổi

– Tính không đồng nhất: Các thiết bị trong IoT là không đồng nhất vì nó có phần cứng khác nhau, và network khác nhau Các thiết bị giữa các network có thể tương tác với nhau nhờ vào sự liên kết của các network

– Thay đổi linh hoạt: Status của các thiết bị tự động thay đổi, ví dụ, ngủ và thức dậy, kết nối hoặc bị ngắt, vị trí thiết bị đã thay đổi,và tốc độ đã thay đổi… Hơn nữa, số lượng thiết bị có thể tự động thay đổi

Trang 19

– Quy mô lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và giao tiếp với nhau Số lượng này lớn hơn nhiều so với số lượng máy tính kết nối Internet hiện nay Số lượng các thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều so với được truyền bởi con người

Hình 2 2: Đặc tính cơ bản của IoT

Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định dạng (identifiable) Việc đánh dấu (tagging) có thể được thực hiện thông qua nhiều công nghệ, chẳng hạn như RFID, NFC, mã vạch, mã QR, watermark kĩ thuật số Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại

2.1.3 Ứng dụng của IOT

Những ứng dụng của IoT vào các lĩnh vực trong đời sống là vô cùng phong phú và

đa dạng Chúng ta sẽ cùng điểm qua một số ứng dụng điển hình đã mang lại "tiếng tăm" cho IoT:

- Internet công nghiệp là 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

Trang 20

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

Hình 2 3: Ứng dụng của IoT trong xã hội

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

Hình 2 4: Smart City là sản phẩm cho sự phát triển IoT

Trang 21

- Hiện tại, smart home đang dần phổ biến hơn và được xem là tiêu chuẩn sống mới hiện nay Mọi thiết bị trong nhà đều có thể điều khiển từ xa chỉ bằng smartphone trên tay Hệ thống chiếu sáng tự động bật tắt khi không cần bật tắt công tắc, khi bạn không có nhà Hay bạn có thể hẹn giờ để bật hệ thống bình nóng lạnh, điều hòa trước khi về nhà Đặc biệt, với tính năng an ninh có thể bảo vệ ngôi nhà của bạn khỏi sự dòm ngó của trộm Ngoài ra, bạn còn có thể điều khiển các thiết bị bằng giọng nói một cách dễ dàng và tiện lợi.

Hình 2 5: Smart Home đang là xu hướng mạnh mẽ phát triển IoT

Ngoài ra còn có rất nhiều các ứng dụng nổi tiếng khác mà IoT đã và đang được sử dụng trên toàn thế giới, ứng dụng được cho tất cả các lĩnh vực trong đời sống như y tế, nông nghiệp, sản xuất, kinh doanh,…

2.2 GIỚI THIỆU VỀ NHÀ THÔNG MINH ỨNG DỤNG IOT 2.2.1 Định nghĩa về nhà thông minh

Nhà thông minh là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được điều khiển hoặc tự động hoá hoặc bán tự động Thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển Hệ thống điện tử này giao tiếp với người dùng thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính

Trang 22

bảng hoặc một giao diện web (Theo Wikipedia)

Hình 2 6: Nhà thông minh ứng dụng IoT

Nhờ ứng dụng các công nghệ như hồng ngoại, điện thoại thông minh, IoT, công nghệ đám mây…Nhà thông minh có thể tự động giúp bạn làm những công việc trong nhà Với những nhà đầu tư thông minh, họ luôn đánh giá cao một căn nhà có thể tự động hóa

Trong một căn nhà thông minh hay Smart home, mọi nơi sẽ được kiểm soát bằng các thiết bị điện tử Chúng sẽ sử dụng các cách giao tiếp riêng đề hiểu nhau như: Bluetooth, hồng ngoại, sóng siêu âm, Wifi,… Và người điều khiển sẽ là bạn qua chính chiếc điện thoại hay giọng nói

