Xây dựng hệ thống giám sát phòng máy dựa trên công nghệ IoT

Một thế giới mà mọi thứ trong cuộc sống được kết nối với Internet để truyền tải, trao đổi dữ liệu, từ đó người dùng có thể tương tác, điều khiển và kiểm soát mọi hoạt động trong cuộc sốn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HẢI LÂM

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT PHÒNG MÁY

DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ IoT

Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH

Mã số: 60.48.01.01

TOM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Đà Nẵng, năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN TẤN KHÔI

Phản biện 1:

TS Lê Thị Mỹ Hạnh Phản biện 2:

TS Nguyễn Quang Thanh

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc

sĩ Khoa học máy tính tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 8 tháng

12 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

− Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

− Thư viện Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Bách

khoa – ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của con người đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Và khái niệm “Internet of Things” không còn xa lạ và mới mẻ với chúng ta Một thế giới mà mọi thứ trong cuộc sống được kết nối với Internet để truyền tải, trao đổi dữ liệu, từ đó người dùng có thể tương tác, điều khiển và kiểm soát mọi hoạt động trong cuộc sống thông qua những thiết bị thông minh như điện thoại hoặc máy tính bảng

Đánh giá về tình hình phát triển của Internet trong nước thời gian qua, Việt Nam đang phát triển nhanh về số lượng người sử dụng Internet và các thiết bị số, nhất là mạng xã hội và thiết bị di động Internet Việt Nam có hạ tầng mạng phát triển khá bền vững với ADSL,

TV cable, đặc biệt là hạ tầng cáp quang ở các thành phố lớn Hiện nay, mặc dù khái niệm IoT đã trở nên khá quen thuộc và được ứng dụng khá nhiều trong các lĩnh vực của đời sống con người, đặc biệt ở các nước phát triển có nền khoa học công nghệ tiên tiến Tuy nhiên, những công nghệ này chưa được áp dụng một cách rộng rãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng

Những dự án phát triển Internet of Things đang nổi lên ở rất nhiều công ty công nghệ trên toàn thế giới Hiện tại chỉ có khoảng 300 nghìn lập trình viên tham gia IoT nhưng đến 2020, thế giới sẽ cần tới 4.5 triệu lập trình viên Một sản phẩm của Internet of Things đang phổ biến hiện nay đó là Raspberry Pi Một thiết bị phần cứng có chức năng tương tự như một chiếc máy tính thu nhỏ, phục vụ cho nhiều nhu cầu khác nhau như: học tập, giải trí, điều khiển các thiết bị phần cứng

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu Xây dựng hệ thống giám sát phòng máy dựa trên công nghệ IoTcó chức năng giám sát, thu nhập thông tin và truyền tải

dữ liệu về Server trên mạng để phục vụ giám sát và quản lý

Mục tiêu cụ thể:

- Xây dựng mô hình thiết bị nhúng và các thành phần ngoại vi,

- Xây dựng các sơ đồ tích hợp, kết nối thiết bị,

- Lựa chọn hệ điều nhúng, phân tích mã nguồn, phát triển chức năng,

- Cài đặt hệ điều hành nhúng vào thiết bị IoT,

- Xây dựng các mô đun chức năng xử lý dữ liệu,

- Xây dựng WebServer cho phép nhận dữ liệu từ thiết bị IoT và hiển thị thông

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu của đề tài:

- Cơ sở lý thuyết về IoT,

- Kiến trúc hệ thống IoT,

- Các giải pháp xây dựng và kết nối thiết bị IoT,

- Mô hình bảo mật cho IoT

Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

- Nghiên cứu các mô hình kết nối IoT phục vụ giám sát

và quản lý

- Nghiên cứu xây dựng hệ điều hành nhúng cho thiết bị IoT

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết:

- Cơ sở lý thuyết về IoT,

- Cơ sở lý thuyết về các mô triển khai IoT,

- Phân tích các chức năng của hệ điều hành nhúng thiết

bị

Nghiên cứu thực nghiệm:

- Xây dựng hệ điều hành nhúng cho thiết bị IoT,

- Xây dựng mô hình kết nối và thử nghiệm

5 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Luận văn được tổ chức thành ba chương với các nội

dung chính như sau:

Chương 1 Tổng quan về công nghệ IoT

Chương này, luận văn sẽ trình bày mô hình hệ thống, các thành phần của một hệ thống, các công nghệ ứng dụng của một hệ thống IoT

Từ đó tổng quan vấn đề cần nghiên cứu của luận văn

Chương 2 Phân tích thiết kế hệ thống IoT giám sát môi trường phòng máy

Chương này, phát biểu bài toán, thiết kế và xây dựng mô hình

hệ thống IoT giám sát, thiết kế chi tiết các chức năng chính của hệ thống Và từ đó phân tích và lựa chọn các công nghệ để triển khai hệ thống

