NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ IOT VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ HÀ NỘI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ IOT VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ HÀ NỘINGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ IOT VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ HÀ NỘINGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ IOT VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ HÀ NỘINGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ IOT VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ HÀ NỘINGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ IOT VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ HÀ NỘI

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-

ĐẶNG XUÂN HOÀNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ IOT VÀ ỨNG DỤNG TRONG

HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ

HÀ NỘI

ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN

Hà Nội - 2024

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

ĐẶNG XUÂN HOÀNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ IOT VÀ ỨNG DỤNG TRONG

HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ

HÀ NỘI

Ngành Hệ Thống Thông Tin

Mã số : 8480104

ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS HÀ MẠNH ĐÀO

Hà Nội – 2024

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

MỤC LỤC CÁC HÌNH iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

LỜI CAM ĐOAN vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ CÁC CÔNG NGHỆ NỀN TẢNG 3

1.1 Mức độ quan trọng việc giám sát chất lượng không khí 3

1.1.1 Hiện trạng ô nhiễm không khí hiện nay 3

1.1.2 Hiện trạng hệ thống giám sát chất lượng không khí của Hà Nội 4

1.2 Cấu trúc chung của hệ thống giám sát chất lượng không khí hiện đại 5

1.3 Các công nghệ trong các hệ thống giám sát chất lượng không khí 7

1.3.1 Công nghệ IoT 7

1.3.2 Công nghệ Điện toán đám mây (Cloud Computing) 13

1.3.3 Phát triển hệ thống IoT với điện toán đám mây 17

1.3.4 Các công nghệ khác 26

1.4 Kết luận chương 1 26

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ 27 2.1 Mô hình hệ thống 27

2.2 Thiết kế hệ thống 27

2.2.1 Thiết kế phần cứng 27

2.2.2 Phần mềm 39

2.2.3 Server 40

2.2.4 Cơ sở dữ liệu 41

2.3 Thiết kế phần mềm 43

2.3.1 Mô đun thu thập dữ liệu của hệ thống giám sát thông số môi trường 43 2.4 Thiết kế điện toán đám mây Thingspeak 49

2.5 Kết luận chương 2 55

CHƯƠNG 3 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 56

3.1 Mô hình thử nghiệm 56

3.2 Các kịch bản thử nghiệm 58

3.2.1 Bảng các kịch bản thử nghiệm 58

3.2.2 Một số kịch bản thử nghiệm 58

3.3 Đánh giá thực nghiệm 65

3.4 Kết Luận chương 3 65

KẾT LUẬN 66

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

MỤC LỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Bảng trạm kiểm sát 4

Hình 1.2 Ví dụ một hệ thông GSCLKK 7

Hình 1.3: Kiến trúc IoT chuẩn 7

Hình 1.4 Các kiến trúc phân tầng của IoT 8

Hình 1.5 Ví dụ các thành phần của giao thức MQTT 10

Hình 1.6 Giao thức thông điệp nâng cao AMQP 10

Hình 1.7 Mô hình IoT sử dụng giao thức DDS 11

Hình 1.8 Mô hình IoT với giao thức XMPP 12

Hình 1.9 Mô hình IoT sử dụng giao thức CoAP 12

Hình 1.10 Quá trình phát triển điện toán đám mây 13

Hình 1.11 Mô hình điện toán đám mây (NIST) theo nguyên tắc 5-4-3 14

Hình 1.12 Mô hình kinh doanh của điện toán đám mây 14

Hình 1.13 Mô hình triển khai của điện toán đám mây 15

Hình 1.14 a) Đám mây Google; b) Đám mây AWS của Amazon; 16

c) Đám mây Azure của Microsoft 16

Hình 1.15 Mô hình điện toán đám mây di động 16

Hình 1.16 Nền tảng đám mây của Google (PaaS) 17

Hình 1.17 Mô hình GCIoTCore 18

Hình 1.18 Hệ thống IoT sử dụng IoT core của Google 19

Hình 1.19 AWS IoT 20

Hình 1.20 Hoạt động của AWS IoT 20

Hình 1.21 Các thành phần AWS IoT 21

Hình 1.22 Kiến trúc các thành phần AWS IoT core 22

Hình 1.23 Các dịch vụ của AWS IoT cốt lõi 23

Hình 1.24 Công nghệ, dịch vụ, giải pháp của Azure 24

Hình 1.25 Mô hình của ThingSpeak 25

Hình 2.1 Mô hình hệ thống giám sát chất lượng không khí 27

Hình 2.2 Cấu trúc của nút thiết bị đầu cuối 28

Hình 2.3 Mô đun ESP32 29

Hình 2.4 Sơ đồ chân mô đun ESP32 29

Hình 2.5 Cấu trúc của mô đun ESP32 29

Hình 2.6 Mô đun và chân của DHT11 32

Hình 2.7 Sơ đồ kết nối điện tử của mô đun DHT11 với ESP32 33

Hình 2.8 Quá trình truyền thông của DHT11 34

Hình 2.9 Mô đun MQ135 và các chân tín hiệu 35

Hình 2.10 kết nối MQ135 với ESP32 36

Hình 2.11 Cảm biến BME280 36

Hình 2.12 Cấu tạo của cảm biến GP2Y1014AU0F 38

Hình 2.13 hình dạng và sơ đồ chân của cảm biền GP2Y1014AU0F 39

Hình 2.14 Sơ đồ thuật toán thu thập dữ liệu 43

Hình 2.15.Sơ đồ thuật toán đọc, xử lý dữ liệu của thiết bị đầu cuối 44

Hình 2.16 Sơ đồ thuật toán thu thập và cập nhật dữ liệu của Thingspeak 46

Hình 2.17 Sơ đồ truy cập giám sát thông số môi trường từ thiết bị đầu cuối 48

Hình 2.18 Tạo tài khoản Thingspeak 50

Hình 2.19 Tạo kênh truyền thông 51

Hình 2.20 Tạo kênh truyền thông với 2 trường Data_1, Data_2 51

Hình 2.21 Server lưu trữ dữ liệu 52

Hình 2.22 Cập nhật dữ liệu lên Server 52

Hình 2.23 Thay đổi thông số của kênh truyền thông 53

Hình 2.24 Dùng khóa Key để đọc/viết dữ liệu từ kênh truyền thông 53

Hình 3.1 Mô hình thử nghiệm 56

Hình 3.2 Một số hình ảnh hệ thống thử nghiệm 58

Hình 3.3 Một số hình ảnh kết quả thu được chạy trong mạng cục bộ 62

Hình 3.4 Kết quả chạy hệ thống với đám mây Thingspeak 65

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

3 API Application Progmraming

Interface

Giao diện lập trình ứng dụng

4 MQTT Message Queue Telemetry

Transport

Giao Thức Truyền Thông Hàng Đợi Đo Lường

5 AMQP Advanced Message Queing

Protocol

Giao Thức Hàng Đợi Tin Nhắn Tiên Tiến

6 DDS Data distribution service Dịch Vụ Phân Phối

8 CoAP Constrained Application

Protocol

Giao Thức Ứng Dụng Hạn Chế

10 GCP Google Cloud Platform Nền tảng đám mây

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong đề án tốt nghiệp này là trung thực Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện đề án tốt nghiệp này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong đề án tốt nghiệp đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố

Người thực hiện đề án tốt nghiệp

Đặng Xuân Hoàng

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Trong tình hình hiện nay, tình trạng ô nhiễm không khí đang ngày càng trở nên nghiêm trọng và ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường Các nguồn gốc ô nhiễm bao gồm khí thải từ các phương tiện giao thông, nhà máy sản xuất, năng lượng hoá thạch, và cả các hoạt động hàng ngày như nấu nướng và sưởi ấm

Ô nhiễm không khí góp phần vào nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng như các bệnh hô hấp, bệnh tim mạch, và thậm chí có thể dẫn đến tử vong Ngoài ra, ô nhiễm cũng gây hại cho môi trường, gây ra hiện tượng asid hóa mưa, nghiêm trọng hóa tình trạng nóng lên toàn cầu, và trực tiếp ảnh hưởng tới hệ sinh thái đa dạng

Ở bối cảnh này, Công nghệ Internet of Things (IoT) đã nổi lên như một giải pháp tiềm năng để giám sát và giảm thiểu ô nhiễm không khí IoT cho phép các thiết bị thông minh và cảm biến kết nối với nhau qua internet, tạo thành một mạng lưới thông tin liên tục về chất lượng không khí tại các vị trí khác nhau Điều này giúp chúng ta thu thập dữ liệu thời gian thực về mức độ ô nhiễm, từ đó đưa ra các quyết định thông minh về cách giảm thiểu tác động của ô nhiễm không khí Nhiều ứng dụng công nghệ IoT trong giảm ô nhiễm không khí là rất đa dạng Chẳng hạn, chúng ta có thể triển khai cảm biến để đo lường mức độ ô nhiễm tại các điểm khác nhau trong Hà Nội, từ đó sẽ xác định các khu vực có mức ô nhiễm cao và đưa ra phương án cải thiện Ngoài ra, thông tin về chất lượng không khí có thể được cập nhật liên tục qua các phần mềm di động, giúp người dân có thể cảnh báo và điều chỉnh hành vi của họ để tránh tiếp xúc với không khí ô nhiễm

Ngoài việc giám sát, cũng có thể IoT được sử dụng để tự động hóa thiết bị và

hệ thống như hệ thống điều hòa không khí trong nhà hoặc hệ thống giao thông thông minh Điều này giúp tiết kiệm nhiều năng lượng và giảm nguồn gốc gây ô nhiễm

Được sự định hướng và tư vấn chính vì vậy tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ IOT và ứng dụng trong hệ thống giám sát chất lượng không khí

Hà Nội” là đề tài để tìm hiểu và nghiên cứu

2 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu công nghệ ESP32 và tích hợp với công nghệ đám mây.Sau đó ứng dụng hệ thống vào giám sát thông số môi trường đối với các đối tượng cần theo dõi hoặc quan tâm nhằm phục vụ các mục đích khác nhau

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tình trạng ô nhiễm môi trường

- Hiện trạng giám sát chất lượng không khí

- Nghiên cứu hệ thống giám sát chất lượng không khí

- Nghiên cứu công nghệ IOT trong giám sát CLKK

- Nghiên cứu công nghệ ESP32

- Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống

- Tiến hành thực hiện kịch bản thực nghiệm và đánh giá

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Các công việc thực hiện tập trung vào nghiên cứu, tổng hợp, phân tích và đưa ra giải pháp cho bài toán

Chương 2: Tổng hợp các kiến thức liên quan đến phân tích, thiết kế hệ thống giám sát chất lượng không khí, trình bày các yêu cầu của hệ thống các sơ đồ mô tử, lưu

đồ thuật toán Ngoài ra giới thiệu về phần cứng ESP32 và Thingspeak

Chương 3: Trình bày các kịch bản thử nghiệm và kết quả của thực nghiệm để đưa

ra đánh giá về hệ thống

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ

CÁC CÔNG NGHỆ NỀN TẢNG 1.1 MỨC ĐỘ QUAN TRỌNG VIỆC GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ

1.1.1 Hiện trạng ô nhiễm không khí hiện nay

1.1.1.1 Tình hình ô nhiễm không khí trên toàn cầu

Tình trạng ô nhiễm không khí trên toàn cầu, như được báo cáo và đánh giá trong Tình trạng không khí toàn cầu năm 2020 của Viện Ảnh hưởng Sức khỏe (HEI) và Viện Đo lường, Đánh giá Sức khỏe (IHME) của Đại học Washington và Đại học British Columbia, đã từ lâu là một vấn đề nguy hiểm Tuy nhiên, cho đến nay, không có biện pháp cụ thể nào được đưa ra để giải quyết tình trạng này Dữ liệu mới nhất từ Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) chỉ ra rằng gần như toàn bộ dân

số thế giới (99%) phải sống với mức ô nhiễm không khí cao, đặc biệt là ở các thành phố của các quốc gia thu nhập thấp hoặc trung bình

Nguồn gốc chính của ô nhiễm không khí là các hạt bụi mịn PM 2.5, có khả năng xâm nhập vào cơ thể con người và gây ra nhiều vấn đề sức khỏe như bệnh tim mạch, hen suyễn, và khó thở Số liệu cho thấy hàng năm có hơn 7 triệu ca tử vong liên quan đến ô nhiễm không khí trên toàn thế giới

1.1.1.2 Tình hình ô nhiễm không khí ở Việt Nam

Ở Việt Nam, tình trạng ô nhiễm không khí cũng rất nghiêm trọng Theo báo cáo thường niên về chỉ số môi trường, Việt Nam là một trong 10 nước có mức độ

ô nhiễm không khí cao nhất tại Châu Á, đặc biệt là với các hạt bụi mịn PM 10 và

PM 2.5 Hà Nội và Hồ Chí Minh là hai trong những địa điểm bị ô nhiễm nặng nhất, với mức độ PM 2.5 thường cao và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người

Dữ liệu từ báo cáo chất lượng không khí toàn cầu của IQAir năm 2022 cho thấy mặc dù nồng độ bụi mịn PM 2.5 tại Việt Nam có xu hướng giảm, nhưng vẫn

ở mức cao so với các quốc gia trong khu vực Đông Nam Á Sự cải thiện tạm thời trong tình trạng ô nhiễm không khí tại Hà Nội và Hồ Chí Minh vào quý 1 và quý

