nhập môn ngành điện đề tài tìm hiểu hệ thống iot internet of things và lấy ví dụ minh họa về 1 hệ thống iot cụ thể

Ví dụ về các đối tượng vật lý bao gồm xe cộ, điện thoại thông minh, thiết bị gia dụng, đồ chơi, máy ảnh, dụng cụ y tế và hệ thống công nghiệp, động vật, con người, tòa nhà, vv.... Wearab

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

-Nhập môn ngành điện

Đề tài Tìm hiểu hệ thống IoT (Internet of Things) và lấy ví dụ minh họa về :

1 hệ thống IoT cụ thể

Giảng viên hướng dẫn: Trần Thị Anh Xuân

Nhóm thực hiện: nhóm 5

1 Bùi Duy Lợi _ 20222583

2 Phạm Phương Mai_ 20222330

3 Đậu Đức Mạnh _ 20222590

Hà Nội, 2023

Phân chia công việc thực hiện

1 Đậu Đức Mạnh

- Tìm hiểu tổng quan về IoT

- Đặc trưng và lợi ích hệ thống IoT mang lại

2 Phạm Phương Mai

- Tìm hiểu ưu, nhược điểm và yêu cầu của một hệ thống IoT

- Cấu trúc và cách thức hoạt động của hệ thống IoT

3 Bùi Duy Lợi

- Tìm hiểu về nhà thông minh

- chuẩn bị slide thuyết trình

Mục Lục

Phân chia công việc thực hiện 2

Mục Lục 3

Chương I Tổng quan về IoT 4

1 Định nghĩa IoT 4

2 Quá khứ và sự tiến hóa của IoT 4

3 Một số ứng dụng tiêu biểu của hệ thống IoT 5

Chương II Đặc trưng và lợi ích hệ thống IoT mang lại 6

1 Các đặc trưng cơ bản của hệ thống IoT 6

2 Lợi ích 7

Chương III Ưu, nhược điểm và yêu cầu của một hệ thống IoT 7

1 Ưu điểm 7

2 Nhược điểm 7

3 Yêu cầu của một hệ thống IoT 8

Chương IV Cấu trúc và cách thức hoạt động của hệ thống IoT 9

1 Cấu trúc hệ thống IoT 9

2 Cách thức hoạt động cơ bản của IoT: 9

Chương V Nhà thông minh 10

1 Nhà thông minh là gì? 10

2 Những lợi ích của nhà thông minh 11

3 Một số hệ thống thiết bị thông minh cơ bản trong nhà thông minh hiện nay 11

3.1 Bộ điều khiển trung tâm 11

3.2 Hệ thống đèn thông minh 12

3.3 Hệ thống điều khiển điện thông minh 13

3.4 Hệ thống điều khiển rèm thông minh 14

3.5 Hệ thống điều khiển nóng lạnh thông minh 14

3.6 Hệ thống cảm biến thông minh 14

3.7 Chuông cửa thông minh 14

3.8 Hệ thống an ninh - Camera quan sát 15

Chương I Tổng quan về IoT

1 Định nghĩa IoT

IoT ( Internet of Thing ) là một kịch bản 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 thực hiện một công việc nào đó

IoT đề cập đến ý tưởng về sự vật, có thể đọc được, có thể nhận biết, định vị,

có thể xác định địa chỉ thông qua các thiết bị cảm biến thông tin và có thể kiểm soát thông qua Internet Mọi thứ là các đối tượng vật lý có số nhận dạng duy nhất, có thể truyền dữ liệu qua mạng Ví dụ về các đối tượng vật lý bao gồm xe

cộ, điện thoại thông minh, thiết bị gia dụng, đồ chơi, máy ảnh, dụng cụ y tế và

hệ thống công nghiệp, động vật, con người, tòa nhà, vv

IoT là một công nghệ tiên tiến và mang tính cách mạng mới, nơi mọi đối tượng trở thành đối tượng thông minh và nơi họ có thể truyền đạt thông tin về bản thân mà không có sự can thiệp của con người Internet of Things được kỳ vọng sẽ tạo ra một thay đổi lớn trong cuộc sống của chúng ta; nó sẽ giúp chúng