Chương 3 Triển khai thực nghiệm hệ thống và đánh giá kết quả

Trên cơ sở nghiên cứu cơ bản về IoT, thiết bị cảm biến thông dụng, đồng thời xuất phát từ thực tiễn phục vụ công việc giám sát nhiệt độ, độ

ẩm và hình ảnh camera phòng máy chủ nơi tôi làm việc, và xây dựng một chương trình thực nghiệm (trên các thiết bị thật) để giám sát các thông số

về môi trường (nhiệt độ và độ ẩm) và hình ảnh camera phòng máy chủ Sau đó, chạy thử nghiệm chương trình, đánh giá các kết quả đạt được và

so sánh với mục tiêu, yêu cầu đặt ra đối với luận văn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IOT

1.1 GIỚI THIỆU

IoT có thể được coi là một tầm nhìn sâu rộng của công nghệ và cuộc sống Từ quan điểm của tiêu chuẩn kỹ thuật, IoT có thể được xem như là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, tạo điều kiện cho các dịch vụ tiên tiến thông qua sự liên kết các “mọi thứ” IoT dự kiến sẽ tích hợp rất nhiều công nghệ mới, chẳng hạn như các công nghệ thông tin máy móc-đến-máy móc, mạng tự trị, khai thác dữ liệu và ra quyết định, bảo vệ sự an ninh và sự riêng tư, điện toán đám mây Như hình dưới, một hệ thống thông tin trước đây đã mang đến 2 chiều – “mọi thời gian giao tiếp” và “mọi địa điểm giao tiếp” giao tiếp Giờ IoT đã tạo thêm một chiều mới trong hệ thống thông tin đó là “mọi thông tin giao tiếp” [3]

một dịch vụ cụ thể của một hệ thống IOT

1.2.2 Hỗ trợ dịch vụ và tầng hỗ trợ ứng dụng

Nhóm dịch vụ chung: Các dịch vụ hỗ trợ chung, phổ biến mà hầu hết các ứng dụng IOT đều cần, ví dụ như xử lý dữ liệu hoặc lưu trữ dữ liệu

Nhóm dịch vụ cụ thể, riêng biệt: Những ứng dụng IoT khác nhau

sẽ có nhóm dịch phụ hỗ trợ khác nhau và đặc thù Trong thực tế, nhóm dịch vụ cụ thể riêng biệt là tính toán độ tăng trưởng của cây mà đưa ra quyết định tưới nước hoặc bón phân

1.2.3 Tầng mạng

Tầng mạng có 2 chức năng [5]:

- Chức năng Networking: cung cấp chức năng điều khiển các kết nối kết nối mạng, chẳng hạn như tiếp cận được nguồn tài nguyên thông tin và chuyển tài nguyên đó đến nơi cần thiết, hay chứng thực,

b Những dịch vụ liên quan đến “mọi thứ”: hệ thống IoT có khả năng cung cấp các dịch vụ liên quan đến “mọi thứ”, chẳng hạn như bảo

vệ sự riêng tư và nhất quán giữa mọi thứ vậy lý và mọi thứ ảo Để cung cấp được dịch vụ này, cả công nghệ phần cứng và công nghệ thông tin

sẽ phải thay đổi

c Tính không đồng nhất: Các thiết bị trong IoT là không đồng nhất vì nó có phần cứng khác nhau, và mạng lưới khác nhau Các thiết

bị giữa các mạng lưới có thể tương tác với nhau nhờ vào sự liên kết của các mạng lưới

d Thay đổi linh hoạt: Trạng thái 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

e 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 1.3.2 Yêu cầu ở mức cao đối với một hệ thống IoT

Một hệ thống IoT phải thoả mãn các yêu cầu sau:

❖ Kết nối dựa trên sự nhận diện: Nghĩa là các “mọi thứ” phải

có ID riêng biệt Hệ thống IOT cần hỗ trợ các kết nối giữa các “mọi thứ”, và kết nối được thiết lập dựa trên định danh (ID) của mọi thứ

❖ Khả năng cộng tác: hệ thống IoT khả năng tương tác qua lại giữa các mạng và Things

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

tự recovery, 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 (location-based capabilities): Thông tin liên lạc và các dịch vụ liên quan đến một cái gì đó 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 Các dịch vụ dựa trên vị trí có thể bị hạn chế bởi luật pháp hay quy định, và phải tuân thủ các yêu cầu an ninh

❖ Bảo mật: Trong IoT, nhiều “Things” được kết nối với nhau Chình 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