2.2.2 Cách hoạt động nhà thông minh

Nhà thông minh không phải là các thiết bị và ứng dụng riêng biệt, chúng làm việc cùng nhau để tạo ra một mạng lưới có thể điều khiển từ xa Chủ nhà điều khiển tất cả các thiết bị được kiểm soát bởi một bộ điều khiển tự động, được gọi là smart home hub Smart home hub là một thiết bị phần cứng hoạt động như điểm trung tâm của hệ thống smart home có thể cảm nhận, xử lý dữ liệu và truyền thông không dây Nó kết hợp tất cả

Trang 23

các ứng dụng riêng lẻ vào một ứng dụng smart home duy nhất có thể được kiểm soát từ xa bởi chủ nhà Ví dụ các smart home hub bao gồm Amazon Echo, Google Home, Insteon Hub Pro, Samsung SmartThings và Wink Hub

Một số hệ thống smart home được tạo ra từ đầu, ví dụ như sử dụng Raspberry Pi hoặc bảng mạch mẫu thử nghiệm Những sản phẩm khác có thể được mua như một bộ smart home kit - còn được gọi là nền tảng smart home - có chứa các phần cần thiết để bắt đầu dự án tự động hóa nhà ở

2.3 GIỚI THIỆU VỀ DỊCH VỤ LƯU TRỮ ĐÁM MÂY(CLOUD) 2.3.1 Định nghĩa

Cloud Computing là một thuật ngữ chỉ kết nối và chia sẻ thông tin dựa trên mức độ lưu lượng truy cập trang web trên toàn bộ mạng Điện toán đám mây thường được cung cấp như một dịch vụ “qua Internet, thường là dưới hình thức cơ sở hạ tầng như một dịch vụ (IaaS), nền tảng như một dịch vụ (PaaS), hoặc phần mềm như một dịch vụ (SaaS)

Nguồn tài nguyên này bao gồm rất nhiều thứ liên quan đến điện toán và máy tính Ví dụ như: phần mềm, dịch vụ, phần cứng,… và sẽ nằm tại các máy chủ ảo (đám

mây) trên mạng Người dùng có thể truy cập vào bất cứ tài nguyên nào trên đám mây

Vào bất kỳ thời điểm nào và ở bất kỳ đâu, chỉ cần kết nối với hệ thống internet

Hiện nay, có 4 mô hình triển khai điện toán đám mây chính đang được sử dụng

phổ biến Đó là: Public Cloud, Private Cloud, Hybrid Cloud và Community Cloud

Trang 24

Hình 2 7: Một số dịch vụ Cloud Computing

2.3.2 Lợi ích Cloud

Điện toán đám mây đem lại rất nhiều lợi ích cho người dùng, cụ thể như sau:

Tiết kiệm chi phí: Giúp giảm thiểu chi phí Bạn sẽ không tốn tiền đầu tư cơ sở

hạ tầng ban đầu Ví dụ như: mua phần cứng, phần mềm, lắp đặt hệ thống,…

Tiện lợi: Người dùng có thể nhanh chóng truy cập, sử dụng tài nguyên thông

qua internet mà không cần cài đặt phức tạp

An toàn và liên tục: Mọi dữ liệu được đồng bộ hóa trên đám mây Giúp đảm

bảo độ an toàn cao hơn, tránh trường hợp mất dữ liệu do hư hỏng ổ cứng Ngoài ra, nhà cung cấp sẽ sao lưu định kỳ và có các phương thức bảo mật để bảo vệ dữ liệu tốt hơn

Triển khai nhanh chóng ở bất kỳ đâu: Chỉ với một vài thao tác đơn giản để

triển khai chúng mọi nơi Điều này đồng nghĩa với việc người dùng sẽ có được trải nghiệm tốt hơn với độ trễ thấp hơn

Với đám mây, bạn có thể mở rộng sang các khu vực địa lý mới và triển khai trên toàn cầu trong vài phút Ví dụ: GOOGLE CLOUD có cơ sở hạ tầng trên toàn thế giới, vì vậy, bạn có thể triển khai ứng dụng của mình ở nhiều địa điểm thực tế

