Trong xã ngày nay, một trong nhiều công nghệ gần đây rất phát triển, không thể không kể đến Internet of Things(IoTs) . Có thể nói công nghệ IoTs đã và đang được ứng dụng trong những năm gần đây. Hiện tại sản phẩm nghiêng cứu, dự án và ứng dụng được tung ra thị trường tăng đáng kể. Vì vậy muốn tìm hiểu này để không lỗi thời, lạc hậu và cũng để cho chúng ta có mức thu nhập cao hơn, hoàn thành nhiều dự án hơn thì điều bạn cần làm là cập nhật kiến thức về IoTs. Dưới đây là toàn bộ kiến thức, cũng như những ứng dụng IoTs được mình nén lại. Những tài liệu này rất hữu ích cho các bạn. Đôi khi đọc tài liệu bạn sẽ tìm ra được con đường tương lai, con đường cho chính bản thân bạn
Trang 1CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
Tổng quan
Hệ thống Cyber-vật lý
Thiết bị thông minh
Hệ thống thời gian thực
1) Hệ thống Cyber-vật lý
- Kết nối thế giới thực và ảo
- CPS là một hệ thống các yếu tố tính toán cộng tác kiểm soát thực thể vật lý
- CPS tích hợp tính toán, mạng, và các quá trình vật lý chặt chẽ hơn
- Vậy nó có gì mới?
+ Phổ biến cao
+ Tự động cao
+ Nhiều phân cấp trong mạng lưới và tính toán
Từ hệ thống nhúng đến Internet of Things
Chú Thích:
(1) Standalone Embedded System: Hệ thống nhúng độc lập(Standalone)
Trang 2(2) Central Control System: Hệ thống điều khiển trung tâm
(3) Cyber-Physical System: Hệ thống Cyber-vật lý
(4) Cyber-Physical System: Các Internet of Things
ví dụ 1 một cảm biến ánh sáng chuyển động ngoài trời
ví dụ 2 hệ thống nhà báo động (có vẻ Lớn, nhưng nhỏ)
ví dụ 3 hệ thống nhà an ninh tích hợp (họ trông nhỏ, nhưng Lớn)
Một ví dụ khác: Google Driverless Car
Lái xe tự trị
CPS so với IoT
• Sự xuất hiện:
- Internet of Things: vào năm 1999, được giới thiệu bởi Kevin Ashton
Trang 3- Cyber-Physical Systems: khoảng năm 2006, đặt ra bởi Helen Gill tại Quỹ khoa học Quốc gia
• Chúng có liên quan chặt chẽ, đôi khi rất khó để phân biệt Dưới đây là những gì mọi người nói:
Chú Thích:
(1) IoT has a wider scope: IoT có một phạm vi rộng lớn hơn
(2) "CPS is the US version of IoT": "CPS là phiên bản Mỹ của IoT”
Hệ thống mẫu
Trang 4 Chú Thích:
- Components: thành phần
Đa ngành(Multidisciplinary)
Việc kích hoạt các công nghệ
Trang 52) Thiết bị thông minh
- Các công nghệ, chúng ta không thể sống mà không có
Mọi thứ thông minh(Smart Things)
• Tầm nhìn: IoT sẽ cho phép "Smart X"
- Trong đó X = tất cả mọi thứ như điện thoại, đồng hồ, TV, tủ lạnh, kính, tủ quần áo, xe hơi, nhà, phố, vv
• Tại sao chúng ta nghĩ rằng chúng là 'thông minh'?
