NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IOT CHO GIÁM sát môi TRƢỜNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRỊNH MINH PHƢƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IOT CHO GIÁM SÁT MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI - 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRỊNH MINH PHƢƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IOT CHO GIÁM SÁT MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền liệu mạng máy tính Mã số: Chuyên ngành thí điểm NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS DƢƠNG LÊ MINH HÀ NỘI - 2016 MỤC LỤC Trang DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT 1.1 Định nghĩa 1.2 Khái niệm IoT 1.3 IoT từ góc nhìn kỹ thuật 1.4 Đặc điểm yêu cầu mức cao hệ thống IoT 12 1.4.1 Đặc tính 12 1.4.2 Yêu cầu mức cao hệ thống IoT 12 1.5 Mô hình hệ thống IoT 14 1.5.1 Application Layer 14 1.5.2 Service support and application support layer 14 1.5.3 Network layer 15 1.5.4 Device layer 15 CHƢƠNG 2: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 17 2.1 Tổng quan mạng cảm biến 17 2.2 Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến 17 2.2.1 Phần cứng 18 2.2.2 Giao thức điều khiển truy cập [5]: 19 2.3 Phân loại mạng cảm biến [5] 23 2.3.1 Category WSN (C1WSN) 23 2.3.2 Category WSN (C2WSN) 24 CHƢƠNG 3: CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 25 3.1 Giám sát điều khiển công nghiệp 25 3.2 Tự động hoá gia đình điện dân dụng 26 3.3 Mạng cảm biến quân 31 3.4 Cảm biến y tế giám sát sức khoẻ 32 3.5 Cảm biến môi trường nông nghiệp thông minh 33 CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG GIÁM SÁT THÔNG SỐ MÔI TRƢỜNG 36 4.1 Đặt vấn đề 36 4.2 Tìm hiểu thiết bị Raspberry Pi 37 4.2.1 Giới thiệu chung [10] 37 4.2.2 Hệ điều hành Raspberry Pi 42 4.2.3 Các ứng dụng từ Raspberry Pi 47 4.3 Xây dựng mạng cảm biến giám sát thông số môi trường qua việc sử dụng thiết bị Raspberry Pi Sensor 52 4.3.1 Điều khiển Raspberry Pi thiết bị cảm ứng Python 52 4.3.2 Thiết bị cảm biến 55 4.3.3 Chương trình demo 60 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 DANH MỤC HÌNH VẼ Chƣơng Hình 1.1: Kết nối vật Hình 1.2: Hệ thống IoT từ góc nhìn kỹ thuật 10 Hình 1.3: Các loại thiết bị khác mối quan hệ [2] 11 Hình 1.4: Mô hình IoT 14 Chƣơng Hình 2.1: Kiến trúc node cảm biến 18 Hình 2.2: Phần mềm điều khiển node cảm biến 19 Hình 2.3: Mô hình tham khảo OSI cấu trúc lớp liên kết liệu 21 Chƣơng Hình 4.1: Bảng mạch máy tính Raspberry Pi 37 Hình 4.2: Cấu tạo Raspberry Pi 39 Hình 4.3: Sơ đ kết nối API 41 Hình 4.4: Phần mềm Win32DiskImage 44 Hình 4.5: Màn hình thiết lập cho Raspberry Pi 44 Hình 4.6: Giao diện đ họa hệ điều hành Raspbian 45 Hình 4.7: Phần mềm Putty 45 Hình 4.8: Phần mềm Remote Desktop Connection 46 Hình 4.9: Giao diện dòng lệnh Putty 46 Hình 4.10: Đặt IP tĩnh cho Raspberry Pi 47 Hình 4.11: Hệ điều hành Raspbmc chạy Raspberry Pi 48 Hình 4.12: Phần mềm WINSCP 49 Hình 4.13: Sơ đ chân cắm Raspberry Pi 53 Hình 4.14: Nối mạch thiết bị cảm ứng với Raspberry Pi 54 DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT, TỪ ĐIỂN AODV CSMA DAM DSDV DSR GLONASS GPS HVAC Ad hoc On - Demand Distance - Vector Routing Carrier Sense Multiple Access Chuỗi hướng theo yêu cầu Ad hoc Đa truy nhập cảm biến sóng mang Aggregate