Xây dựng gateway đa giao thức cho hệ thống IoT

Bài viết này đề xuất một IoT gateway có cấu hình mới với 3 ưu điểm: (1) có thể cắm được các module có giao thức truyền thông khác nhau của các mạng khác nhau; (2) có các giao diện bên ngoài hợp nhất để phát triển phần mềm linh hoạt; (3) có giao thức linh hoạt để chuyển dữ liệu từ các cảm biến khác nhau thành một định dạng thống nhất.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GỊN SAIGON UNIVERSITY TẠP CHÍ KHOA HỌC SCIENTIFIC JOURNAL ĐẠI HỌC SÀI GÒN OF SAIGON UNIVERSITY Số 61 (01/2019) No 61 (01/2019) Email: tcdhsg@sgu.edu.vn ; Website: https://tapchikhoahoc.sgu.edu.vn XÂY DỰNG GATEWAY ĐA GIAO THỨC CHO HỆ THỐNG IOT Implementation of a multi-protocol IoT gateway ThS Trần Quang Thuận Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Tóm tắt Sự phát triển nhanh chóng Internet vạn vật (IoT) kéo theo nhu cầu ngày tăng việc kết nối thiết bị phổ biến với giao thức khác BLE, Wi-fi, RFID, Zigbee, LAN, v.v., thành mạng thống Một số ứng dụng điển giao thơng thơng minh, nhà thơng minh, điều khiển cơng nghiệp , cần có cổng kết nối (gateway) thông minh cung cấp tốc độ truyền liệu cao, thiết bị đầu cuối sử dụng băng thông rộng với giao thức khác mạng không đồng Bài báo đề xuất IoT gateway có cấu hình với ưu điểm: (1) cắm module có giao thức truyền thông khác mạng khác nhau; (2) có giao diện bên ngồi hợp để phát triển phần mềm linh hoạt; (3) có giao thức linh hoạt để chuyển liệu từ cảm biến khác thành định dạng thống Từ khóa: cổng kết nối, internet vạn vật, IoT, giao thức Abstract With rapid development of Internet of Things (IoT), there exists an ever-growing demand for ubiquitous connectivity to integrate multiple heterogeneous networks, such as BLE, Wi-fi, RFID, Zigbee, LAN, etc Some typical applications, namely intelligent transportation, smart home, industry control, etc., require a smart gateway to provide high data rate, end-to-end connectivity utilizing the higher bandwidth of multi-hop networks among those heterogeneous networks This paper proposes a novel configurable IoT gateway which has three important benefits Firstly, the gateway has pluggable architecture, whose modules with different communication protocols can be customized and plugged in Secondly, it has unified external interfaces which are fit for flexible software development Finally, it has flexible protocol to transfer data from different sensors into a unified format Keywords: gateway, internet of Things, IoT, protocol IoT - mạng kết nối tất vật trở nên phổ biến với khái niệm Smart City (thành phố thông minh), Smart Grid (lưới điện thông minh), Smart Building (tòa nhà thơng minh), Smart Home (ngơi nhà thơng minh)… dần trở thành thực vào sống Hệ thống IoT bao gồm module cảm Giới thiệu Internet of Things (IoT) thúc đẩy đổi gần khía cạnh sống Việc kết nối đối tượng chưa kết nối trước cho phép thu thập thông tin liệu đầy đủ chuyên sâu dẫn đến thay đổi có ý nghĩa sống Hiện nay, khái niệm Email: thuantq@ptithcm.edu.vn 24 TRẦN QUANG THUẬN TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GỊN biến, gateway máy chủ trung tâm Các module cảm biến đại diện cho đối tượng (things), thể node mạng Gateway thiết bị làm chức chuyển đổi loại mạng ứng dụng khác