- Hiểu được nhu cầu của chúng ta (tức là bối cảnh nhận thức)
- Implicit Human Computer Interaction (HCI): Tiềm ẩn máy tính tương tác với con người (HCI)
Chú Thích:
(1) Devices already with communications: Thiết bị thông tin liên lạc đã có
Trang 6(2) Powered objects usually without communications: Powered các đối tượng thường
không có thông tin liên lạc
(3) Objects without a plug: Đối tượng mà không cần plug(phích cắm)
(4) IoT: when we have everything connected: IoT: khi chúng tôi đã kết nối tất cả mọi
thứ
Thiết bị thông minh: Chỉ cần một Thứ(Thing)
• Thiết bị thông minh cũng là một "Thứ(Thing)" của chính nó
- Với cảm biến / thiết bị truyền động / thẻ
- Với một số công suất xử lý
- Với khả năng giao tiếp
• Ngoài ra, các thiết bị thông minh cũng cung cấp:
Communication
- Greater mobility support: Hỗ trợ tính di động cao hơn
- Always ON: Luôn luôn ON
Control
- Multiple sensors: Nhiều cảm biến
- Improved Human Computer Interaction: Tương tác máy tính của con người Cải thiện
Computation
- Relatively large storage: Lưu trữ tương đối lớn
- More powerful processor: Bộ vi xử lý mạnh mẽ hơn
Vai trò của các thiết bị thông minh trong IoTs
• Điểm thu dữ liệu
• Điểm tương tác của con người
• Điểm xử lý dữ liệu
• Điểm lưu trữ thông tin
Trang 7 Vai trò (1/2)
• Điểm thu dữ liệu
- Thiết bị thông minh có thể hoạt động như một cảm biến
- Ví dụ: Cảm biến dữ liệu khắp nơi xung quanh người sử dụng
• Điểm tương tác của con người
- Thiết bị thông minh có thể hoạt động như giao diện người dùng trong IoT
- Ví dụ: cung cấp các thông điệp, cho phép người sử dụng để kiểm soát môi trường
Vai trò (2/2)
• Điểm Xử lý dữ liệu
- Thiết bị thông minh được trang bị bộ vi xử lý mạnh mẽ, chúng có thể được sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp
- Ví dụ: Xử lý dữ liệu thô địa phương để kịp thời tạo ra có nghĩa là thông tin cho người
sử dụng
• Điểm lưu trữ thông tin
- Thiết bị thông minh được trang bị bộ nhớ non-volatile, chúng có thể được sử dụng để lưu trữ thông tin tại địa phương
- Ví dụ: giữ hiện trạng môi trường, nhớ sở thích cá nhân
3) Hệ Thống Thời Gian Thực - Một cái nhìn tổng quát
Trang 8 Tính toán thời gian thực
• "Trong thời gian thực tính đúng đắn của hệ thống phụ thuộc không chỉ vào các kết quả logic của việc tính toán mà còn về thời gian ở đó các kết quả được sản xuất"
• Nhiều hệ thống thời gian thực là hệ thống điều khiển
• Hệ thống IoT và thời gian thực
- Một "Thứ(Thing)" có thể được mô hình hóa như một hệ thống thời gian thực
- Một ứng dụng IoT đơn miền (ví dụ như báo động nhà)
- Một ứng dụng IoT đa miền (ví dụ như thành phố thông minh) thường là một hệ thống thời gian thực phân phối
Tính toán thời gian thực: Tổng quan
• Phân loại:
- Thời gian hạn chế Hard / Soft
• Các đặc điểm Workload:
- Các công việc chu kỳ / tuần hoàn
• Lập kế hoạch:
- Preemptive và Non-preemptive
- Tĩnh và động
- Online và Offline
Trang 9- Tối ưu và Heuristic
• Thiết kế:
- Luồng dữ liệu/ điều khiển luồng/ biểu đồ chuyển đổi trạng thái
Phân loại tính toán thời gian thực
• Tính thời gian thực cứng
- Toàn bộ hệ thống không thành công khi một thời hạn duy nhất là không gặp.