1.3.3 Thành phần cơ bản của hệ thống IoT [18]

Theo báo cáo nghiên cứu thị trường của tổ chức IoT Analytics, kiến trúc của nền tảng IoT hiện đại cơ bản nhất, được miêu tả bao gồm

8 thành phần như sau:

Hình thức đơn giản nhất, một nền tảng IoT chỉ cho phép kết nối giữa “sự vật” hoặc thiết bị Kiến trúc cũng có thể bao gồm một nền tảng phần mềm, một nền tảng phát triển ứng dụng hoặc một nền tảng phân tích Trong một hình thức phức tạp hơn, một nền tảng IoT đầu cuối đích thực bao gồm tám khối kiến trúc quan trọng

1.4 CÁC CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG TRONG IoT

1.4.1 Công nghệ

a Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) cho phép một thiết bị đọc thông tin chứa trong chip không tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa, không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào hoặc giữa hai vật không nhìn thấy Công nghệ này cho ta phương pháp truyền, nhận dữ liệu từ một điểm đến điểm khác Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thông không dây trong dải tần sóng vô tuyến để truyền dữ liệu

từ các tag (thẻ) đến các reader (bộ đọc)

b NFC (Near-Field Communications) là công nghệ kết nối không dây phạm vi tầm ngắn trong khoảng cách 4 cm, sử dụng cảm ứng từ trường để thực hiện kết nối giữa các thiết bị khi có sự tiếp xúc trực tiếp hay để gần nhau NFC được phát triển dựa trên nguyên lý nhận dạng bằng tín hiệu tần số vô tuyến (Radio-frequency identification - RFID), hoạt động ở dải băng tần 13.56 MHz và tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa 424 Kbps Do khoảng cách truyền dữ liệu khá ngắn nên giao dịch qua công nghệ NFC được xem là an toàn

1.4.2 Giao thức truyền thông

a Bluetooth là một công nghệ không dây cho phép truyền thông giữa các thiết bị với nhau mà không cần cáp và dây dẫn Nó là một chuẩn điện tử, điều đó có nghĩa là các hãng sản xuất muốn có đặc tính này trong sản phẩm thì họ phải tuân theo các yêu cầu của chuẩn này đối cho sản phẩm của mình Những chỉ tiêu kỹ thuật này bảo đảm cho các thiết bị có thể nhận ra và tương tác với nhau khi sử dụng công nghệ

Bluetooth

b Z-Wave là tiêu chuẩn quốc tế cho các giao tiếp không dây giữa các thiết bị khác nhau trong nhà và văn phòng Mặc dù ra sau nhưng với ưu điểm vượt trội Z-Wave nhanh chóng được đón nhận và phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới Đến nay chuẩn mở Z-Wave đã

có hơn 200 nhà cung cấp từ khắp các châu lục với tất cả các quy mô khác nhau và cung cấp hơn 2.000 chủng loại sản phẩm phục vụ cho các giải pháp nhà thông minh Sự xuất hiện của chuẩn Z-Wave đã làm thay đổi toàn bộ công nghệ mạng internet Với chuẩn không dây Z-Wave đã mở ra cuộc cách mạng IoT

c WiFi là viết tắt của Wireless Fidelity là phương thức kết nối không dây sử dụng sóng vô tuyến WiFi được triển khai trên hầu hết các thiết bị điện tử thông minh hiện nay để có thể kết nối với nhau và kết nối Internet WiFi được triển khai với mục đích truyền dữ liệu không dây tốc độ cao, không cần đấu nối dây hay cáp mạng, triển khai

hạ tầng mạng một cách nhanh chóng

1.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA IoT

a Nhà thông minh: Có thể nói smart home chính là ứng dụng được tìm kiếm nhiều nhất trên google Vậy như thế nào được hiểu là một ngôi nhà thông minh? Bạn sẽ có thể bật điều hòa, bình nóng lạnh trước khi về nhà hay thậm chí tắt đèn ngay khi bạn không có nhà, bạn

có thể mở cửa cho bạn bè vào chơi trong khi bạn vẫn còn ở cơ quan

b Thành phố thông minh là một ứng dụng của IoT tạo được sự

tò mò của đông dảo 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

c Chăm sóc sức khỏe: Đây có thể nói là một lĩnh vực chưa được khai phá hết của Internet of Things bởi những ứng dụng không ngờ mà

nó mang lại Một hệ thống chăm sóc sức khỏe được kết nối cùng các thiết bị y tế thông minh mang lại tiềm năng to lớn cho các công ty đầu

tư sản xuất

d Trong nông nghiệp: Nếu như trước đây toàn bộ quá trình trồng trọt phụ thuộc lớn vào sức lao động của con người thì giờ đây nó hoàn

toàn có thể đơn giản hóa với sự xuất hiện của máy móc và công nghệ

1.6 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU

1.6.1 Tính cấp thiết ứng dụng IoT để giám sát môi trường phòng máy chủ MobiFone

a Mô tả hiện trạng: Công ty Dịch vụ MobiFone Khu vực 3 là

một trong 25 đơn vị trực thuộc Tổng công ty Viễn thông MobiFone Phụ trách kinh doanh của 08 tỉnh thành trải dài từ Quảng Trị cho vào đến Phú Yên