Giao thức quản lý khối kết hợp phân Distributed Management tán Destination-Sequenced Chuỗi hướng với đích Distance-Vector Định tuyến ngu n động Dynamic Source Routing Global Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh điều hướng toàn cầu Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu Heating, Ventilation, and Hơi ấm, thông gió điều kiện Air Conditioning không khí MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường NS-2 Network Simulator - Bộ mô mạng phiên PDA Personal Digital Assistant Trợ tá số cá nhân RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RFM RF Monolithic RKE Remote Keyless Entry SMP SQDDP Sensor Thành phần nguyên khối tần số vô tuyến Đăng nhập mục không khoá từ xa Management Protocol Giao thức quản lý cảm biến Sensor Query and Data Giao thức truy vấn cảm biến phổ biến số liệu Dissemination Protocol SWAN TADAP TDMA TORA UART VHDL WINS WLAN WPAN Simulator for Wireless Ad- Mô hình mô mạng Ad hoc hoc Networks không dây Task Assignment and Data Giao thức phân nhiệm vụ quảng cáo số liệu Advertisement Protocol Time Division Multiple Access Ordered Thuật toán tìm đường theo Temporally thời gian Routing Algorithm Universal Asynchronous Receiver Transmitter hợp mật độ cao Description Language Wireless Integrated Network Sensors Local Area Personal Area Network Wireless Bộ thu phát không đ ng chung Hardware Ngôn ngữ mô tả phần cứng Mạch tích VHSIC Wireless Đa truy nhập phân chia theo thời gian Network Cảm biến mạng tích hợp vô tuyến Mạng nội hạt vô tuyến Mạng vùng cá nhân vô tuyến LỜI CAM ĐOAN Những nội dung trình bày luận văn kiến thức riêng cá nhân tích lũy trình học tập, nghiên cứu, không chép lại công trình nghiên cứu hay luận văn tác giả khác Trong nội dung nội dung luận văn, phần nghiên cứu, trích dẫn nêu phần tài liệu tham khảo, có ngu n gốc, xuất xứ, tên tuổi tác giả, nhà xuất rõ ràng Những điều cam kết hoàn toàn thật, sai, xin chịu hình thức xử lý kỷ luật theo quy định LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến Tiến sĩ Dương Lê Minh, Phó Chủ nhiệm khoa Công nghệ thông tin - Trường Đại học Công nghệ Đại học Quốc gia Hà Nội, thầy dành nhiều thời gian tận tình bảo, hướng dẫn em suốt trình tìm hiểu, triển khai nghiên cứu đề tài Thầy người định hướng đưa nhiều góp ý quý báu trình em thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn chân thành tới toàn thể thầy giáo, cô giáo khoa Công nghệ thông tin - Trường Đại học Công nghệ Hà Nội - Đại học Quốc gia Hà Nội dạy bảo tận tình, trang bị cho em kiến thức quý báu, bổ ích tạo điều kiện thuận lợi suốt trình em học tập nghiên cứu trường Em xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đ ng nghiệp bên em cổ vũ, động viên, giúp đỡ em suốt trình học tập thực luận văn Do có nhiều hạn chế thời gian kiến thức nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp quý báu quý thầy cô bạn quan tâm Luận văn thạc sỹ thực tài trợ từ đề tài NCKH cấp ĐHQGHN, mã số đề tài: QG.16.30 Cuối em xin gửi lời chúc sức khỏe thành đạt tới tất quý thầy cô, quý đ ng nghiệp toàn thể gia đình bạn bè Xin chân thành cảm ơn! MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Trong trình phát triển người, cách mạng công nghệ đóng vai trò quan trọng, chúng làm thay đổi ngày sống người, theo hướng đại Đi đôi với trình