- Ví dụ: việc triển khai truyền hình vệ tinh
- Lưu ý: Không có cứng của hệ thống thời gian thực lý tưởng như không ai có thể đảm bảo rằng mọi thành phần duy nhất trong hệ thống sẽ không thất bại Chúng ta sẽ cố gắng giảm thiểu tất cả các khía cạnh, đặc biệt là thiết kế
• Tính thời gian thực mềm
- Hiệu suất là suy thoái khi một số thời hạn không được đáp ứng
- Ví dụ: máy bán hàng tự động
- Mục tiêu: Giảm thiểu sự xuống cấp hiệu suất bằng cách gặp nhiều thời hạn key như có thể
Đặc điểm tải công việc(Workload)
• Nhiệm vụ chu kỳ
- Nhiệm vụ được lặp đi lặp lại thường xuyên định kỳ hoặc bán thường xuyên
- Ví dụ: Cảm biến nhiệt độ
• Các nhiệm vụ không tuần hoàn
- Nhiệm vụ đến thời điểm bất thường và ngẫu nhiên
- Ví dụ: sự tương tác người dùng
• Lưu ý: Một nhiệm vụ có thể có một thời hạn cứng / mềm Nó phải được xử lý với một
số thuật toán lập lịch trình thích hợp
Lập lịch trình (1/2)
• Preemptive và Non-Preemptive
- Với thuật toán preemptive, một nhiệm vụ đang chạy có thể bị gián đoạn bất cứ lúc nào
- Nếu không, nó phải được thực hiện liên tục
Trang 10• Tĩnh và động
- Với thuật toán tĩnh, quyết định lập lịch trình được thực hiện dựa trên các thông số cố định
- Nếu không, chúng được thực hiện dựa trên các thông số động có thể thay đổi trong suốt thời gian chạy
Lập lịch trình (2/2)
• Online và Offline
- Lập lịch trình online đưa ra quyết định trong thời gian chạy
- Lập lịch trình offline thực hiện toàn bộ nhiệm vụ trước khi kích hoạt công việc thực tế Kết quả có thể được lưu trữ trong một bảng để thực hiện sau
• Tối ưu và Heuristic
- Một thuật toán được cho là tối ưu nếu nó có được kết quả tối ưu cho một hàm chi phí nhất định
- Một thuật toán được cho là heuristic, nếu không có bằng chứng chính thức rằng kết quả sản xuất của nó là tối ưu
Phương pháp tiếp cận đặc điểm kỹ thuật
• Văn bản tự thuật (tệ nhất)
- Khi một chuyển động được phát hiện và hệ thống được trang bị trong hơn 5 giây, âm
thanh báo động trong 1 phút
• Ngôn ngữ có cấu trúc
• Bảng hay Tree
• Biểu đồ (Tốt nhất)
Trang 11 Sơ đồ chuyển trạng thái
• Sơ đồ chuyển đổi trạng thái
- Mô tả các hành vi của hệ thống theo thời gian
• Máy trạng thái hữu hạn(Finite State Machine (FSM))
- Trạng thái hữu hạn và giá trị rời rạc / đầu vào / đầu ra
- Chúng tôi tập trung về Mealy FSM Nó có năm yếu tố:
+ Các trạng thái, chuyển tiếp, sự kiện, hành động, và trạng thái ban đầu
- Một ví dụ đồ toy:
Mealy FSM: Mô tả
• Trước đây, một Mealy FSM có 6-tuple: : (S,,,∧ ,T,G)
- S: một tập hợp hữu hạn các trạng thái
- : một trạng thái ban đầu, S
- : a finite set of input alphabets (or events)(một tập hữu hạn các bảng chữ cái đầu vào (hoặc các sự kiện))
- ∧ : một tập hữu hạn các bảng chữ cái đầu ra (hoặc hành động)
- T : một chức năng chuyển tiếp, where T: S x S
- G : một chức năng đầu ra, where G: S x ∧
• Chúng ta có thể giảm xuống còn 5-tuple bằng cách sáp nhập G vào T (S,,,∧ ,T,G):
- T : S x S x ∧
Mealy FSM: Ví dụ Toy của chúng tôi
Trang 12 Mealy FSM: Bảng chuyển đổi trạng thái
• Máy trạng thái hữu hạn
• Bảng chuyển đổi trạng thái
Trang 13 Mealy FSM: Thực hiện
Hệ thống phân phối thời gian thực
• Một ứng dụng ToT đa tên miền thường là một hệ thống phân phối thời gian thực
- Kết nối các ứng dụng IoT khác nhau miền duy nhất
- Thêm một không gian khác vào hệ thống: thông tin liên lạc
- Không chỉ chú ý đến tính kịp thời kết quả, mà còn chính xác của thông tin liên lạc giữa các lĩnh vực
• Một hệ thống phân bố thời gian thực cơ bản là một hệ thống thời gian thực khi chúng ta có
- Mạng 100% đáng tin cậy và an toàn
- Không độ trễ và chi phí thông tin liên lạc
- Băng thông vô hạn
- Một hành chính(administration)
Internet of Things
Trang 14(1) Nhà thông minh: hệ thống thời gian thực phân phối đa miền (2) Hệ thống thời gian thực đơn giản
(3) Hệ thống thời gian thực đơn miền
Tổng kết
• Hiểu được một hệ thống Cyber-vật lý và IoT là gì
• Vai trò của các thiết bị thông minh trong IoT
- Điểm thu dữ liệu
- Điểm tương tác của con người
- Điểm xử lý dữ liệu
- Điểm thông tin lưu trữ
• Một số khái niệm trong hệ thống thời gian thực