ta thực hiện nhiệm vụ và công việc của mình một cách tốt hơn

2 Quá khứ và sự tiến hóa của IoT

Ý tưởng đầu tiên về IoT bắt đầu từ các máy bán hàng tự động của Coca Cola vào năm 1980 tại Carnegie, Đại học Melon, sinh viên khoa Khoa học máy tính cài đặt thiết bị chuyển mạch siêu nhỏ vào máy để xem liệu các thiết bị làm mát

có giữ cho đồ uống đủ lạnh hay không và nếu đã có sẵn lon coca trong máy qua internet Phát minh đầu tiên này khuyến khích các nghiên cứu sâu hơn về máy móc kết nối Cuối năm 1990, với giao thức TCP/ IP John, lần đầu tiên Romkey kết nối máy nướng bánh mì với Internet

Năm 1991 tại Đại học Cambridge, các nhà khoa học đã phát triển một hệ thống kiểm tra lượng cà phê có sẵn trong máy pha cà phê.Cùng năm đó, Kevin Ashton giới thiệu khái niệm về Internet of Thing (IoT) trong một bài thuyết trình giấy cho Procter & Gamble Trong bài thuyết trình, anh ấy giải thích Internet of Thing như một công nghệ kết nối các thiết bị sử dụng RFID (tần số

vô tuyến và nhận dạng) công nghệ Năm 2008, các nhà khoa học từ 23 quốc gia

đã được tập hợp lại tại Thụy Sĩ trong cuộc thi quốc tế đầu tiên hội thảo trên IoT,

để thảo luận về RFID, không dây tầm ngắn mạng truyền thông và cảm biến Năm 2010 là sự ra đời thực sự của Internet vạn vật theo Cisco vì số lượng các thiết bị được kết nối với nhau Họ cũng nói rằng số lượng thiết bị được kết nối với nhau đã vượt qua số lượng người trên trái đất

Trong năm 2015, số lượng thiết bị được kết nối đã vượt quá số lượng người một cách đáng kể Chúng ta có thể thấy trong hình dưới rằng trong năm 2020 số lượng thiết bị được kết nối là 50 tỷ và dân số thế giới là 7,6 tỷ người Điều này cho thấy rằng số lượng thiết bị được kết nối là gấp sáu lần số lượng con người Mong rằng trong tương lai, vạn vật sẽ có thể kết nối với nhau Những điều không chỉ bao gồm các thiết bị điện tử mà còn cả sách, giày dép, thực phẩm, nước, vvv

Dự đoán của Cisco về các thiết bị được kết nối (Nguồn: Cisco- the internet of things How the nest evolution of the internet

is changing everythings)

3 Một số ứng dụng tiêu biểu của hệ thống IoT

Smart Home- Nhà thông minh: có thể bật điều hòa trước khi về đến nhà,

bật/ tắt đèn tự động,…

Wearable – thiết bị đeo thông minh: kính thực tế ảo, thiết bị đeo thể dục

để theo dõi, ví dụ như lượng calo tiêu thụ và nhịp đập của tim, hoặc dây đai theo dõi GPS

Ô tô: xe ô tô được kết nối là phương tiện có thể tối ưu hóa hoạt động của

chính nó, bảo trì cũng như sự thoải mái của khách hang bằng cách sử dụng các cảm biến trên xe và kết nối internet

Smart City- Thành phố thông minh: Giám sát thông minh, giao thông tự

động, hệ thống quản lý năng lượng thông minh hơn, phôn phối nước,…IoT

sẽ giải quyết các vấn đề lớn mà người dân ở các thành phố phải đối mặt như ô nhiễm, tắc nghẽn giao thông,…