nhau, thực kết nối node mạng với máy chủ Máy chủ với ứng dụng công nghệ đám mây (cloud) thực điều hành quản lý toàn mạng IoT Đối với IoT gateway, việc kết nối nhiều loại giao thức (protocol) có truyền tải lưu lượng thơng tin lớn thách thức Ngồi ra, yêu cầu bảo mật cao cho hệ thống IoT khó khăn Với tồn nhiều kỹ thuật kết nối sử dụng LAN, WiFi, 3G/4G, Bluetooth, Z-Wave, ZigBee, LoRA, việc tổ chức Gateway đáp ứng đầy đủ giao thức kết nối vấn đề phức tạp Để giải vấn đề này, tác giả báo đề xuất gateway thơng minh với tính cấu hình, đa chức tiết kiệm chi phí Ngồi giới thiệu đây, báo có phần khái quát nghiên cứu liên quan, phần trình bày cấu trúc Smart IoT gateway, phần trình bày việc thực IoT gateway (phần cứng phần mềm) phần cuối kết luận với hướng phát triển Các nghiên cứu liên quan Công trình [4] [7] đề xuất gateway kết nối mạng với nhiều giao thức khác ZigBee, Bluetooth, GPRS, Ethernet, gateway không linh hoạt khơng thể tùy chỉnh cho ứng dụng khác Jong-Wan tác giả cơng trình [5] đề xuất hệ thống gồm máy chủ số máy chủ cảm biến kết nối với mạng cảm biến khác Nhưng hệ thống đó, hầu hết tác vụ hồn thành máy chủ cảm biến phụ thuộc vào mạng khác gateway thông minh Điều làm cho chi phí phần cứng cao Năm 2011, nhóm nghiên cứu tác giả Anurag Bansal ứng dụng công nghệ Bluetooth để thiết kế thiết bị kết nối đến internet trung tâm Thiết bị sử dụng mơ hình IGAP [2] với ý tưởng xây dựng lớp ứng dụng phần mềm chạy điện thoại di động lớp phần mềm chạy PC có kết nối với Internet Bluetooh, từ điện thoại di động kết nối vào Internet thơng qua kết nối với máy tính thơng qua Bluetooth Tuy nhiên, giải pháp phụ thuộc nhiều vào ứng dụng phần mềm chưa tập trung vào giảm thiểu lượng tiêu thụ thiết bị cảm biến Một nhược điểm cơng trình [2] khơng phát triển thiết bị Gateway độc lập mà sử dụng máy tính thu thập liệu từ thiết bị cảm biến sử dụng công nghệ Bluetooth Lin Wu tác giả cơng trình [6] thiết kế gateway định hướng dịch vụ cấu hình plug-play, nhằm làm cho nhanh dễ sử dụng ứng dụng mạng cảm biến bên khác Gateway cho phép kết nối liệu thông tin mạng cảm biến khơng đồng Nó cung cấp ứng dụng bên với quyền truy cập tài nguyên tương ứng thông qua giao diện thân thiện đồng nhất, độc lập với loại mạng cảm biến Nhưng gateway không dành cho loại mạng ứng dụng cảm biến cụ thể, tính plugconfigurable-play đạt cách tách chương trình tổng quát khỏi thông tin cụ thể mạng cảm biến, nhược điểm chạy PC đòi hỏi mơi trường phần cứng cao nên lợi ứng dụng IoT thực tế không rõ ràng Tổng quan phát triển hạ 25 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 61 (01/2019) tầng giải pháp ứng dụng đố với IoT cho thấy, hầu hết Công ty lớn (Intel, Taxas Instrument, NXP, …) nhóm nghiên cứu từ trường đại học giới tập trung vào toán quan trọng như: hạ tầng thiết bị kết nối IoT (IoT Platform), lưu trữ phân tích liệu (Data Analysis), bảo mật phòng chống cơng (Security) Nhìn chung, giải pháp có thị trường đáp ứng yêu cầu riêng rẽ cho nhà thông minh chưa ứng dụng hạ tầng theo định nghĩa IoT Tuy nhiên, giải pháp chưa đồng hoá đảm bảo cho việc quản lý quan, khu công nghiệp, hay rộng nhà nước lĩnh vực an ninh lượng, an ninh thông tin Cấu trúc IoT gateway Mơ hình hệ thống IoT đề xuất Hình Master gateway cầu nối mạng truyền