Trang 25

2.3.3 Phương thức hoạt động của Computing Cloud

Điện toán đám mây hoạt động theo cách thức hoàn toàn khác với phần cứng vật lý Cloud Computing cho phép người dùng quyền truy cập vào máy chủ, dữ liệu và

những dịch vụ bằng internet Nhà cung cấp dịch vụ đám mây sẽ sở hữu, quản lý phần cứng và duy trì kết nối mạng Trong khi đó, user sẽ được cung cấp và sử dụng những gì

mà họ thông qua nền tảng web

2.3.4 Vai trò và lợi ích của Cloud với IOT 2.3.4.1 Vai trò

Vai trò của điện toán đám mây trong IoT hoạt động như một phần của sự hợp tác và được sử dụng để lưu trữ dữ liệu IoT, cho phép truy cập dễ dàng khi cần thiết Điện toán đám mây là một phương pháp di chuyển dễ dàng cho các gói dữ liệu lớn do IoT tạo ra thông qua Internet

Điện toán đám mây cung cấp các công cụ và dịch vụ cần thiết để tạo các ứng dụng IoT Cloud giúp đạt được hiệu quả, độ chính xác, tốc độ trong việc triển khai các ứng dụng IoT Đám mây giúp phát triển ứng dụng IoT nhưng IoT không phải là điện toán đám mây

Ví dụ, trong trường hợp một số lượng lớn thiết bị IoT được kết nối với mạng và sẽ tạo ra các byte dữ liệu khổng lồ và các tổ chức cần một hệ thống thích hợp để lưu trữ và truy xuất dữ liệu đó

Với những khả năng mà IOTs platform có thể cung cấp được, các công ty công nghệ ngày càng tận dụng nó nhiều hơn Hiện nay, có rất nhiều các nền tảng điện toán đám mây cung cấp nhiều tùy chọn khác nhau để triển khai các dự án IoTs Những cái

tên như Amazon, Google hay Microsoft là những người tiên phong trong lĩnh vực phát

triển điện toán đám mây và sau đây là 5 nền tảng điện toán đám mây phổ biến bạn có thể sử dụng cho các ứng dụng IOTs của mình

Trang 26

Khả năng mở rộng cho dữ liệu thiết bị

Nhìn chung, sử dụng Đám mây và Internet vạn vật cùng nhau có nghĩa là bạn có thể giao tiếp, kết nối và truyền dữ liệu thành công giữa các thiết bị, theo cách hiệu quả và hiệu quả nhất có thể

2.4 TỔNG QUAN VỀ GOOGLE CLOUD IOT CORE 2.4.1 Khái niệm

Cloud IoT Core là một dịch vụ nằm trong nền tảng Google Cloud Platform Đây là một dịch vụ được quản lý hoàn toàn cho phép bạn kết nối, quản lý và nhập dữ liệu một cách dễ dàng và an toàn từ hàng triệu thiết bị phân tán trên toàn cầu

Cloud IoT Core, kết hợp với các dịch vụ khác trên nền tảng Cloud IoT (Google BigQuery, Google Data Studio, ), cung cấp một giải pháp hoàn chỉnh để thu thập, xử lý, phân tích và trực quan hóa dữ liệu IoT trong thời gian thực để hỗ trợ cải thiện hiệu quả hoạt động

Trang 27

Hình 2 8: Google Cloud IoT Core với một số dịch vụ khác của Google Cloud

2.4.2 Các thành phần Google Clould IoT Core

Các thành phần chính của Cloud IoT Core là trình quản lý thiết bị(device manager) và cầu nối giao thức(protocol bridges)

Hình 2 9: Cấu trúc chính của Google Cloud IoT Core

Trang 28

Device manager: Trình quản lý thiết bị để đăng ký thiết bị với dịch vụ, có thể

theo dõi và cấu hình các thiết bị IoT với GCIC Các thiết bị kết nối tới Google Cloud IoT Core sẽ được xem như là một “device” Nhóm các “device” lại với nhau, chúng ta sẽ có một “registry” là ô chứa đại diện cho cả các “device” đó Việc khởi tạo và quản lý “device” với “registry” sẽ phụ thuộc vào cách tổ chức của chúng ta