2 của năm 2021 được cho là do ảnh hưởng của dịch COVID-19, khi giãn cách xã hội đã giảm thiểu lưu lượng phương tiện giao thông

1.1.1.3 Tình trạng ô nhiễm không khí ở Hà Nội

Tại Hà Nội, ô nhiễm không khí phần lớn đến từ các nguồn bên ngoài, với một phần ba bụi mịn PM 2.5 được sinh ra trực tiếp trong thành phố và phần còn lại đến từ các khu vực lân cận và Đồng Bằng Sông Hồng Mức độ ô nhiễm thường

biến đổi theo mùa, với mùa đông thường có mức độ ô nhiễm cao hơn, đặc biệt là vào ban đêm

Văn bản này chỉ ra tình trạng nghiêm trọng của ô nhiễm không khí trên toàn cầu và ở Việt Nam, đồng thời cũng nhấn mạnh vào sự cần thiết của các biện pháp để giảm thiểu vấn đề này và bảo vệ sức khỏe của cộng đồng

1.1.2 Hiện trạng hệ thống giám sát chất lượng không khí của Hà Nội

Hệ thống giám sát chất lượng không khí tại Hà Nội đang phát triển nhằm theo dõi tình trạng ô nhiễm không khí và cung cấp thông tin quan trọng cho cả cơ quan quản lý môi trường và cộng đồng Bằng việc triển khai mạng cảm biến tại nhiều vị trí quan trọng trong thành phố, hệ thống này đo lường các chỉ số chất lượng không khí như PM2.5, PM10, CO, NO2, SO2, O3, cùng với các thông số

về nhiệt độ và độ ẩm

Hình 1.1 Bảng trạm kiểm sát

Dữ liệu thu thập từ các cảm biến được truyền tải thời gian thực qua mạng đến các trung tâm quản lý, cho phép cơ quan chức năng theo dõi tình trạng không khí và phản ứng nhanh chóng khi có tình trạng ô nhiễm Thông tin chi tiết về chất lượng không khí được phân tích và hiển thị thông qua các ứng dụng di động, trang web hoặc các bảng điện tử, giúp cộng đồng và những người quan tâm có thể theo dõi tình trạng không khí tại các khu vực khác nhau

Hệ thống cảnh báo tự động sẽ hoạt động khi chất lượng không khí xuất hiện tình trạng nguy hại cho sức khỏe, thông báo cho người dân thông qua tin nhắn SMS, ứng dụng di động hoặc các phương tiện truyền thông khác Dữ liệu về chất lượng không khí thường được công khai và chia sẻ với cộng đồng, giúp tăng cường nhận thức và sự tham gia trong việc bảo vệ môi trường Cụ thể tại Hà Nội

có 8 trạm giám sát (bảng 1.1) và thuộc các cơ quan khác nhau, hoạt động độc lập

và không kết nối với nhau trong quản lý hệ thống

Các trạm đo nồng độ PM10, CO2, SO2, NOx, Ozone(O3), TSP và các thông

số khí tượng Các trạm được quản lý và hoạt động riêng rẽ bởi các tổ chức khác nhau, nơi các trạm được đặt Đầu ra các dữ liệu giám sát với các định dạng khác nhau làm cho việc đánh giá chất lượng không khí gặp khó khăn AQM hoạt động chỉ ở mức cơ bản tại Hà Nội

Rõ ràng là quản lý chất lượng không khí Hà Nội chưa đồng bộ Các chức năng, trách nhiệm, sắp xếp tổ chức quản lý chất lượng không khí ở đô thị là không

rõ ràng vì không có sự phân công rõ ràng trách nhiệm quản lý chất lượng không khí ở cấp quốc gia Văn bản quy phạm pháp luật bảo vệ môi trường và các quy định cụ thể về chất lượng không khí đô thị vẫn còn nhiều thiếu sót Nguồn phát thải, hệ thống giám sát và kiểm toán còn hạn chế

1.2 CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ HIỆN ĐẠI

Hệ thống giám sát chất lượng không khí thường được thiết kế dựa trên một cấu trúc chung để thu thập, xử lý và truyền tải dữ liệu về chất lượng không khí Các hệ thống giám sát chất lượng không khí (GSCLKK) hiện nay hầu hết đều xây dựng trên nền tảng hệ thống IoT thông minh và điện toán đám mây Các hệ thống

có thể có kiến trúc, cấu trúc, phân bố chức năng khác nhau nhưng nói chung nó đều có các thành phần chung sau:

• Cảm biến và thiết bị đo đạc:

Hệ thống bao gồm một mạng cảm biến được đặt tại các vị trí chiến lược trong khu vực cần giám sát Cảm biến có khả năng đo các chỉ số quan trọng về chất lượng không khí như hạt mịn (PM2.5, PM10), khí CO, NO2, SO2, O3, nhiệt độ và độ

ẩm Các thiết bị đo đạc thường được cài đặt theo chuẩn quốc tế để đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy của dữ liệu

• Thu thập và truyền tải dữ liệu:

Dữ liệu từ cảm biến được thu thập liên tục hoặc theo khoảng thời gian xác định

Dữ liệu sau đó được truyền tải qua mạng (mạng Internet hoặc mạng di động) đến

các trung tâm quản lý và xử lý

• Xử lý và phân tích dữ liệu

Dữ liệu từ các cảm biến được xử lý để loại bỏ nhiễu và sai sót có thể xảy ra trong quá trình thu thập Các giá trị đo được thường được so sánh với các chuẩn mức chất lượng không khí quốc gia hoặc quốc tế để xác định tình trạng ô nhiễm

• Hiển thị và truyền tải thông tin

Dữ liệu về chất lượng không khí thường được hiển thị qua các giao diện trực quan như ứng dụng di động, trang web hoặc bảng điện tử Thông tin này có thể được trình bày dưới dạng biểu đồ, bản đồ, chỉ số chất lượng không khí và các thông báo cảnh báo

Hệ thống thường có khả năng tự động phát ra cảnh báo khi chất lượng không khí xuất hiện tình trạng nguy hại cho sức khỏe Cảnh báo có thể được gửi đến người dân qua ứng dụng di động, tin nhắn SMS, email hoặc thông báo trực tiếp trên các thiết bị

• Lưu trữ và chia sẻ dữ liệu

Dữ liệu về chất lượng không khí thường được lưu trữ để tạo ra lịch sử và phân tích dài hạn

Thông tin này thường được chia sẻ công khai để người dân, các nhà nghiên cứu

và cơ quan quản lý có thể truy cập và sử dụng

• Quản lý và bảo trì hệ thống

Hệ thống cần được quản lý và bảo trì thường xuyên để đảm bảo hoạt động ổn định

và đáng tin cậy của các cảm biến và thiết bị Cấu trúc chung này giúp hệ thống

giám sát chất lượng không khí hoạt động hiệu quả, cung cấp thông tin quan trọng

về tình trạng ô nhiễm không khí và hỗ trợ quyết định về quản lý môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng

Hình 1.2 là một ví dụ tiêu biểu về hệ thống giám sát chất lượng không khí Sử dụng mạng 3G và điện toán đám mây

Hình 1.3: Kiến trúc IoT chuẩn

Theo kiến trúc phân tầng IoT có thể có 3 tầng, 4 tầng, 5 tầng … (hình 1.4) Trong luận văn này mô hình kiến trúc phân tầng được sử dụng gồm 4 tầng: Các

thiết bị (Things), Gateways, hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud), tầng tạo và cung cấp dịch vụ (Services-creation and Solutions Layers)

• Thiết bị (Things): Hiện nay, có hàng tỷ sản phẩm tồn tại trên thị trường gia dụng

và công nghệ, có thể được sử dụng trong nhà hoặc mang theo bởi người dùng Đây bao gồm các loại thiết bị như ô tô, cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động, đều có khả năng kết nối trực tiếp qua mạng không dây và truy cập Internet Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh quản lý và chia sẻ dữ liệu một cách tự động, trong khi các thiết bị chưa thông minh có thể kết nối thông qua các trạm kết nối

• Cổng kết nối (Gateways): Một thách thức lớn khi triển khai IoT là hầu hết các thiết bị hiện có không được thiết kế để kết nối trực tiếp với Internet và không thể chia sẻ dữ liệu với các hệ thống điện toán đám mây Để giải quyết vấn đề này, các trạm kết nối hoạt động như một cầu nối trực tiếp, cho phép các thiết bị hiện có kết nối với các hệ thống điện toán đám mây một cách an toàn và dễ dàng quản lý

Hình 1.4 Các kiến trúc phân tầng của IoT

• Hạ tầng mạng và công nghệ điện toán đám mây (Network and cloud):

➢ Cơ sở hạ tầng kết nối: Internet được xem như một hệ thống toàn cầu gồm nhiều mạng IP kết nối với nhau và liên kết với các hệ thống máy tính Cơ sở

hạ tầng này bao gồm các thiết bị như định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp và lặp, cũng như nhiều thiết bị khác có khả năng quản lý lưu lượng dữ liệu trên mạng Đồng thời, nó cũng được kết nối với các mạng viễn thông

và cáp khác - đều được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ

➢ Trung tâm dữ liệu/ hạ tầng điện toán đám mây: Bao gồm các trung tâm dữ liệu và hạ tầng điện toán đám mây, nơi có một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối

• Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ: Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API

hàng đầu (Application progmraming interface) là Mashery* và Aepona* để giúp đưa các sản phẩm và giải pháp IoT ra thị trường một cách chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ hệ thống và tài sản đang có sẵn

1.3.1.2 Các giao thức IoT

Hệ thống IoT là hệ thống liên kết nhiều mạng với nhau và với Internet như Wifi, Bluetooth, mạng di động, ZigBee, LoRaWAN hoặc một số phương thức kết nối khác nên giao thức truyền thông của IoT rất phong phú Các giao thức nổi bật

đó là MQTT, AMQP, DDS, XMPP, CoAP

• Giao thức MQTT (message queue telemetry transport)

Giao thức MQTT, hay còn được gọi là giao thức Message Queuing Telemetry Transport, là một giao thức mạng nhẹ được sử dụng để vận chuyển các thông điệp

đo từ xa giữa các thiết bị IoT Thông thường, MQTT chạy trên giao thức TCP/IP, nhưng cũng có thể hoạt động trên các giao thức mạng khác miễn là chúng hỗ trợ các kết nối hai chiều và không mất dữ liệu

MQTT được thiết kế nhẹ và là lựa chọn lý tưởng cho các tình huống kết nối trong

đó các thiết bị IoT có thể có băng thông hạn chế hoặc các ràng buộc khác yêu cầu các thiết bị từ xa có kích thước mã nhỏ

Các tính năng nổi bật của MQTT bao gồm:

- Giao thức nhẹ, phù hợp cho các mạng bị hạn chế

- Hỗ trợ cơ chế publisher/subscriber nhắn tin

- Tiêu thụ điện năng thấp

- Kích thước gói dữ liệu được giảm thiểu

- Chuẩn giao thức OASIS

Mô hình hoạt động Pub/Sub của MQTT bao gồm các thành phần lõi sau:

- MQTT Broker: Là thành phần chính trong kiến trúc MQTT, chịu trách nhiệm lọc và phân phối các thông điệp dựa trên các chủ đề (topic)

- MQTT Client: Là các thiết bị hoặc ứng dụng kết nối đến Broker để truyền và nhận dữ liệu

- Topic: Là cách MQTT Broker quản lý thông điệp, mỗi client có thể đăng ký (subscribe) để nhận dữ liệu từ một hoặc nhiều topic,

và cũng có thể gửi dữ liệu đến một hoặc nhiều topic

Hình 1.5 Ví dụ các thành phần của giao thức MQTT

Broker được coi như là thành phần trung tâm Nó là điểm giao của tất cả các kết nối đến từ client (Pub/Sub) Nhiệm vụ chính của Broker là nhận thông điệp (message) từ Pub, xếp vào hàng đợi rồi chuyển đến một địa điểm 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 thông điệp, lưu trữ thông điệp, logs, Client thì được chia thành hai nhóm là Publisher và Subscriber Client chỉ làm ít nhất một trong 2 việc là xuất bản các thông điệp lên một/nhiều topic cụ thể hoặc đong svai trò Sub một/nhiều topic nào đó để nhận thông điệp từ topic này MQTT Clients tương thích với hầu hết các nền tảng hệ điều hành hiện có: MAC OS, Windows, Linux, Android, iOS,

• AMQP (Advanced message queing protocol)

Giao thức AMQP, viết tắt của advanced message queuing protocol, là một giao thức lớp ứng dụng tiêu chuẩn mở với tính năng hàng đợi thông điệp nâng cao Được thiết kế như một giao thức nhị phân, AMQP được phát triển để hỗ trợ một loạt các ứng dụng nhắn tin và các mẫu liên lạc Mặc dù không được tạo ra đặc biệt cho các giải pháp Internet of Things (IoT), nhưng AMQP vẫn hoạt động hiệu quả cho truyền thông tin nhắn trong nhiều kịch bản IoT

Hình 1.6 Giao thức thông điệp nâng cao AMQP

Tính năng nổi bật:

- Giao thức lớp ứng dụng nhị phân

- Có thể được sử dụng để chuyển thông điệp kiểu Point-to-Point và Pulisher /Subscriber

- Khả năng tương thích rộng với các tình huống nhắn tin

- Hỗ trợ mã hóa đầu cuối của tin nhắn

• DDS (Data distribution service)