thống mạng cảm biến; trung tâm IoT gateway chịu trách nhiệm chuyển đổi giao thức kết hợp liệu cảm biến Máy chủ hỗ trợ toàn hệ thống, chịu trách nhiệm xử lý liệu khứ hiển thị trực quan Các thẻ người dùng (user card) thông qua giao diện chung để phù hợp với giao thức kết nối khác Nhiệm vụ cụ thể IoT gateway cho Hình Mơ hình sử dụng gateway để kết nối cảm biến không dây thiết bị với trung tâm quản lý ứng dụng công nghệ đám mây Việc sử dụng điện thoại thông minh, máy tính bảng cho phép người điều hành lĩnh vực kiểm sốt an ninh, kiểm sốt mơi trường giám sát cơng việc nơi, lúc Hình Vai trò gateway hệ thống IoT Để đáp ứng yêu cầu băng thông khác nhau, IoT gateway cung cấp giao tiếp mạng Ethernet, 3G/LTE RS485 Gateway khơng truyền liệu tốc độ cao liệu âm video, mà truyền liệu tốc độ thấp liệu cảm biến nhiệt độ độ ẩm Đối với ứng dụng có giao diện khác nhau, giảm phức tạp chi phí hệ thống, đạt phát triển thân thiện với người dùng IoT Gateway đề xuất cung cấp giao diện người dùng hợp Trong ứng dụng thực tế, thiết kế thẻ người dùng khác dạng giao diện PCI-E Các giao diện hợp có ưu điểm: thứ nhất, thiết kế phần cứng IoT gateway đơn giản hóa để tạo thuận lợi cho việc truy cập Trung tâm quản lý Software Tích hợp chuẩn kết nối WiFi, Ethernet, 3G, 4G/LTE Master Gateway Quản lý di động Thiết bị/ Devices Cảm biến/sensors Hình Mơ hình hệ thống IoT 26 TRẦN QUANG THUẬN TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN nhu cầu ứng dụng khác nhau.; thứ hai, thay đổi tự số lượng thẻ người dùng theo môi trường ứng dụng khác Ví dụ: với số ứng dụng cần thẻ người dùng ZigBee, với ứng dụng khác lại cần thẻ người dùng RS485 IoT Gateway chúng tơi đáp ứng yêu cầu Nó tạo điều kiện thuận lợi cho việc truy cập loại thẻ người dùng khác nhau, môi trường ứng dụng khác Trong thực tế, thiết kế nhiều giao diện truyền thông IoT thẻ người dùng, giao diện SPI, giao diện UART, Ethernet (RJ45), USB, giao diện âm video giao diện I2C Đến nay, IoT Gateway chúng tơi hỗ trợ cho nhiều loại thẻ người dùng như: thẻ người dùng định vị UWB; thẻ người dùng ZigBee; thẻ vào/ra tương tự/số; thẻ người dùng RFID 2.4GHz & 915MHz; thẻ người dùng RS485 thẻ thu thập liệu cảm biến Ngồi ra, sử dụng cho loại thẻ người dùng khác với số ứng dụng đặc biệt mà không cần thay đổi cấu trúc IoT gateway Thực IoT gateway 4.1 Giới thiệu phần cứng 4.1.1 Mô tả gateway Để đáp ứng yêu cầu IoT gateway đề cập đây, sử dụng vi xử lý Samsung S5PV210 cho điều khiển gateway CPU có xung clock đạt tới GHz, hỗ trợ 32KB ICache, 32KB D-Cache, 512KB L2 Cache, 64KB ROM 96KB SRAM Bộ xử lý hỗ trợ giao diện phong phú USB, SD/SDIO, UART, CMOS/CCD, SPI, Theo yêu cầu ứng dụng thực tế, cấu trúc phần cứng gateway IoT hiển thị Hình 3, gồm khe cắm thẻ người dùng Tất khe cắm thẻ người dùng hỗ trợ giao diện Ethernet giao diện USB Chip chuyển mạch Ethernet RTL8309 sử dụng để mở rộng giao diện Ethernet chiều CPU ARM Cortex A8 thành giao diện Ethernet chiều Giao diện Ethernet đáp ứng hầu hết ứng dụng truyền thông tốc độ cao Đồng thời, chip USB2514 sử dụng để mở rộng cổng USB thành cổng USB Điều giúp tăng cường khả mở rộng hệ thống Chúng sử dụng chip VK3224 phép khe thẻ người dùng lúc hỗ trợ giao diện UART chiều Khe cắm thẻ người dùng hỗ trợ giao diện Audio/Video IoT