Protocol bridges: Cầu nối giao thức (MQTT và HTTP) mà các thiết bị có thể sử

dụng để kết nối với Google Cloud Platform Đây là thành phần cung cấp các giao thức truyền thông để chúng ta có thể truyền nhận dữ liệu với GCIC, hiện GCIC hỗ trợ 2 loại giao thức rất phổ biến đó là MQTT (sử dụng TLS) và HTTPS Và một thành phần có tên Data Broker sẽ có nhiệm vụ chuyển tiếp, phân phối các luồng dữ liệu đến một dịch vụ khác để thực hiện lưu trữ xử lý có tên gọi là Cloud Pub/Sub

2.4.3 Cách thức bảo mật, kết nối thiết bị với GCIC 2.4.3.1 Bảo mật

Google IoT Core sử dụng kết nối TLS1.2 cho tầng transport và JWT cho tầng application để mã hóa và xác thực danh tính thiết bị bằng mã thông báo Web Json (JWTs, RFC 7519)

Hình 2 10: Cơ chế xác thực giữa Device với Cloud

Trang 29

Khi một thiết bị kết nối với cầu MQTT, thiết bị kèm chuỗi JWT làm mật khẩu trong CONNECT tin nhắn MQTT để giải mã và xác thực thiết bị

Cloud IoT Core sử dụng xác thực dựa trên chữ ký kỹ thuật số, cho cả mã thông báo đã ký RSA và Elliptic Curve

4.3.2 Kết nối

MQTT là một giao thức gởi dạng publish/subscribe sử dụng cho các thiết bị Internet of Things với băng thông thấp, độ tin cậy cao và khả năng được sử dụng trong mạng lưới không ổn định

HTTP là giao thức "không kết nối": với cầu nối HTTP, các thiết bị không duy trì kết nối với Cloud IoT Core Thay vào đó, họ gửi yêu cầu và nhận phản hồi Cloud IoT Core chỉ hỗ trợ HTTP 1.1

2.4.4 Quan hệ giữa thiết bị IoT với GCIC

Cloud IoT Core hỗ trợ giao thức MQTT bằng cách chạy một nhà môi giới được quản lý lắng nghe cổng mqtt.googleapis.com:8883 Cổng 8883 là cổng TCP tiêu chuẩn dành riêng cho IANA để kết nối MQTT an toàn Các kết nối với cổng này phải sử dụng truyền tải TLS , được hỗ trợ bởi các máy khách nguồn mở như Eclipse Paho

Hình 2 11: Sự tương tác giữa các Device với Cloud IoT qua giao thức MQTT

Trang 30

Trong một hệ thống sử dụng giao thức MQTT, nhiều client kết nối tới một server Trong đó server được gọi là MQTT Broker Mỗi client sẽ đăng ký theo dõi các kênh thông tin (topic) hoặc gửi dữ liệu lên kênh thông tin đó

2.5 TỔNG QUAN VỀ GOOGLE FIREBASE 2.5.1 Khái niệm về Firebase

Firebase là một dịch vụ cơ sở dữ liệu thời gian thực hoạt động trên nền tảng đám mây được cung cấp bởi Google nhằm giúp các lập trình phát triển nhanh các ứng dụng bằng cách đơn giản hóa các thao tác với cơ sở dữ liệu

Hình 2 12: Giới thiệu về Firebase

Dữ liệu được lưu trữ trên cloud (cloud hosted database) dưới định dạng JSON và đồng bộ với tất cả máy khách theo thời gian thực kể cả khi offline

2.5.2 Dịch vụ cơ bản Firebase 2.5.2.1 Firebase Realtime Database

Realtime Database một service của Firebase, là cơ sở dữ liệu lưu trữ trên mây Dữ liệu được lưu trữ và đồng bộ hóa theo thời gian thực với mỗi client được kêt nối Khi xây dựng ứng dụng đa nền tẩng với iOS, Android, và javascript SDK, tất cả các