DDS, viết tắt của data distribution service, là một giao thức dịch vụ phân tán

dữ liệu được thiết kế để hoạt động với các hệ thống thời gian thực và là tiêu chuẩn máy-máy của Nhóm Quản lý Đối tượng (OMG) Mục tiêu của DDS là cung cấp khả năng trao đổi dữ liệu đáng tin cậy, hiệu suất cao, có khả năng tương tác theo thời gian thực, và có thể mở rộng bằng cách sử dụng mô hình nhận tin theo phát/hủy (publish/subscribe)

Giao thức DDS được thiết kế để đáp ứng các nhu cầu đặc biệt của nhiều lĩnh vực ứng dụng như hàng không vũ trụ, quốc phòng, kiểm soát không gian, phương tiện tự hành, thiết bị y tế, robot, sản xuất điện, hệ thống giao thông và các hệ thống trao đổi dữ liệu thời gian thực khác

Tính năng nổi bật:

- Được thiết kế cho hệ thống thời gian thực

- Cung cấp thông điệp pub/sub

- Kết nối các thiết bị trực tiếp với nhau

- Chi phí thấp

Hình 1.7 Mô hình IoT sử dụng giao thức DDS

• XMPP (Extensible messaging and presence protocol)

XMPP là giao thức mở rộng cho việc hiện diện và nhắn tin Nó là một giao thức truyền thông dựa trên XML, được thiết kế để hỗ trợ trao đổi dữ liệu XML có cấu trúc theo thời gian thực giữa hai hoặc nhiều thiết bị Ban đầu, giao thức XMPP

được biết đến với tên Jabber và được phát triển để gửi tin nhắn theo thời gian thực (IM), hiển thị trạng thái hiện diện và quản lý danh sách liên lạc Gần đây, XMPP

đã mở rộng sử dụng của mình cho các mục đích khác như pub/sub thông điệp, thoại qua IP (VoIP), Internet of Things (IoT), chơi game và các hệ thống khác

• CoAP (Constrained application protocol)

CoAP là một giao thức ứng dụng có ràng buộc, được thiết kế đặc biệt cho các thiết bị có hạn chế Với yêu cầu về năng lượng thấp, nó hoạt động tốt trên các mạng không đáng tin cậy và có thể được sử dụng để kết nối các thiết bị với nhau hoặc các nút chung trên Internet CoAP không chỉ được áp dụng trong các kịch bản IoT mà còn được sử dụng trên các hệ thống khác như SMS trên mạng di động

Hình 1.9 Mô hình IoT sử dụng giao thức CoAP

Tính năng nổi bật:

- Sử dụng năng lượng thấp

- Được sử dụng trên các thiết bị hạn chế

1.3.1.3 Các kỹ thuật phát triển ứng dụng IoT

Theo điện toán đám mây các kỹ thuật phát triển hệ thống IoT gồm các kỹ thuật sau:

- Sử dụng IoT Google

- IoT AWS của Amazon

- IoT Azure của Microsoft

- IoT mã nguồn mở (IoT Thingspeak, …)

1.3.2 Công nghệ Điện toán đám mây (Cloud Computing)

Điện toán đám mây hiện này là một thành phần quan trọng của hệ thống IoT hiện đại Nó chính là thành phần để lưu trữ dữ liệu và cung cấp sực mạnh tính toán mạnh cho IoT Điện toán đám mây (cloud computing) là một xu hướng công nghệ nổi bật trên thế giới trong những năm gần đây và đã có những bước phát triển nhảy vọt cả về chất lượng, quy mô cung cấp và loại hình dịch vụ với một loạt các nhà cung cấp nổi tiếng như Google, Amazon, Salesforce, Microsoft Điện toán đám mây đến nay đã phát triển qua nhiều giai đoạn (Hình 1.10) Hiên nay điện toán đám mây di động đang thu hút nhiều sự quan tâm trong thực tế, nhất là trong lĩnh vực thương mại điện tử

Hình 1.10 Quá trình phát triển điện toán đám mây

Có nhiều định nghĩa khác nhau về điện toán đám mây, sau đây là một số định nghĩa về nó

Theo Wikipedia:

Điện toán đám mây (cloud computing) là một mô hình điện toán linh hoạt

và có khả năng co giãn, trong đó các tài nguyên thường được ảo hóa và cung cấp như một dịch vụ trên Internet

Theo Ian Foster, điện toán đám mây là một mô hình điện toán phân tán có khả năng mở rộng lớn và hướng tới mục tiêu kinh tế, nơi mà sức mạnh tính toán,

lưu trữ dữ liệu, nền tảng và các dịch vụ được tạo ra, ảo hóa và co giãn linh hoạt

để đáp ứng nhu cầu của khách hàng thông qua Internet

Theo định nghĩa của Viện Quốc gia Tiêu chuẩn và Công nghệ Mỹ (US NIST), điện toán đám mây là một mô hình cho phép truy cập dễ dàng qua mạng tới các tài nguyên được chia sẻ, có khả năng cung cấp và thu hồi nhanh chóng theo nhu cầu, với chi phí quản lý tối thiểu và tương tác ít với nhà cung cấp dịch

vụ

Hình 1.11 là mô hình điện toán đám mây theo NIST với nguyên tắc 5-4-3 (5 đặc trưng, 4 mô hình triển khai, 3 mô hình dịch vụ)

Hình 1.11 Mô hình điện toán đám mây (NIST) theo nguyên tắc 5-4-3

Mô hình kinh doanh của điện toán đám mây gồm 3 mô hình chính: IaaS, PaaS, SaaS (hình 1.12)

Hình 1.12 Mô hình kinh doanh của điện toán đám mây

Mô hình triển khai gồm 4 mô hình: Đám mây công cộng, đám mây riêng, đám mây lai và đám mây cộng đồng (hình 1.13)

Hình 1.13 Mô hình triển khai của điện toán đám mây

Các đám mây phổ biến: GPC của Google, AWS của Amazon, Azure của Microsoft (hình 1.14)

a)

b)

c)

Hình 1.14 a) Đám mây Google; b) Đám mây AWS của Amazon;

c) Đám mây Azure của Microsoft

Ngoài ra còn có các đám mây mã nguồn mở mà tiêu biểu nhất là đám mây Thingspeak Đám mây này hỗ trợ mạnh các thiết bị và mạng IoT như Raspberry, Arduino, …

Hình 1.15 là mô hình điện toán đám mây di động (MCC- Mobile cloud computing):

- MCC đề cập đến một cơ sở hạ tầng lưu trữ và xử lý dữ liệu xảy ra bên ngoài thiết bị di động

- Ứng dụng đám mây di động chuyển sức mạnh tính toán và lưu trữ dữ liệu từ điện thoại di động vào các đám mây

Đám mây di động hiện đang có nhiều bước phát triển nhẩy vọt do điện thoại di động hiện này có nhiều cải tiến và tài nguyên tính toán mạnh hơn