Chăm sóc sức khỏe: Việc sử dụng các thiết bị đeo hoặc cảm biến được kết

nối với bệnh nhân, cho phép bác sĩ theo dõi tình trạng của bệnh nhân bên ngoài bệnh viện Một công nghệ khác là tích hợp IoT vào giường bệnh, đucợ trang bị các cảm biến đặc biệt để quan sát các dấu hiệu sinh tồn, huyết áp, oxy, nhiệt độ cơ thể,…

Khách sạn, du lịch

Lưới điện thông minh và tiết kiệm năng lượng

Chương II Đ ặc trưng và lợi ích hệ thống IoT mang lại

1 Các đặc trưng cơ bản của hệ thống IoT

Một hệ thống IoT hoàn chỉnh sẽ bao gồm các đặc trưng sau:

– Khả năng định danh: bất kỳ đối tượng nào tham gia vào hệ thống IoT bao gồm cả máy móc vào con người đều được định danh Điều này giúp hệ thống phân loại được nhóm đối tượng nhờ đó quá trình xử lý thông tin và chia sẻ dữ liệu được tiến hành chính xác, hiệu quả Có thể kể đến một vài hình thức định danh phổ biến của hệ thống IoT như: mã vạch, QR code, địa chỉ IP,…

– Thông minh: Trí thông minh nhân tạo ngày nay đã được đưa vào hệ thống IoT để tạo ra các thiết bị thông minh với đầy đủ chức năng, có thể thực hiện tốt các nhiệm vụ được giao dựa trên tình huống và điều kiện môi trường thực tế

– Kết nối liên thông: Trong mạng lưới IoT, tất cả vật dụng, thiết bị, máy móc

đều có thể kết nối liên thông với nhau thông qua mạng lưới thông tin

– Thay đổi linh hoạt: Trạng thái của các tất cả máy móc, thiết bị có thể thay đổi linh hoạt và tự động như: bật/tắt, kết nối/ngắt kết nối, truy xuất vị trí,…

– Quy mô kích thước lớn: Hệ thống IoT sở hữu máy móc, thiết bị với số lượng cực lớn Tất cả đều được quản lý và giao tiếp với nhau và khối lượng thông tin truyền đi giữa chúng thực tế lớn hơn gấp nhiều lần so với tưởng tượng Theo Gartner, Inc (Công ty nghiên cứu và tư vấn công nghệ), trong năm 2020 có khoảng 26 tỷ thiết bị tham gia vào hệ thống IoT và con số này chắc chắn còn tiếp tục tăng trưởng nhanh chóng trong thời đại số hiện nay

2 Lợi ích

Nâng cao hiệu quả công việc

Hệ thống IoT giúp đẩy nhanh việc khai thác, trao đổi và sử dụng dữ liệu trong hệ thống điều hành và quy trình làm việc của công ty Qua đó tạo nên nhiều tích cực trong công tác quản trị, nghiên cứu chế tạo sản phẩm mới, cải thiện chất lượng dịch vụ đáp ứng sự hài lòng của người dùng

Bên cạnh đó, hệ thống IoT còn giúp nhà máy tự động hóa quy trình sản xuất, giảm chi phí nhân công, tăng nhanh thời gian sản xuất, đảm bảo chất lượng và giảm giá thành sản phẩm

Nâng cao chất lượng cuộc sống

Ngoài ứng dụng nhiều trong doanh nghiệp, nhà máy sản xuất, hệ thống IoT còn

có mặt ở những lĩnh vực khác như: đồ dùng gia dụng tiện ích, thiết bị chăm sóc sức khỏe thông minh,… trong cuộc sống Nhờ đó, chất lượng và điều kiện sống của con người ngày càng được cải thiện góp phần hình thành thói quen sống hiện đại ngày nay

Chương III Ưu , nhược điểm và yêu cầu của một hệ thống IoT

1 Ưu điểm

Truy cập thông tin mọi lúc, mọi nơi trên mọi thiết bị thông tin có kết nối internet

Hệ thống IoT cải thiện khả năng giao tiếp giữa các thiết bị điện tử Chuyển dữ liệu nhanh chóng qua Internet giúp tiết kiệm thời gian và tiền bạc

Tự động hóa nhiệm vụ được giao giúp cải thiện chất lượng dịch vụ của

doanh nghiệp.