gateway hỗ trợ loại giao tiếp liệu với mạng chung, Ethernet, 3G RS485 Người dùng chọn giao diện truyền liệu khác theo nhu cầu cụ thể Hình Cấu trúc phần cứng IoT gateway 4.1.2 Giới thiệu thẻ người dùng Để phù hợp với ứng dụng khác nhau, giao diện tất thẻ người dùng phải giống Chúng chọn giao diện chuẩn PCI-E, với cấu trúc chi tiết thẻ người dùng minh họa Hình 27 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 61 (01/2019) Hình Cấu trúc khung liệu Các chức phần khác khung giải thích sau: • Preamble sequence: byte đồng hóa gói liệu truyền thơng, bao gồm ký tự đầu ký tự khoảng thời gian bắt đầu khung • TYPE: cho biết liệu đường lên (0x01) đường xuống (0x02) • Dest_ID: địa đích, byte • Source_ID: địa nguồn, byte • SN (Message nember): số tin nhắn (phân biệt thông điệp đến), byte • Len: chiều dài tồn tin nhắn • Pkt_Type: loại gói, bao gồm Pkt Type Ind Pkt SubType Ind, byte • Reserved: dự phòng, byte • FCS: CRC16, kiểm tra tính tồn vẹn liệu gói 4.2.2 Nhận dạng loại thẻ người dùng IoT gateway yêu cầu độ tương thích cao, chẳng hạn: kết nối với cảm biến bên thứ ba mà không thay đổi định dạng liệu cảm biến Vì vậy, phân biệt loại thẻ người dùng cách điều chỉnh định dạng liệu chúng [3] Ở đây, đề xuất giải pháp cho vấn đề sau: Sử dụng chip EEPROM 24LC01 để ghi lại loại thẻ người dùng byte Đầu tiên, chip cấu hình thơng qua cổng IIC; sau cần đọc nội dung chip để lấy thơng tin loại thẻ người dùng Hình Cấu trúc phần cứng user card Để chuẩn hóa thiết kế gateway, tất thứ tự dây giao diện giống nhau, loại thẻ người dùng phân biệt phần mềm chạy gateway Trong thực tế, phát triển loại thẻ người dùng giới thiệu phần Trong số thẻ người dùng, thẻ UWB thẻ RFID sử dụng giao diện USB, thẻ ZigBee, thẻ I/O tương tự/số thẻ RS485 sử dụng giao diện UART, thẻ thu thập liệu cảm biến sử dụng giao diện Ethernet UART Người dùng sử dụng thẻ theo yêu cầu giao diện với thẻ Một EEPROM 1K bit (chip 24LC01) sử dụng để xác định loại thẻ người dùng 4.2 Giới thiệu phần mềm Chức phần mềm chạy gateway chuyển đổi giao thức khác nhận dạng loại thẻ người dùng 4.2.1 Chuyển đổi giao thức Kiểu liệu đến từ giao diện khác thường không giống nhau, thân liệu khác Điều làm tăng độ khó việc giao tiếp máy chủ cảm biến Vì vậy, cần phải đóng gói liệu khác gateway Thực tế, cấu trúc khung liệu định nghĩa Hình 28 TRẦN QUANG THUẬN TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GỊN Chip đọc ngẫu nhiên thể Hình Kết luận hướng phát triển IoT gateway cầu kết nối mạng truyền thống mạng cảm biến Bài báo trình bày IoT gateway cấu hình linh hoạt để thích nghi với yêu cầu ứng dụng khác nhau, làm giảm khó khăn, chi phí dễ dàng nhanh chóng áp dụng cho ứng dụng Trong đề xuất chúng tơi, gateway có giao diện bên thống nhất, khả mạnh mẽ để thích ứng với nhu cầu khác nhau, người sử dụng phát triển thẻ (người dùng) phù hợp theo ứng dụng khác Trong tương lai, chúng tơi bổ sung sách bảo mật chiến lược phòng chống lỗi vào gateway đề xuất để đảm bảo cho hoạt động ổn định đáng tin cậy hơn, từ áp dụng cho hệ thống quản lý khu công nghiệp khu cơng nghệ cao Hình Chip đọc ngẫu nhiên 4.2.3 Cấu hình IoT gateway Trong [6], hầu hết IoT gateway thích nghi với cấu trúc C/S Một thiếu sót cấu trúc C/S phần mềm phải cập nhật gateway thêm vào chức Điều