Hình 1.15 Mô hình điện toán đám mây di động

1.3.3 Phát triển hệ thống IoT với điện toán đám mây

1.3.3.1 IoT với điện toán đám mây Google (GCP)

Điện toán đám mây của Google là PaaS, còn được gọi là GCP (Google cloud platform) GCP là 1 nền tảng điện toán đám mây cho phép các tổ chức và doanh nghiệp xây dựng, triển khai và vận hành những ứng dụng, trang Web, dịch vụ của mình tương tự như trên hệ thống của Google

Hình 1.16 Nền tảng đám mây của Google (PaaS)

GCP bao gồm các thanh phần: Compute, storage, big data, machine learning,

… Và đặc biệt GCP cung cấp dịch vụ IoT Core (GCIoTCore) phép người sử dụng quản lý và sử dụng dữ liệu từ những thiết bị IoT một cách thuận lợi GCIoTCore

là một dịch vụ con của nền tảng GCP Đây là một dịch vụ có ích, cho phép tạo kết nối hai chiều an toàn giữa các thiết bị IoT và nền tảng đám mây của Google thông qua các phương thức bảo mật tối ưu Đồng thời, nó cũng cho phép trích xuất dữ liệu hoặc phân tích dữ liệu từ các thiết bị IoT một cách hiệu quả Các thành phần quan trọng của IoT của google bao gồm:

a) GCIoTCore là một dịch vụ quản lý với 2 thành phần chính:

- Quản lý thiết bị (Device management)

- Môi giới truyền thông (Communication broker)

b) Quản lý thiết bị (DM):

- GDM cho phép tổ chức việc kết nối và quản lý các thiết bị IoT với GCIoTCore

- Các thiết bị kết nối tới google cloud IoT core sẽ được xem như là một

“device”

- Nhóm các “device” lại với nhau, tạo thành một “registry” là tế bào chứa đại diện cho cả các “device” đó

c) Thành phần môi giới truyền thông (CB: communication broker)

- CB cung cấp các giao thức truyền thông để người dùng có thể truyền/ nhận dữ liệu với GCIoTCore

- CB hỗ trợ 2 loại giao thức phổ biến: MQTT (sử dụng TLS) và HTTPS

- Ngoài ra còn có thanh phần Data Broker (môi giới dữ liệu) 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 là Cloud Pub/Sub

Hình 1.17 Mô hình GCIoTCore

Hình 1.18 là ví dụ sử dụng GIoTCode trong một hệ thống thực tế

Hình 1.18 Hệ thống IoT sử dụng IoT core của Google

1.3.3.2 IoT với AWS của Amazon

AWS (Amazon web Services) là một nền tảng cung cấp các giải pháp điện toán đám mây linh hoạt, đáng tin cậy, có khả năng mở rộng, dễ sử dụng và có hiệu quả về chi phí

AWS là một nền tảng điện toán toàn diện được cung cấp bởi Amazon Nền tảng này bao gồm cả cơ sở hạ tầng dưới dạng dịch vụ (Infrastructure as a service

- IaaS), nền tảng dưới dạng dịch vụ (Platform as a service - PaaS) và phần mềm đóng gói dưới dạng dịch vụ (Software as a service - SaaS).Các dịch vụ của AWS:

- Dịch vụ điện toán của AWS (AWS compute services)

- Dịch vụ di chuyển của AWS (Migration)

- Dịch vụ lưu trữ (Storage)

- Dịch vụ an ninh (Security services)

- Dịch vụ CSDL (Database services)

- Phân tích (Analytics)

- Dịch vụ quản lý (Management services)

- IoT (Internet of things)

- Dịch vụ ứng dụng (Application services)

- Triển khai và quản lý (Deployment and management)

- Các công cụ phát triển (Developer tools)

- Dịch vụ di động (Mobile services)

- Hiệu quả kinh doanh (Business productivity )

- Truyền phát trên Desktop và APP (Desktop & app streaming)

- Trí tuệ nhân tạo (Artificial intelligence)

- AR & VR (Augmented reality &virtual reality)

- Sự tham gia của khách hang (Customer engagement)

- Phát triển Game (Game development)

AWS IoT là thành phần IoT cốt lõi của AWS AWS IoT cung cấp các dịch

vụ đám mây kết nối thiết bị IoT của người sử dụng với các thiết bị khác và dịch

vụ đám mây AWS AWS IoT cung cấp phần mềm thiết bị có thể giúp người sử dụng tích hợp các thiết bị IoT của mình vào các giải pháp dựa trên AWS IoT Nếu các thiết bị của người sử dụng có thể kết nối với AWS IoT, AWS IoT có thể kết nối chúng với các dịch vụ đám mây mà AWS cung cấp

Hình 1.19 AWS IoT

AWS IoT là một dịch vụ đám mây được quản lý, cho phép các thiết bị kết nối tương tác với các ứng dụng đám mây và các thiết bị khác một cách bảo mật Dịch vụ này có khả năng hỗ trợ hàng tỷ thiết bị và hàng nghìn tỷ tin nhắn, đồng thời xử lý và định hướng tin nhắn đó tới các điểm cuối của AWS và các thiết bị khác một cách đáng tin cậy và an toàn Với AWS IoT, các ứng dụng có thể theo dõi và giao tiếp với tất cả các thiết bị, ngay cả khi chúng không được kết nối AWS IoT Core cũng giúp người sử dụng dễ dàng sử dụng các dịch vụ khác của AWS và Amazon như AWS lambda, amazon kinesis, amazon S3, Amazon sagemaker, amazon dynamoDB, amazon cloudwatch, AWS cloudtrail, amazon quickSight và alexa voice Service để xây dựng các ứng dụng IoT Các ứng dụng này có thể thu thập, xử lý, phân tích và thao tác trên dữ liệu từ các thiết bị kết nối

mà không cần quản lý cơ sở hạ tầng Hình 1.20 thể hiện hoạt động của AWS IoT

Hình 1.20 Hoạt động của AWS IoT

AWS IoT gồm các thành phần chính sau:

- Các ứng dụng (Apps)

- Các dịch vụ đám mây (Cloud ser vices)

- Truyền thông (Communications)

- Các thiết bị (Devices)

- Các giao diện (Interfaces)

Hình 1.21 Các thành phần AWS IoT

Các giao thức truyền thông:

AWS IoT cho phép chọn các công nghệ phù hợp và cập nhật mới nhất cho giải pháp của mình Để giúp người sử dụng quản lý và hỗ trợ các thiết

bị IoT của mình tại hiện trường, AWS IoT Core hỗ trợ các giao thức sau:

➢ MQTT (Message queuing and telemetry transport)

➢ MQTT over WSS (Websockets secure)

➢ HTTPS (Hypertext Transfer protocol - secure)