2 Nhược điểm

Thông tin được chia sẻ giữa nhiều thiết bị có thể bị đánh cắp Do đó, cần có giải pháp ngăn ngừa, phòng chống nguy cơ

Khi hệ thống xảy ra lỗi, nếu không có biện pháp khắc phục kịp thời có khả năng gây hư hại nhiều thiết bị

Việc thu thập và quản lý dữ liệu từ tất cả các thiết bị của các doanh nghiệp có quy mô cũng xem là một thách thức lớn

Vì không có tiêu chuẩn quốc tế về khả năng tương thích cho IoT rất khó để các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau liên kết được với nhau

3 Yêu cầu của một hệ thống IoT

Kết nối dựa trên sự nhận diện: Nghĩa là các “Things” phải có ID riêng biệt

Hệ thống IoT cần hỗ trợ các kết nối giữa các “Things”, và kết nối được thiết lập dựa trên định danh (ID) của “Things”

Khả năng cộng tác: Hệ thống IoT khả năng tương tác qua lại giữa các mạng và

giữa các “Things”

Khả năng tự quản của mạng: Bao gồm tự quản lý, tự cấu hình, tự phục hồi, tự

tối ưu hóa và tự có cơ chế bảo vệ Điều này cần thiết để mạng có thể thích ứng với các lĩnh vực ứng dụng khác nhau, môi trường truyền thông khác nhau, và nhiều loại thiết bị khác nhau

Dịch vụ thoả thuận: Dịch vụ này để có thể được cung cấp bằng cách thu thập,

giao tiếp và xử lý tự động các dữ liệu giữa các “Things” dựa trên các quy tắc (rules) được thiết lập bởi người vận hành hoặc tùy chỉnh bởi các người dùng

Các khả năng dựa vào vị trí: Thông tin liên lạc và các dịch vụ liên quan đến

một thiết bị sẽ phụ thuộc vào thông tin vị trí của Things và người sử dụng Hệ thống IoT có thể biết và theo dõi vị trí một cách tự động

Bảo mật: Trong IoT, nhiều “Things” được kết nối với nhau Chính điều này làm

tăng mối nguy trong bảo mật, chẳng hạn như bí mật thông tin bị tiết lộ, xác thực sai, hay dữ liệu bị thay đổi hay làm giả

Bảo vệ tính riêng tư: Tất cả các “Things” và dữ liệu thu thập được từ các

“Things” có thể chứa thông tin cá nhân liên quan đến chủ sở hữu hoặc người sử dụng nó Các hệ thống IoT cần bảo vệ sự riêng tư trong quá trình truyền, tập hợp, lưu trữ, khai thác và xử lý dữ liệu Bảo vệ sự riêng tư thì không nên thiết lập một rào cản đối với xác thực nguồn dữ liệu

Plug-and-Play (tính sẵn sàng hoạt động): Các Things phải được

plug-and-play một cách dễ dàng và tiện dụng

Khả năng quản lý: Hệ thống IoT cần phải hỗ trợ tính năng quản lý các

“Things” để đảm bảo mạng hoạt động bình thường Ứng dụng IoT thường làm việc

tự động mà không cần sự tham gia của con người, nhưng toàn bộ quá trình hoạt động của chúng nên được quản lý bởi những người liên quan

Chương IV Cấu trúc và cách thức hoạt động của hệ thống IoT

1 Cấu trúc hệ thống IoT

Một hệ thống IoT sẽ có 4 thành phần chính như sau:

Thiết bị (Things)

Trạm kết nối (Gateways)

Hạ tầng mạng (Network and Cloud)

Bộ phân tích và xử lý dữ liệu (Services-creation and Solution Layers)

2 Cách thức hoạt động cơ bản của IoT:

Thu thập dữ liệu → Chia sẻ dữ liệu→Xử lí dữ liệu→Đưa ra quyết định

Thu thập dữ liệu: Cảm biến/thiết bị thu thập dữ liệu từ môi trường Dữ

liệu có thể đơn giản là nhiệt độ, độ ẩm, hay phức tạp như hình ảnh video

Chia sẻ dữ liệu: Nhờ cảm biến/thiết bị được kết nối internet, dữ liệu

được chia sẻ thông qua bộ lưu trữ đám mây

Xử lí dữ liệu: Dữ liệu trên bộ lưu trữ đám mây được hệ thống máy tính

xử lý Máy tính tự đưa ra quyết định hoặc gửi kết quả đến người dùng

Đưa ra quyết định: Người dùng nhận dữ liệu qua email, thông báo, và

có thể dựa vào đó để đưa ra điều chỉnh thông qua một bộ giao diện Đôi khi, các thiết bị này giao tiếp với các thiết bị liên quan khác và hoạt động dựa trên thông tin chúng nhận được từ nhau Các thiết bị thực hiện hầu hết công việc mà không có sự can thiệp của con người, mặc dù mọi người có thể tương tác với các thiết bị

Chương V Nhà thông minh

1 Nhà thông minh là gì?

Cùng với sự phát triển của toàn nhân loại trên mọi lĩnh vực khoa học, công nghệ, âm nhạc, nghệ thuật đã mang đến những thay đổi trong lối sống cũng như nhu cầu của con người Đặc biệt là nhu cầu về nhà ở, khi ngày càng có nhiều người mong muốn sở hữu một ngôi nhà thông minh, tiện lợi hơn là một ngôi nhà truyền thống

Nhà thông minh là kiểu nhà có lắp đặt các thiết bị điện tử được điều khiển hoặc tự động hóa hay bán tự động thông qua các ứng dụng quản lý trên điện thoại hoặc bằng giọng nói với bộ điều khiển trung tâm

Các thiết bị nằm trong hệ sinh thái nhà thông minh thay thế con người thực hiện một hoặc số thao tác quản lý và điều khiển Nhờ ứng dụng các công nghệ như hồng ngoại, điện thoại thông minh, công nghệ đám mây, IoT,… nhà thông minh có khả năng tự động hóa giúp bạn hoàn thành các công việc thường ngày với các thiết bị mà không cần tốn quá nhiều công sức

Đơn giản dễ hiểu hơn đó là nhà thông minh bao gồm các thiết bị điện trong ngôi nhà bạn được kết nối với nhau bởi một thiết bị trung tâm nhằm mục đích dễ dàng kiểm soát và điều khiển bằng điện thoại smartphone dù ở bất cứ nơi nào

Và chúng có thêm khả năng chạy tự động nếu chủ nhà cài đặt những chương trình hoạt động bật tắt cho chúng theo lịch hẹn phù hợp với từng hoàn cảnh, từng người và từng ngôi nhà

Chủ nhà có thể tắt/ bật các thiết bị trong ngôi nhà từ xa

2 Những lợi ích của nhà thông minh

– Nhà thông minh cho phép bạn kiểm soát mọi thứ, từ hệ thống các thiết bị, công tắc cho đến tối ưu hóa nguồn năng lượng

– Nhà thông minh có thể tự động hóa rất nhiều thứ như: bật tắt công tắc đèn, tự động điều chỉnh nhiệt độ phòng, đóng mở cửa sổ tự động, – Các yếu tố sinh thái như tiết kiệm năng lượng luôn được nhà thông minh

xử lý với quy trình nghiêm ngặt và hiện đại

– Nhà thông minh có thể giúp bạn điều chỉnh mức sử dụng năng lượng nhờ

cơ chế xác định năng lượng dùng trong phòng, giúp bạn tránh lãng phí năng lượng điện

3 Một số hệ thống thiết bị thông minh cơ bản trong nhà thông minh hiện nay

3.1 Bộ điều khiển trung tâm

Bộ điều khiển trung tâm nhà thông minh được xem như bộ não của mô hình nhà thông minh Có vai trò vô cùng quan trọng trong việc quản lý hoạt động của các thiết bị điện thông minh khác Với bộ điều khiển này, bạn có thể dễ