phát triển người, thay đổi tác động người tự nhiên, môi trường sống diễn ra, tác động trở lại chúng ta, ô nhiễm môi trường, khí hậu thay đổi, v.v Dân số tăng, nhu cầu tăng theo, dịch vụ, tiện ích từ hình thành phát triển theo Đặc biệt áp dụng công nghệ ngành điện tử, công nghệ thông tin truyền thông vào thực tiễn sống người Công nghệ Internet of Things (IoT) nói chung công nghệ cảm biến không dây (Wireless Sensor) nói riêng tích hợp từ kỹ thuật điện tử, tin học viễn thông tiên tiến vào mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v , phạm vi ngày mở rộng, để tạo ứng dụng đáp ứng cho nhu cầu lĩnh vực khác Hiện nay, khái niệm IoT công nghệ cảm biến không dây trở nên quen thuộc ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống người, đặc biệt nước phát triển có khoa học công nghệ tiên tiến Tuy nhiên, công nghệ chưa áp dụng cách rộng rãi nước ta, điều kiện kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng Song hứa hẹn đích đến tiêu biểu cho nhà nghiên cứu, cho mục đích phát triển đầy tiềm Được định hướng dẫn Tiến sĩ Dương Lê Minh, em chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ IoT cho giám sát môi trường” Trên sở tìm hiểu IoT nói chung mạng cảm biến không dây nói riêng, luận văn thực thực nghiệm cho mạng cảm biến để giám sát thông số môi trường tiêu biểu (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) việc bảo quản, vận chuyển thực phẩm tươi sống Sơ đồ chức chân linh kiện điện tử DHT22 Chức chân DHT22 Chân - VDD chân nối ngu n (5V) Chân - DATA chân liệu vào Chân - NC Chân - GND chân nối mass (0V) Nguyên ly hoạt động linh kiện điện tử DHT22 - Sơ đ kết nối với vi xử lý - Để giao tiếp với DHT22 theo chuẩn chân vi xử lý thực theo bước: + Gửi tín hiệu muốn đo (Start) tới DHT22, sau xác nhận lại + Khi giao tiếp với DHT22, cảm biến gửi lại byte liệu nhiệt độ đo 56 Bƣớc : Gửi tín hiệu start + MCU thiết lập chân DATA output kéo chân DATA xuống khoảng thời gian >=1 ms Khi DHT22 hiểu MCU muốn đo nhiệt độ độ ẩm + MCU đưa chân DATA lên sau thiết lập lại chân đầu vào + Sau khoảng 20-40 us DHT kéo chân DATA xuống thấp Nếu >40us mà chân DATA chưa kéo xuống thấp nghĩa chưa giáp tiếp với DHT22 + Chân DATA mức thấp 80 us sau DHT22 kéo lên mức cao 80 us Bằng việc giám sát chân DATA , MCU biết có giao tiếp với DHT22 hay không Nếu tín hiệu đo lên cao hoàn thiện trình giao tiếp MCU với DHT22 Bƣớc 2: Đọc giá trị DHT22 DHT22 trả giá trị nhiệt độ độ ẩm dạng byte đó: + Byte giá trị phần nguyên độ ẩm + Byte giá trị phần thập phân độ ẩm + Byte giá trị phần nguyên nhiệt độ + Byte giá trị phần thập phân nhiệt độ + Byte kiểm trả tổng Nếu Byte 5=Byte1+Byte2+Byte3+Byte4 giá trị nhiệt độ độ ẩm xác không kết đo bị sai Cách tính nhiệt độ độ ẩm (Bytecao *256 + Bytethấp)/10 57 Đọc liệu: sau giao tiếp với DHT22 , DHT22 gửi liên tiếp 40bit MCU tương ứng với byte giá trị nhiệt độ độ ẩm + Bit + Bit Sau tín hiệu đưa ta đợi chân DATA MCU DHT22 kéo lên Nếu chân DATA khoảng 26-28 us t n khoảng 70 us Do lập trình ta bắt sườn lên DATA sau delay 50 us Nếu giá trị đo đọc bit giá trị đo đọc bit 1cứ ta đọc bit 4.3.2.2 Cảm biến cƣờng độ ánh sáng BH1750 BH1750 cảm biến ánh sáng kỹ thuật số G m linh kiện điện tử IC cảm biến ánh sáng cho giao tiếp I2C IC thích hợp để nhận diện liệu ánh sáng xung quanh cho việc điều chỉnh hình LCD bàn 58 phím đèn sức mạnh điện thoại di động Nó phát nhiều độ phân giải cao (1-65535 lx) Linh kiện điện tử BH1750 có ƣu điểm sau: Chuyển từ tín hiệu ánh sáng sang kỹ thuật số Nhận tín hiệu phạm vi rộng với độ phân giải cao: từ 1-65535lx Tiêu thụ điện thấp nhờ tính tự ngắt Tính giảm nhiễu ánh sáng 50Hz/60Hz Giao diện I2C bus Không yêu cầu phụ kiện bổ sung Có thể lựa chọn kiểu I2C slave-address Có thể phát thấp nhấp 0.11lx, tối đa 100000lx sử dụng tính Sơ đ kết nối với arduino (do linh kiện điện tử BH1750 sử dụng ngườn 3.3V cần sử dụng điện trở 510Ohm) 59 4.3.3 Chƣơng trình demo 4.3.3.1 Xây dựng chƣơng trình: Chúng ta xây dựng ứng dụng để giám sát thông số môi trường tiêu biểu việc bảo quản thực phẩm, đặc biệt thực phẩm tươi sống trình vận chuyển, là: nhiệt độ, độ ẩm ánh sáng Chúng ta sử dụng thiết bị Raspberry Pi Sensor cảm biến DHT22 BH1570 trình bày Ngoài dùng ngôn ngữ lập trình Python thư viện dùng riêng cho sensor cảm biến (thư viện adafruit) để viết chương trình dùng Raspberry Pi để đọc thông số Sensor 4.3.3.2 Mô hình hoạt động chƣơng trình: - Mô hình hoạt động biểu diễn use-case, tương tác thành phần, cấu trúc chương trình: - Mô hình hoạt động chương trình biểu diễn dạng sơ đ : 60 4.3.3.3 Một số kết chạy thử nghiệm: Giao diện hình truy cập: Danh sách sensor giá trị đo chúng thời điểm khác 61 Giao diện tự động thay đổi cho phù hợp với kích thƣớc hình khác (dành cho thiết bị mobile truy cập) Chƣơng trình đƣa dấu hiệu cảnh báo qua màu sắc thông số môi trƣờng vƣợt ngƣỡng quy định - Khi nhiệt độ 25 độ C độ ẩm 80% Trên giao diện máy tính: 62 Trên giao diện điện thoại: - Khi nhiệt độ từ 25 độ đến 30 độ C độ ẩm 80% Trên giao diện máy tính: 63 Trên giao diện điện thoại: - Khi nhiệt độ từ 25 độ C đến 30 độ C độ ẩm 80% Trên giao diện máy tính: 64 Trên giao diện điện thoại: - Khi nhiệt độ 30 độ C độ ẩm 80%: Trên giao diện máy tính 65 Trên giao diện điện thoại - Sự thay đổi cường độ ảnh sáng theo đơn vị lumens đo giao diện command line 66 4.2.3.4 Đánh giá kết chạy thử nghiệm chƣơng trình demo - Tìm hiểu chi tiết tính kỹ thuật thiết bị Raspberry Pi sensor cảm ứng ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm - Sử dụng ngôn ngữ lập trình Python để đọc liệu sensor cảm ứng ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm thu nhận Sau thị giao diện web cách trực quan dễ hiểu - Qua nhiều lần thử nghiệm, chương trình demo chạy ổn định, thiết kế hệ thống Ngoài chương trình demo sử dụng thiết bị có thị trường (nhiệt kế, ẩm kế, lux kế) để đo thủ công thời điểm với sensor hệ thống thu liệu Kết cho thấy, kết thiết bị đo thủ công đo tự động sensor (chương trình demo) - Khả ứng dụng phát triển chương trình thực nghiệm: Với chi phí hợp lý (Bộ Raspberry Pi sensor cảm ứng thông dụng dễ dàng mua sắm với giá hợp lý), công nghệ hỗ trợ sẵn có mạnh (ngôn ngữ lập trình Python thư viện hỗ trợ), việc triển khai lắp đặt 67 thiết bị cài đặt chương trình demo xe thùng chuyên dụng hoàn toàn khả thi Hơn nữa, ta điều chỉnh ngưỡng giám sát sensor, chương trình demo uyển chuyển, triển khai thiết bị chương trình nhiều loại xe thùng (chuyên chở loại thực phẩm khác với yêu cầu thông số môi trường khác nhau) 68 KẾT LUẬN Công nghệ IoT nói chung mạng cảm biến không dây nói riêng hứa hẹn tạo ứng dụng đầy tiềm năng, áp dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, mà công nghệ khác nhiều hạn chế Tuy nhiên để triển khai mạng người thiết kế hệ thống yêu cầu phải nắm bắt nhân tố tác động đến mạng, nhược điểm mạng cần phải khắc phục Tức là, người thiết kế cần phải quan tâm đến tham số mạng, ví dụ tập chất lượng dịch vụ QoS Nhờ trình mô người thiết kế hệ thống đánh giá chất lượng dịch vụ mạng cung cấp, để từ thiết kế hệ thống theo cách tối ưu Trên sở nghiên cứu tổng quan IoT, công nghệ cảm biến không dây ứng dụng thực tiễnm, em xây dựng thành công chương trình thực nghiệm có tính khả thi cao (như trình bày phần đánh giá kết chạy thử nghiệm) Tuy nhiên, thời gian số lượng cảm biến hạn chế, chương trình chưa chạy thử nghiệm với số lượng lớn thiết bị cảm biến, chưa đánh giá hết số vấn đề như: việc truyền nhận liệu từ thiết bị cảm biến đến node mạng cảm biến, vấn đề xung đột liệu… Đây hướng nghiên cứu, phát triển luận văn 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO Luigi Atzori, Antonio Iera, Giacomo Morabito, Internet of Things: A survey, Computer Networks 54 (2010) 2787–2805 Dr Ovidiu Vermesan, Dr Peter Friess, Patrick Guillemin, Internet of Things Strategic Research Roadmap, 2009 Strategic Research Agenda, The IoT European Research Cluster - European Research Cluster on the Internet of Things (IERC) Everton Cavalcante, Marcelo Pitanga Alves, An Analysis of Reference Architectures for the Internet of Things, Corba 2015 Anna Ha’c, Wireless Sensor Network Designs, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd, Copyright 2003 Edgar H.Callaway, Jr Wireless Sensor Networks: Architectures and Protocols, A CRC Press Company, Copyright © 2004 CRC Press LLC Ovidiu Vermesan, Peter Friess, Internet of Things – Converging Technologies For Smart Environments and Integrated Ecosystems, River Publishers Series in Communications Kiran Maraiya, Kamal Kant, Nitin Gupta, Application based Study on Wireless Sensor Network, International Journal of Computer Application (09758887), Volume 21, No.8, May 2011 I.F Akyildiz, W Su*, Y Sankarasubramaniam, E Cayirci, Wireless sensor networks: A survey, Broadband and Wireless Networking Laboratory, School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, Received 12 December 2001; accepted 20 December 2001. Mainwaring, Polastre, et al Wireless Sensor Networks For Habitat Monitoring, online posting 2002 ACM International Workshop on Wireless Sensor Networks and Applications September 28, 2002 Atlanta, GA (also Intel Research, IRB-TR-02-006, June 2002.) 12 Dec 2002 10 Matt Richardson & Shawn Wallace, Getting Started with Raspberry Pi 11 Maik Schmidt, Raspberry Pi, A Quick-Start Guide 70 ... HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRỊNH MINH PHƢƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IOT CHO GIÁM SÁT MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên... Nghiên cứu ứng dụng công nghệ IoT cho giám sát môi trường” Trên sở tìm hiểu IoT nói chung mạng cảm biến không dây nói riêng, luận văn thực thực nghiệm cho mạng cảm biến để giám sát thông số môi. .. khả quan sát, phân tích phản ứng lại với kiện, tượng xảy môi trường cụ thể Các ứng dụng mạng cảm biến chủ yếu g m thu thập liệu, giám sát, theo dõi ,và ứng dụng y học.Tuy nhiên ứng dụng mạng