➢ LoRaWAN (Long range wide area network) Các giao diện truy cập:

➢ Để các thiết bị và ứng dụng truy cập được AWS IoT, AWS IoT cung cấp các giao diện sau:

➢ AWS IoT Device SDK: Xây dựng các ứng dụng trên thiết bị và gửi/nhận nhận thông điệp với AWS IoT

➢ AWS IoT Core cho LoRaWAN: Kết nối và quản lý các thiết bị LoRaWAN tầm xa và các Gateway bằng cách sử dụng AWS IoT Core cho LoRaWAN

➢ AWS CLI (AWS command line interface): Chạy các lệnh cho AWS IoT trên Windows, macOS và Hệ điều hành Linux Các lệnh này cho phép người sử dụng tạo và quản lý các đối tượng (Thing), chứng chỉ, quy tắc, công việc và các chính sách

➢ AWS IoT API: Xây dựng các ứng dụng IoT bằng cách sử dụng các yêu cầu HTTP hoặc HTTPS Các hành động API này cho phép người sử dụng tạo và quản lý các đối tượng (Thing), chứng chỉ, quy tắc và chính sách theo chương trình

➢ AWS SDK: Xây dựng các ứng dụng IoT của bạn bằng cách sử dụng các API dành riêng cho ngôn ngữ Các SDK này bao bọc API HTTP / HTTPS và cho phép bạn lập trình bằng bất kỳ ngôn ngữ nào được hỗ trợ

➢ Ngoài ra người sử dụng cũng có thể truy cập AWS IoT thông qua bảng điều khiển AWS IoT (Console), cung cấp giao diện người dùng đồ họa (GUI), qua đó người dùng có thể định cấu hình và quản lý các đối tượng, chứng chỉ, quy tắc, công việc, chính sách

và các yếu tố khác trong các giải pháp IoT của người dùng

Hình 1.22 là kiến trúc các thành phần của AWS IoT Nó gồm 3 tầng: Phần mềm thiết bị, các dịch vụ điều khiển, các dịch vụ dữ liệu

Hình 1.22 Kiến trúc các thành phần AWS IoT core

Phần mềm thiết bị (AWS IoT device software):

Phần mềm thiết bị để hỗ trợ các thiết bị

➢ AWS IoT greengrass

➢ AWS IoT device yester

➢ AWS IoT device SDKs

➢ FreeRTOS

Các dịch vụ điều khiển IoT (AWS IoT control services)

➢ AWS IoT core

➢ Quản lý thiết bị AWS IoT (AWS IoT device management)

➢ Trình bào vệ thiết bị AWS IoT (AWS IoT device defender)

➢ Đồ thị vạn vật AWS IoT (AWS IoT things graph)

Các dịch vụ dữ liệu AWS IoT (AWS IoT data ser vices)

➢ AWS IoT analytics

➢ Trang web AWS IoT (AWS IoT sitewise)

➢ AWS IoT Events Các dịch vụ lõi AWS IoT:

Hình 1.23 Các dịch vụ của AWS IoT cốt lõi

Các dịch vụ thông điệp cốt lõi của AWS IoT (AWS IoT core messaging services)

➢ Device gateway

➢ Message broker

➢ AWS IoT core for LoRaWAN

➢ Rules engine Các dịch vụ điều khiển cốt lõi của AWS IoT (AWS IoT Core control services)

➢ Custom authentication service

➢ Device provisioning service

➢ Alexa voice service (AVS) integration for AWS IoT

➢ Amazon sidewalk integration for AWS IoT Core Các dịch vụ AWS IoT được sử dụng bởi công cụ luật cốt lõi AWS IoT (AWS services used by the AWS IoT Core rules engine)

➢ Amazon dynamoDB

➢ Amazon kinesis

➢ AWS lambda

➢ Amazon simple storage service

➢ Amazon simple notification service

➢ Amazon simple queue service

➢ Amazon opensearch service

➢ Amazon machine learning

➢ Amazon cloudWatch Các giao thức truyền thông được hỗ trợ bởi cốt lõi AWS IoT

➢ MQTT (Message queuing telemetry transport)

➢ HTTPS (hypertext transfer protocol - secure)

➢ LoRaWAN (long range wide area network)

➢ TLS ( transport layer security) v1.2

1.3.3.3 Phát triển ứng dụng IoT của Microsoft

IoT của Microsoft gồm 2 loại: IoT đám mây Azure IoT và Windows IoT Azure IoT của Microsoft là IoT dựa trên đám mây Azure của Microsoft Bao gồm một số dịch vụ cơ bản: Azure IoT hub, Azure IoT central, Azure IoT edge, Azure sphere

Hình 1.24 Công nghệ, dịch vụ, giải pháp của Azure

Azure là một nền tảng điện toán đám mây và một cổng thông tin trực tuyến, cho phép bạn truy cập và quản lý các dịch vụ, cũng như tài nguyên đám mây do Microsoft cung cấp Các dịch vụ và tài nguyên này bao gồm lưu trữ và chuyển đổi

dữ liệu, tùy thuộc vào yêu cầu Để có quyền truy cập vào các tài nguyên và dịch vụ này, tất cả những gì bạn cần là kết nối Internet đang hoạt động và khả năng kết nối với Azure Portal Azure cung cấp hơn 200 dịch vụ, được chia thành 18 loại Các danh mục này bao gồm máy tính, mạng, lưu trữ, IoT, di chuyển, di động, phân

tích, container, trí tuệ nhân tạo và machine learning, tích hợp, công cụ quản lý, công cụ nhà phát triển, bảo mật, cơ sở dữ liệu, DevOps, nhận dạng media và web service

Loại IoT thứ 2 của Microsoft là Windows IoT Windows IoT là một thành viên của gia đình Windows mang đến sức mạnh, bảo mật và khả năng quản lý cấp doanh nghiệp cho IoT Nó thúc đẩy trải nghiệm nhúng, hệ sinh thái và kết nối đám mây của Windows, cho phép các tổ chức tạo ra IoT của họ với các thiết bị an toàn

có thể được cung cấp nhanh chóng, dễ dàng quản lý và kết nối liền mạch với một chiến lược đám mây tổng thể Nó gồm 3 phiên bản:

• Windows IoT enterprise là phiên bản đầy đủ của Windows enterprise với các tính năng chuyên biệt để tạo ra các thiết bị chuyên dụng được khóa cho một nhóm ứng dụng và thiết bị ngoại vi cụ thể

• Windows server IoT 2022 là phiên bản đầy đủ của Windows server 2022 cung cấp khả năng quản lý doanh nghiệp và bảo mật cho các giải pháp IoT