Với yêu cầu công việc được đưa ra như vậy, là một thành viên

ở phòng Công nghệ thông tin nơi tôi làm việc chịu trách nhiệm về việc quản trị hệ thống mạng lõi từ Tổng công ty cho đến các chi nhánh, cửa hàng và đại lý MobiFone gồm các hệ thống: Firewall, Proxy, QRarda, DLP, hệ thống ảo hóa ngoài ra quản lý hệ thống máy chủ nơi lưu trữ các ứng dụng, website…được phục vụ cho công tác kinh doanh, kèm theo đó là hệ thống cơ sở dữ liệu lớn với hơn 150 loại thiết bị và hơn

40 tủ Rack

Với công việc được phân công quản lý phòng máy chủ Thì luôn

có một màn hình chung lớn để giám sát hình ảnh phòng máy chủ, giám sát các đường truyền kết nối mạng tại các điểm, hiệu năng các thiết bị mạng và server, SAN cũng như database Ngoài ra, Cũng có các hệ thống ngoại vị để tăng cường bảo vệ cho phòng máy chủ: có các hệ thống bảo vệ xác nhận dấu vân tay, hệ thống điều hòa tập trung và các

hệ thống phòng cháy chữa cháy…

b Yêu cầu thực tế: Do thời gian gần đây, biến đổi khí hậu và

các hiện tượng nên nhiệt độ không ở một mức ổn định luôn thay đổi, kéo theo các thông số môi trường phòng máy chủ thay đổi Dẫn đến mất sự ổn định nhiệt độ và độ ẩm Đặc biệt nữa, hệ thống giám sát các thiết bị phòng máy chủ chưa có một hệ thống giám sát môi trường đặt tại các thiết bị nên việc đưa ra các điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm vẫn

còn cảm tính chưa có một quy trình nghiêm ngặt để bảo vệ các thiết bị tránh khỏi các yếu tố môi trường

c Các sự cố: Ngoài các sự cố về hế thống mạng tập trung ra thì việc các thiết bị switch, router, firewall, server, SAN….phần cứng hay

bị hỏng như: hệ thống làm mát của thiết bị, hư mainboard, ram và đĩa cứng lưu trữ

d Vấn đề giải quyết: Như vậy qua các trình bày ở trên, Ngoài các yếu tố khác thì Nhiệt độ và độ ẩm là kẻ thù của mọi loại thiết bị điện tử, trong phòng máy chủ thì 2 yếu tố này luôn cần phải được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo sự hoạt động ổn định của hệ thống…Do đó tính cấp thiết phải xây dựng một hệ thống giám sát môi trường phòng máy chủ là rất quan trọng để giải quyết được bài toán đặt ra

1.6.2 Tổng quan các nghiên cứu đã có

a Giám sát nhiệt độ và độ ẩm: Hệ thống E-Sensor Iot rất đơn giản và tiện gọn Nó giám sát thông số môi trường ở kho lạnh đóng đóng vai quan trọng trong bảo quản thực phẩm, dược phẩm và một số sản phẩm đặc thù Vì vậy, hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm trong kho lạnh cần phải đảm bảo được sự chính xác, nhanh chóng và ổn định, bởi chỉ cần một sự cố nhỏ trong hệ thống làm lạnh là đã có thể gây hư hỏng thực phẩm được bảo quản trong kho lạnh, thậm chí tạo nên những tổn thất lớn cho doanh nghiệp

b Ứng dụng camera giám sát: Ngày nay trong sự phát triển của

kỷ nguyên công nghệ, con người ngày càng sáng tạo và nghiên cứu ra rất nhiều những sản phẩm ứng dụng thông minh phục vụ cho nhu cầu cuộc sống sinh hoạt nay Trong đó phải kế đến một thiết bị vô cùng quan trọng thiết yếu được ứng dụng và xuất hiện nhiều nhất ở mọi nơi

đó là chiếc camera giám sát

1.7 KẾT CHƯƠNG

Trong chương này trình bày một số vấn đề tổng quan về các