gây nhiều bất tiện cho việc phát triển dự án hạn chế tính tương thích gateway Để khắc phục nó, chúng tơi áp dụng chế độ B/S, người dùng cấu hình gateway PC thiết bị di động khác chức thực máy chủ web Trong chế độ B/S, khách hàng chạy phần mềm trình duyệt để gửi yêu cầu truy cập đến máy chủ Web thông qua siêu văn Chế độ yêu cầu bao gồm phương thức POST phương thức GET Đối với phương thức GET, trình duyệt nhận yêu cầu URL bao gồm tên nội dung biến Đối với phương thức POST, trình duyệt tạo gói liệu để làm gọn biến thể nội dung nó, sau gửi gói đến máy chủ Sau nhận yêu cầu, máy chủ web gửi trang tĩnh trang động cho khách hàng Tiếp đến phần mềm tương ứng bắt đầu truy cập mô-đun, sở liệu gửi kết đến máy chủ web Phản hồi từ máy chủ web thường bao gồm dòng trạng thái, dòng trống tài liệu Trình duyệt khách hàng phân tích phản hồi hiển thị nội dung lên web LỜI CẢM ƠN Cơng trình nhận tài trợ từ đề tài khoa học công nghệ cấp Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, mã số 09-HV2018-RD_ĐT2 TÀI LIỆU THAM KHẢO Amiruddin Amiruddin, Anak Agung Putri Ratna, Ruki Harwahyu, Riri Fitri Sari (2018), “Secure Multi-protocol Gateway for Internet of Things”, IEEE Wireless Telecommunications Symposium (WTS), Phoenix, AZ, USA Amol Kawade, Ishan Bhaskarwar, Yashodhan Joshi, Anurag Bansal (2011), “Implementation of Bluetooth hotspots using IGAP”, IJCSET, Vol.1 (Issue 11) Dong Min; Zeng Xiao; Bi Sheng; Guo Shiya (2012), “Design and implementation of the multi-channel RS485 IoT gateway”, Cyber Technology 29 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 61 (01/2019) in Automation, Control, and Intelligent Systems (CYBER), IEEE International Conference on, pp.366-370 pages 979-982 L.Wu, Y Xu, C Xu, and F.Wang (2013), “Plug-configure-play service oriented gateway for fast and easy sensor network application development”, Proceedings of the 2nd International Conference on Sensor Networks (SENSORNETS ’13) Emara, K A., Abdeen, M., & Hashem, M (2009), “A gateway-based framework for transparent interconnection between WSN and IP network”, EUROCON '09, pages 1775-1780 Qian, Z., Ruicong, W., Qi, C., Yan, L., & Weijun, Q (2010), “IoT Gateway: Bridging Wireless Sensor Networks into Internet of Things” IEEE/IFIP 8th International Conference on the Embedded and Ubiquitous Computing (EUC’2010), pages 347-352 Jong-Wan, Y., Yong-ki, K., Choon-Sung, N., & Dong-Rye, S (2009), “Sensor Network Middleware for Distributed and Heterogeneous Environments”, International Conference on New Trends in Information and Service Science (NISS '09), Ngày nhận bài: 05/07/2018 Biên tập xong: 15/12/2018 30 Duyệt đăng: 20/01/2019 ... đề xuất Hình Master gateway cầu nối mạng truyền thống mạng cảm biến; trung tâm IoT gateway chịu trách nhiệm chuyển đổi giao thức kết hợp liệu cảm biến Máy chủ hỗ trợ toàn hệ thống, chịu trách nhiệm... nhiều giao diện truyền thông IoT thẻ người dùng, giao diện SPI, giao diện UART, Ethernet (RJ45), USB, giao diện âm video giao diện I2C Đến nay, IoT Gateway hỗ trợ cho nhiều loại thẻ người dùng... dụng cho loại thẻ người dùng khác với số ứng dụng đặc biệt mà không cần thay đổi cấu trúc IoT gateway Thực IoT gateway 4.1 Giới thiệu phần cứng 4.1.1 Mô tả gateway Để đáp ứng yêu cầu IoT gateway