• Windows 10 IoT core là thành viên nhỏ nhất của gia đình hệ điều hành Windows 10 Mặc dù chỉ chạy một ứng dụng duy nhất, nó vẫn có khả năng quản

lý và bảo mật được mong đợi từ Windows 10

1.3.3.4 Thingspeak

Thingspeak là một nền tảng IoT mã nguồn mở cho phép hiển thị dữ liệu trên đám mây Người dùng có thể truy cập để xem hoặc lấy dữ liệu từ thiết bị IoT thông qua giao thức HTTP Thingspeak cung cấp dịch vụ miễn phí và giao diện người dùng rất trực quan, do đó được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu

Để kết nối với Thingspeak, người dùng cần đăng nhập bằng tài khoản Matlab, và nền tảng này chỉ miễn phí cho người dùng không vụ lợi Phiên bản miễn phí có một số hạn chế, nhưng nếu bạn là sinh viên hoặc liên quan đến một

tổ chức giáo dục, bạn có thể truy cập đầy đủ thông qua email từ tổ chức của mình

Hình 1.25 Mô hình của ThingSpeak

Thingspeak cung cấp các khả năng khác nhau để thu thập, trực quan hóa và phân tích dữ liệu trên đám mây Sau đây là các tính năng chính

• Các thiết bị có thể dễ dàng định cấu hình và gửi dữ liệu tới Thingspeak bằng cách sử dụng các giao thức truyền thông

• Có thể xem dữ liệu trong thời gian thực

• Nó có thể nhận dữ liệu từ phần mềm của bên thứ ba

• Có thể sử dụng với Matlab để phân tích dữ liệu

• Nó không cần server và phần mềm web để xây dựng prototype hệ thống IoT

• Tự động thực hiện các hành động và giao tiếp bằng phần mềm của bên thứ

ba như twitter

Ba bước chính mà Thingspeak yêu cầu để hoàn thành công việc là thu thập

dữ liệu, phân tích và thực hiện một hành động Thingspeak hoạt động trên nền tảng điện toán đám mây, nơi mà tất cả các thiết bị cần lấy dữ liệu từ đó phải được kết nối vào mạng và cơ sở dữ liệu đám mây Thingspeak cũng liên kết với cơ sở

dữ liệu đám mây và hiển thị dữ liệu một cách liên tục

Để triển khai hệ thống với Thingspeak, người dùng cần tạo một tài khoản miễn phí, nhưng để sử dụng cho mục đích thương mại, họ phải trả phí

Thingspeak tương thích với nhiều loại thiết bị, bao gồm Arduino, Raspberry

Pi, Matlab, Module ESP8266, Module ESP32, LoRaWAN và nhiều thiết bị khác

1.3.4 Các công nghệ khác

Ngoài các công nghệ cốt lõi trên để xây dựng hệ thống giám sát chất lượng không khí trên, để xây dựng đầy đủ hệ thống chúng ta còn cần đến môi trường, ngôn ngữ

và các cụ lập trình để phát triển phần mềm và các hệ quản trị cơ sở dũ liệu

• Môi trường lập trình: Eclipse, VS code, Arduino Studio, VS NET, Pycharm, …

• Các ngôn ngữ lập trình: C/C++, Python, C#.NET, …

• Các hệ quản trị cơ sở dữ liệu: MySQL, SQL Server, MongoDB, …

• Các công cụ hỗ trợ AI, các công nghệ phân tán như SOA, Microservice,…

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương 1 trình bày các vấn đề tổng quan thực trạng ô nhiễm không khí, tìm hiểu

về hệ thống giám sát chất lượng không khí tại Hà Nội và các công nghệ đang sử dụng Nêu lên kiến trúc và các thành phần của IOT, các công nghệ điện toán đám mấy của các hãng Google, AWS, Microsoft…

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT

LƯỢNG KHÔNG KHÍ 2.1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG

Hình 2.1 là mô hình hệ thống của hệ thống giám sát chất lượng không khí

Hệ thống gồm các thành phần chính: Phần cứng, phần mềm, mạng và điện toán đám mây

Hình 2.1 Mô hình hệ thống giám sát chất lượng không khí

Phần cứng gồm các nút thiết bị đầu cuối, các Gateway, server và các client Trong đó nút thiết bị đầu cuối Nij là nút thứ j tương ứng với Gatway thứ i Hoạt động của hệ thống như sau: Dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí từ ccas cảm biến được thu thập bởi các nút thiết bị đầu cuối Tại đầu cuối dữ liệu được

xử lý và truyền qua mạng không dây về các nút Gateway Tại nút Gateway dữ liệu truyền đến từ các nút đầu cuối sẽ được truyền đến đám mây Thingspeak và được ghi xuống cơ sở dữ liệu Đề giám sát chất lượng không khí và cảnh báo người sử dụng có thể sử dụng PC, Latop hoặc Smart Mobile truy cập trực tiếp đến đám mây hoặc truy cập tới cơ sở dữ liệu để xử lý dữ liệu Trong trường hợp cần thiết đặt các tham số cho nút thiết bị đầu cuối, người sử dụng có thể truyền tham

số tới đám mây Thinhspeak và từ đó tham số sẽ được truyền tới các nút thiết bị đầu cuối

2.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.2.1 Thiết kế phần cứng

Phần cứng trong hệ thống giám sát chất lượng không khí bao gồm nhiều thành phần khác nhau như các nút đầu cuối Nij, Gateway, …

Thiết kế nút thiết bị đầu cuối

Nút thiết bị đầu cuối có nhiệm vụ thu thập dữ liệu môi trường thông qua các cảm biến, xử lý dữ liệu và gửi tới đám mây qua mạng WiFi và Internet, hoặc nhận các tham số người sử dụng và thiết lập chế độ hoạt động của nút thiết bị đầu cuối Hình 2.2 là cấu trúc của nút thiết bị đầu cuối Thiết bị đầu cuối gồm các thành phần cảm biến DHT11, MQ135, GP2Y1014AU; thành phần thu thập dữ liệu, xử lý và truyền thông không dây WiFi sử dụng ESP32

và mô đun nguồn

Hình 2.2 Cấu trúc của nút thiết bị đầu cuối

2.2.1.1 Mô đun ESP32

Mô đun ESP32 là thành phần trung tâm của nút thiết bị đầu cuối Nó có nhiệm vụ thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí, mật độ hạt bụt, từ các cảm biến, thực hiện xử lý dữ liệu và truyền qua mạng WiFi tới đám mây Hoặc

nó nhận các tham số từ đám mây gửi xuống để đặt chế độ hoạt động của nút đầu cuối Hình 2.3 là hình ảnh của mô đun ESP32, hình 2.4 là sơ đồ chân của mô đun ESP32, hình 2.5 là cấu trúc của ESP32

Hình 2.3 Mô đun ESP32

Hình 2.4 Sơ đồ chân mô đun ESP32

Hình 2.5 Cấu trúc của mô đun ESP32

Các thông số kĩ thuật của ESP 32: