Nghiên cứu thiết bị thông minh trong hệ thống internet của vạn vật

Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thông LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn nghiên cứu thân Các nghiên cứu luận văn dựa tổng hợp lý thuyết mơ thực tế mình, khơng chép từ luận văn khác Mọi thơng tin trích dẫn đƣợc tn theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng tài liệu tham khảo Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm với nội dung đƣợc viết luận văn Tác giả luận văn Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thông LỜI CẢM ƠN Lời muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc kính trọng tới TS Trƣơng Thu Hƣơng - ngƣời tận tình bảo, hƣớng dẫn tạo điều kiện cho tơi q trình tìm hiểu học tập nghiên cứu Viện Điện tử- Viễn thông, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô Viện Điện tử- Viễn thông trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện cho đƣợc học hỏi thông qua mơn học nhƣ hồn thành khố học Cuối tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành đến gia đình, ngƣời thân bạn bè đồng nghiệp khích lệ động viên tơi hồn thành luận văn Tác giả Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thông LỜI MỞ ĐẦU Với phát triển Internet, smartphone đặc biệt thiết bị cảm biến, Internet of Things trở thành xu hƣớng giới Internet of Things đƣợc định nghĩa vật dụng có khả kết nối Internet Bạn vào nhà, mở khóa cửa, đèn tự động sáng chỗ bạn đứng, điều hòa tự động điều chỉnh nhiệt độ, nhạc tự động bật để chào đón bạn… điều có phim khoa học viễn tƣởng, dần trở thành thực với cơng nghệ Internet of Things Nhờ Internet of Things, có nhiều ý tƣởng độc đáo trở thành thực Không phát huy tốt cho công dụng vốn có thiết bị, Internet of Things cịn góp phần đem lại sống tốt đẹp cho ngƣời Có thể kể đến nhƣ Boogio - đơi giày thơng minh có lắp cảm biến cực mỏng máy tính Artik siêu nhỏ để lƣu trữ lại liệu ngƣời dùng kết nối với với smartphone đồng hồ thông minh Thông qua đôi giày này, ngƣời dùng tính tốn đƣợc hơm chạy bƣớc, luyện tập nào, đốt cháy calo, đo số sức khỏe thân có đƣợc thể dẻo dai Lợi ích việc tăng trƣởng Internet vạn vật tăng hiệu suất, giảm chi phí Internet vạn vật hứa hẹn tăng cao hiệu suất cho hộ gia đình, cho thành phố, cho nơi làm việc cách mang lại khả kiểm soát, quản lý cho ngƣời dùng Internet of Things hứa hẹn nhân tốt định thúc đẩy phát triển khoa học công nghệ, tạo giới thông minh thân thiện với ngƣời Tiềm phát triển Internet of Things lớn, nhiên trình phát triển cịn gặp nhiều khó khăn nhƣ thiếu tiêu chuẩn công nghệ chung, thiếu chuẩn chung để kết nối thiết bị… Điều làm giảm độ tƣơng thích trải nghiệm ngƣời dùng Với mong muốn tìm hiểu rõ giới Internet of Things, tìm hiểu khái niệm, mơ hình tham chiếu, kiến trúc nhƣ giao thức sử Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thông dụng internet vạn vật, từ áp dụng kiến thức học nhà trƣờng vào thực tế, định lựa chọn luận văn với đề tài “Nghiên cứu thiết bị thông minh hệ thống Internet vạn vật.” Nội dung bao gồm chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan Internet of Things Chƣơng 2: Kiến trúc phần mềm phần cứng Internet of Things Chƣơng 3: Giao thức kết nối Internet of Things Chƣơng 4: Xây dựng thử nghiệm hệ thống IoT với ứng dụng điều khiển đèn thông minh cho hội trƣờng lớn Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thơng TĨM TẮT LUẬN VĂN Hiện nay, Internet of Things trở thành xu hƣớng giới kỹ thuật số xuất len lỏi vào nhiều lĩnh vực khác Tuy nhiên, xu hƣớng gặp khó khăn định nhƣ vấn đề xây dựng tiêu chuẩn chung cho Internet of Things Internet of Things có nhiều cách định nghĩa khác nhau, nhiều hiểu khác bao gồm nhiều khía cạnh sống từ việc kết nối thiết bị nhà ( smart home), đến kết nối ôtô, đƣờng phố đến việc kết nối thiết bị đeo ngƣời để phục vụ chăm sóc sức khỏe… Trong phạm vi luận văn này, tơi tập trung tìm hiểu định nghĩa, mơ hình, kiến trúc giao thức kết nối hệ thống Internet of Things Điều giúp có nhìn hiểu biết hệ thống Internet of Things nhƣ tham gia đề xuất xây dựng tiêu chuẩn chung cho Internet of Things Ngồi ra, luận văn tơi có xây dựng thử nghiệm mơ hình điều khiển thơng minh hệ thống đèn hội trƣờng lớn dựa mơ hình Internet of Things Điều cho thấy khả ứng dụng vào thực tế Internet of Things khả thi tiềm Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thông ABSTRACT Nowadays, Internet of Things has become a hot trend in the digital era and appeared in most of the fields However, IoT standardization is the root of problems; we need a standard architecture for the whole IoT ecosystem The Internet of Things (IoT) is defined in many different ways, and it encompasses many aspects of life from connected homes and cities to connected cars and roads, roads to devices that track an individual s behaviour and use the data collected for push services… This thesis go deep in understanding concepts, reference models, architectures and protocols used in the Internet of things It as a reference giving an overview of the Internet of things, as well as help the beginners can build Internet of things applications of their own Moreover, we use this architecture to create an application named “Smart controller light system for meeting-hall” The results demonstrate that IoT architecture has fulfilled our defined functions and is applicable in reality Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thông MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU DANH SÁCH HÌNH VẼ 10 DANH SÁCH BẢNG 12 CHƢƠNG : TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS 13 1.1 Định nghĩa Internet vạn vật 13 1.2 Các thành tố Internet of Things 15 1.3 Xu hƣớng Internet of Things 17 1.3.1 Xu hƣớng chung 17 1.3.2 Xu hƣớng tính chất Internet of Things 18 1.4 Kết luận chƣơng 22 CHƢƠNG : KIẾN TRÚC HỆ THỐNG IOT 23 2.1 Vì cần có kiến trúc tham chiếu cho IoT? 23 2.2 Phân loại thiết bị Internet of Things phƣơng thức kết nối 23 2.2.1 Mô hình tham chiếu Internet of Things 23 2.2.2 Phân loại thiết bị IoT phƣơng thức kết nối 25 2.2.3 Các yêu cầu kiến trúc tham chiếu cho Internet of Things 26 2.3 Kiến trúc tham chiếu Internet of Things 29 2.4 Các thành phần Internet of Things 34 2.4.1 Phần cứng 34 2.4.2 Các hệ điều hành cho IoT 38 2.5 Kết luận chƣơng 44 CHƢƠNG : GIAO THỨC KẾT NỐI TRONG IOT 45 Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thông 3.1 Giao thức vô tuyến 45 3.1.1 WIFI 45 3.1.2 Bluetooth 49 3.1.3 Zigbee 51 3.2 Giao thức mạng 53 3.2.1 CoAP 53 3.2.2 Restful HTTP 55 3.2.3 MQTT 56 3.2.4 So sánh hai giao thức MQTT CoAP 58 3.3 Kết luận chƣơng 59 CHƢƠNG : XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM MỘT HỆ THỐNG IOT VỚI ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN THÔNG MINH CHO HỘI TRƢỜNG 60 4.1 Kịch mơ hình 60 4.2 Yêu cầu 63 4.3 Xây dựng mơ hình kiểm thử 65 4.3.1 Smart device 65 4.3.2 Gateway 66 4.3.3 Cloud Server 67 4.3.4 Giao thức kết nối Smart Device với GateWay 68 4.3.5 Giao thức kết nối GateWay Server/Cloud 69 4.4 Triển khai mơ hình hệ thống 71 4.5 Kết luận chƣơng 75 KẾT LUẬN 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thông DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng anh Ý nghĩa 6LoWPAN IPv6 protocol over low-power wireless PANs AMQP The Advanced Message Queuing Giao thức lớp ứng dụng dùng Protocol cho gửi tin nhắn tin cậy ARM Advanced RISC Machine Cấu trúc vi xử lí loại RISC BLE Bluetooth Low Energy Bluetooth lƣợng thấp CoAP Constrained Application Protocol Giao thức ứng dụng giới hạn FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tập tin GSM The Global System for Mobile Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn IBSG Internet Business Solution Group Nhóm Giải pháp Kinh doanh Internet Cisco IoT Internet of things Internet vạn vật IPv4/IPv6 Internet Protocol version 4/6 Giao thức internet phiên 4/6 MQTT Message Queuing Telemetry Transport Giao thức gửi tin nhắn dạng publish/subcriber NFC Near Field Communication Kết nối tầm ngắn OEM Original Equipment Manufacturer Nhà sản xuất thiết bị gốc PLC Programmable Logic Controller REST Representation State Transfer Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Giao thức ipv6 mạng PAN không dây công suất thấp Thiết bị điều khiển lập trình đƣợc Dịch vụ web mà máy khách truyền trạng thái tất giao dịch Page Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thơng DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Ứng dụng Nest dành cho ngơi nhà thơng minh 13 Hình 1.2: Internet vạn vật đƣợc đời khoảng năm 2008 2009 15 Hình 1.3: Một mơ hình Internet of Things 15 Hình 1.4: Con ngƣời trở thành "things" giới IoT 17 Hình 2.1: Mơ hình tham chiếu Internet vạn vật 13 Hình 2.2: Kiến trúc Internet of Things ITU 15 Hình 2.3: Kiến trúc Internet of Things WSO2 15 Hình 2.4: Kit phát triển Arduino Uno R3 17 Hình 2.5: Một ví dụ sử dụng Pinoccio 13 Hình 2.6: Raspberry Pi Model B 15 Hình 2.7: Intel Galileo hệ thứ 15 Hình 2.8: Kit phát triển Arduino Yun 17 Hình 2.9: Hệ điều hành IoT 13 Hình 2.10: Riot OS 15 Hình 2.11: Window 10 for IoT 15 Hình 2.12: VxWorks OS 17 Hình 2.13: Google Brillo OS 15 Hình 2.14: ARM Mbed OS 15 Hình 2.15: Apple dành cho IoT 17 Hình 2.16: Nucleus RTOS 15 Hình 3.1: Mơ hình phƣơng thức kết nối hệ thống IoT 15 Hình 3.2: 802.11ad hứa hẹn thay hồn tồn cáp nối mà khơng phải hi sinh tốc độ 17 Hình 3.3: Internet of Things đòi hỏi gia t ăng phạm vi Wi-Fi 15 Hình 3.4: Tổng kêt tham số công nghệ không dây 15 Hình 3.5: Mơ hình client Broker trung tâm 17 Hình 3.6: Mơ hình gửi tin client 15 Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page 10 Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thông 4.2 Yêu cầu Với ý tƣởng nhƣ yêu cầu ngƣời dùng thực tiễn, hệ thống điều khiển đèn thông minh cần đáp ứng  Yêu cầu kĩ thuật  Các cảm biến phải thu đƣợc số liệu xác ổn định  Chuyển đƣợc liệu từ cảm biến GateWay, từ đƣa liệu lên Cloud/Server thông qua Internet  Dữ liệu đƣợc phân tích Server có thuật tốn xử lý đƣa lệnh thừa hành truyền xuống khối thừa hành  Khối thừa hành liên kết lệnh cho thiết bị đèn sáng tắt phù hợp với yêu cầu  Yêu cầu thực tiễn  Mơ hình chạy đảm bảo thời gian trễ khơng lớn, dễ sử dụng lắp đặt  Hoạt động ổn định Nhƣ tốn tơi đề cập mục 4.1, để xây dựng mơ hình thử nghiệm có cảm biến khí CO2 để thu thập liệu sau đƣợc gửi lên Cloud thơng qua gateway(PI) Từ việc tìm hiểu kiến trúc Internet of Things mục 2.3, mơ hình thử nghiệm sử dụng kiến trúc IoT WSO2 ƣu điểm kiến trúc WSO2 so với kiến trúc khác nhƣ: kiến trúc đơn giản dễ ứng dụng thực tiễn với quy mô nhỏ, đặc biệt bối cảnh toán thử nghiệm yếu tố thiết bị ngoại vi, dịch vụ ( smart devices, Cloud service, gateway…) mà nhóm có hiểu biết phù hợp với kiến trúc  Phần Cloud : Sau nghiên cứu dịch vụ Cloud hàng đầu giới đƣợc cung cấp bởi: Microsoft, Amazon, IBM Watson, HeroKu, Google Cloud… Mỗi dịch vụ có ƣu điểm nhƣợc điểm riêng Cuối em lựa chọn dịch vụ Amazon web service lý sau: Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page 63 Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thông - Độ tin cậy ổn định tốt - Cấu hình mạnh, đƣợc cài đặt sẵn nhiều cơng cụ - Đặc biệt, Amazon web service cung cấp miễn phí năm cho máy chủ ảo ( gói EC2), đảm bảo tiêu chí phục vụ cho mơ hình thử nghiệm  Phần giao thức: Từ trình tìm hiểu chuẩn giao thức nhƣ mức độ hợp lý hệ thống, em đề xuất sử dụng giao thức Bluetooth lý nhƣ: Trên thị trƣờng có nhiều sản phẩm phần cứng sử dụng giao thức Bluetooth, số dịng sản phẩm HC mà đặc biệt module HC-05 đáng ý Module có giá thành hợp lý, thƣ viện hỗ trợ tốt đồng thời sử dụng đƣợc hai chế độ master/slave đáp ứng yêu cầu hệ thống  Phần Gateway: Có nhiều thiết bị đáp ứng đƣợc yêu cầu Gateway: Raspberry Pi Model B, Raspberry Pi Model B, Raspberry Pi Zero, Intel Galileo Với tốc độ xử lý 1.2 GHz 64 bit kiến trúc ARM, dung lƣợng RAM 1GB, có sẵn kết nối Wi-Fi, Bluetooth 4.1, Bluetooth Low Energy,Raspberry Pi cung cấp đầy đủ kết nối khả tính tốn để triển khai ứng dụng hệ thống IoT Cuối cùng, sau cân nhắc giải pháp cho phần cụ thể từ mơ hình kiến trúc đến việc lựa chọn giải pháp cụ thể cho phần nhƣ : Cloud, Gateway, giao thức kết nối giữa… Dƣới mơ hình đƣợc xây dựng cho hệ thống điều khiển đèn thông minh tôi: Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page 64 Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thơng Hình 4.2: Cấu trúc hệ thống 4.3 Xây dựng mơ hình kiểm thử Từ yêu cầu phân tích nhƣ kiến thức em học đƣợc nhƣ nêu từ chƣơng đƣa hệ thống đáp ứng yêu cầu tốn 4.3.1 Smart device  Vai trị nhiệm vụ Vai trị Smart device kết nối với cảm biến, đọc thông tin từ cảm biến, cấu trúc lại tin chứa nội dung data để gửi len Gateway Các Smart device cần kết hợp với loại cảm biến khác để cảm nhận yếu tố tƣơng ứng mơi trƣờng nhƣ: nồng độ khí, nhiệt độ, độ ẩm, chuyển động, ánh sáng… Ở với toán đặt ta cần Smart device tƣơng tác đƣợc với Sensor cảm biến khí C02, nhận Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page 65 Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thông đọc đƣợc giá trị cảm biến đƣa gói tin giá trị lên Gateway Một nhiệm vụ khác Smart device toán phải tƣơng tác đƣợc với thiết bị đèn (trong hệ thống lựa chọn đèn led làm demo) gửi lệnh thừa hành đèn thiết bị đèn Ngoài cần có phƣơng thức vơ tuyến đồng Smartdevice Gateway để trao đổi đƣợc thơng tin quản lý hệ thống  Yêu cầu  Nhỏ gọn dễ dàng lắp đặt  Giá thành rẻ, kích thƣớc nhỏ gọn nhằm triển khai với số lƣợng lớn  Dễ dàng lập trình hệ thống thƣ viện hỗ trợ tốt để triển khai cách dễ dàng phù hợp vs ngƣời phát triển  Tƣơng tác với nhiều module phần cứng, dễ dàng triển khai ứng dụng cụ thể  Có thể nhúng tích phƣơng thức truyền thơng vơ tuyến dễ dàng  Lựa chọn Từ yêu cầu phổ biến thị trƣờng, chúng em định lựa chọn Kit Adruino Uno R3 Nó giải pháp hàng đầu thực ứng dụng “DoIt-Yourself” đƣợc nhiều hãng đầu Internet of Things gợi ý 4.3.2 Gateway  Vai trò nhiệm vụ Kết nối nhận liệu từ Smartdevice thông qua giao thức vơ tuyến Ngồi cịn kết nối Internet liên kết đƣợc đến Server/Cloud tuyền dẫn gói tin theo giao thức định tuyến phù hợp Gateway cần khả xử lý, tái cấu trúc, nhận định phân loại gói tin, thiết bị gửi liệu nằm vị trí vào hệ thống ,nhận biết đƣợc Smartdevice Nhận lệnh điều khiển từ Server/Cloud đƣa hành động điều khiển đèn tƣơng ứng xuống vị trí Smartdevice cần thừa hành  Yêu cầu Dựa vào vai trị dựa vào u cầu quy mơ toán đặt số yêu cầu cho Gateway: Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page 66 Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thơng  Có thể hỗ trợ hệ điều hành thân thiện dễ sử dụng  Có thể lập trình tiếp cận nhanh chóng, linh động, hỗ trợ tốt thƣ viện  Tƣơng thích với module phần cứng có module giao thức vơ tuyến truyền dẫn khơng dây để trao đổi với Smartdevice  Có khả tham gia vào mạng Internet  Kích thƣớc nhỏ gọn dễ lắp đặt vị trí thích hợp với tốn điều khiển đèn  Lựa chọn Từ yêu cầu trên, khuyên dùng từ hãng nghiên cứu phát triển IoT danh sách thiết bị có sẵn chúng em lựa chọn Raspberry Pi để làm Gateway Tốc độ xử lý cao lên đến 1,2 GHz, 64 bit, dung lƣơng RAM G, tích hợp kết nối Wifi, Bluetooth… Kích thƣớc nhỏ gọn đảm bảo linh động cung cấp đầy đủ kết nối có khả tính tốn tốc độ xử lý cao để triển khai ứng dụng cụ thể toăn đặt hệ thống IoT 4.3.3 Cloud Server  Vai trò, nhiệm vụ Trong hệ thống Loud Server cần triển khai liên kết đƣợc dịch vụ đám mây xử lý điều khiển nhƣ : máy chủ web, khả lập trình xử lý , có khả mở rộng thêm dịch vụ khác Có thể lập trình cài đặt sử dụng giao thức dạng Client Server để nhận liệu tổng hợp từ Gateway lên Kết nối vào Internet để truyền lƣu trữ truy xuất nơi  Yêu cầu  Khả xử lý dịch vụ mạnh mẽ nhanh chóng ứng dụng cần khả tính tốn nhanh thời gian thực Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page 67 Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thông  Cho phép sử dụng cách mềm dẻo, linh động dễ dàng mở rộng cho dịch vụ khác tƣơng tác với ngƣời dùng  Dễ dàng triển khai tinh tƣơng tác, hoạt động ổn định, việc sử dụng khơng q tốn chi phí  Lựa chọn Từ yêu cầu vai trò nằm hệ thống phân tích trên, cộng với việc tìm hiểu mức độ ƣa dùng nhà phát triển IoT em nhận thấy có triển khai hệ thống khác nhà phát triển cung cấp nhƣ: Heroku, Gooale Cloud, Landscape, Google Coud Tuy nhiên để đáp ứng nhu cầu hệ thống, phù hợp với mục đích nghiên cứu với tính nhƣ chi phí cho hệ thống em lựa chọn Amazon EC2 ( máy chủ hạ tầng đám mây Amazon cung cấp) Amazon cung cấp máy chủ đặt nhiều nơi khu vực khác giới, em lựa chọn máy chủ đặt Singapore Máy chủ có cấu hình vi xử lý đơn, nhớ 1GB, có khả xử lý mạnh mẽ tích hợp dịch vụ mây thích hợp với ứng dụng triển khai Internet of Things cụ thể cho mơ hình tốn em đặt 4.3.4 Giao thức kết nối Smart Device với GateWay  Vai trò, nhiệm vụ Đảm nhiệm vai trò kết nối trung gian giúp Smart Divce GateWay Truyền tin liệu cảm biến nồng độ CO2 cách liên tục lên GateWay đƣa đƣợc tín hiệu điều hiển theo hƣớng ngƣợc lại nhận đƣợc Khoảng cách sensor, đèn đến GateWay tốn đặt khơng gian phịng khoảng cách truyền tín hiệu cần đạt từ 1-15 mét  Yêu cầu  Truyền liệu cách trễ, tiết kiệm lƣợng  Độ tin cậy truyền tín hiệu thiết bị cao  Hoạt động ổn định, liên tục Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page 68 Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thơng  Chi phí triển khai thấp, sử dụng truyền phạm vi từ 1-15 mét theo nhiệm vụ kĩ thuật phân tích  Kết nối khơng dây để tránh liêt kết phức tạp đảm bảo tính mở rộng hệ thống mà tăng thêm nhiều thiết bị mà tránh đƣợc việc triển khai dây  Lựa chọn Từ vấn đề thực tể tốn, q trình tìm hiểu chuẩn giao thức nhƣ mức độ hợp lý, em cân nhắc Wifi Bluetooth Song việc đảm bảo vấn đề tiết kiệm lƣợng chi phí module không dây em xin đề xuất sử dụng Bluetooth cho nhiệm vụ Trên thị trƣờng có nhiều sản phẩm phần cứng sử dụng giao thức Bluetooth, số có sản phẩm module HC0X phổ biến thị trƣờng Cụ thể cho tốn em sử dụng module HC05 Module có giá thành hợp lý, thƣ viện hỗ trợ tốt, khả tích hợp cao, đồng thời có chế độ Master/Slave đáp ứng yêu cầu hệ thống 4.3.5 Giao thức kết nối GateWay Server/Cloud 4.3.5.1 Lựa chọn giao thức  Vai trò, nhiệm vụ Đảm nhiệm vai trò kết nối truyền liệu Server/Cloud với GateWay Đảm nhiệm kết nối chiều thông qua Internet dựa giao thức TCP/IP  Yêu cầu  Truyền liệu đảm bảo trễ, tiết kiệm lƣợng  Độ tin cậy truyền tin cao, hoạt động giao thức ổn định  Cung cấp chế bảo mật  Cung cấp nhiều chế độ phân cấp chất lƣợng dịch vụ (QoS) để mở rộng cho nhiều dịch vụ khác mở rộng rộng hệ thống  Giao thức TCP/IP chuẩn giao thức internet Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page 69 Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thông  Lựa chọn Dựa vấn đề phân tích nhƣ tìm hiểu chƣơng trƣớc, tài liệu, số liệu phân tích, việc xây dựng kiểm thử giao thức khác nhƣ : CoAP, UDP, MQTT, XMPP, HTTP… chune em định lựa chọn giao thức MQTT đảm nhiệm vai trò Giao thức đảm bảo hiệu tốt, có mơ hình gửi nhận hợp lý lƣu trữ liệu hình cây, có phân lớp chất lƣợng dịch vụ khác nhau, dễ dàng quản lý triển khai Có tính linh, hoạt khả mở rộng tốt, chế bảo mật 4.3.5.2 Lựa chọn MQTT broker cài đặt Cloud MQTT client cài đặt Gateway  Vai trò, nhiệm vụ Broker cần nơi mà MQTT Client gửi liệu tới chuyển liệu theo topic tới client khác MQTT Broker cài đặt triển khai Server/Cloud MQTT client cài đặt GateWay để publish liệu lên Broker theo topic, Subcrible liệu từ topic xuống  Yêu cầu  Hoạt động ổn định  Dễ dàng triển khai, khả linh động sử dụng điều chỉnh dễ dàng cho hệ thống, kèm với nhiều thƣ viện hỗ trợ  Khả mở rộng đáp ứng nhiêu thiết bị yêu cầu Publish/Subcrible lúc mở rộng mơ hình  Lựa chọn Có nhiều MQTT broker mã nguồn mở nhƣ : Er-lang MQTT, Hive MQTT, emq MQTT, Mosquito MQTT,… Trong trình thử nghiệm, nhƣ tìm hiểu tài liệu, em nhận broker hộ trợ phiên nhất, hoạt động ổn định, song sau việc cân nhắc yêu cầu việc dễ dàng nhƣ linh hoạt sử dụng, em sử dụng Mosquito Broker cho hệ thống Trang chủ MQTT.org cung cấp hỗ trợ gói cài đặt Paho MQTT client cài đặt tren GateWay Trong mơ hình hệ thống em sử dụng Paho MQTT client Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page 70 Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thông 4.4 Triển khai mơ hình hệ thống  Các linh kiện đƣợc sử dụng Bảng 4.2: Các linh kiện sử dụng mơ hình STT Tên linh kiện Số lượng Vai trò Raspberry Pi GateWay Adruino Uno R3 Smart Device MQ7 sensor Cảm biến Co2 Module Bluetooth HC-05 Kết nối Gateway Smart Device Led Giả lập đèn Điện trở 330 Hạn dòng cho Led  Triển khai mơ hình tốn Mơ hình sử dụng Sensor C02 thu thập thông tin nồng độ Co2 phòng đƣa vào thiết bị Adruino (Smart Device) Hình 4.3: Cảm biến khí CO2 Sau nhận đƣợc liệu từ Sensor thiết bị Adruino bắt đầu sử lý thơ liệu tái cấu trúc đóng gói Tại Adruino em dựa theo thuật tốn Protothread để điều khiển đa Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page 71 Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thông luồng thời gian thực Adruino cần xử lý luồng là: chuyển luồng giữ liệu nhận từ Sensor lên GateWay xử lý điều khiển đèn led nhận liệu điều khiển từ đƣa xuống Hình 4.4: Mơ hình kết nối Adruino với Bluetooth cảm biến Kết nối Sensor Adruino nhƣ hình Cùng với kết nối mạch module Bluetooth Adruino, đèn led, điện trở… Hình 4.5: Kết nối hai Adruino Trên GateWay( Raspberry Pi 3) em sử dụng ngơn ngữ lập trình Python để triển khai q trình quét thiết bị Bluetooth xung quanh so sánh với ID thiết bị khai báo Nếu trùng danh sách bắt đầu nhận liệu từ Adruino gồm có : giá Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page 72 Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thông trị nồng độ CO2, ID định danh module Bluetooth Import Paho MQTT client Python Trong code lập trình trình tái cấu trúc lại tin Sử dụng Multi Thread đa luồng để triển khai song song trình nhận liệu từ module, Publish liệu lên Server Cloud Hình 4.6: Kết nối cho Raspberry Pi GateWay nhận gói tin từ Sensor tái cấu trúc lại Publish lên MQTT BrokerMosquito Hình 4.7: Kết nối Bluetooth liệu hiển thị Gatewway MQTT broker nhận liệu Platform NodeRed có nhiệm vụ xử lý liệu, NodeRed điều khiển luồng lập trình JavaScript thuật toán xử lý liệu để đƣa điều khiển phù hợp với toán đặt Sau Node Red phân luồn đóng gói đƣa lệnh điều khiển “ON” “OFF” vào topic MQTT Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page 73 Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thơng Hình 4.8: Platform NodeRed GateWay đƣợc lập trình để Subcrible từ topic nhận gói tin điều khiển Sau đọc tin phát ID tin thuộc Module Bluetooth đóng gói lại tin control gửi xuống Module Các Module đƣợc nối với Adruino nhận tin điều khiển Adruino đọc xem xét lệnh “ON” hay “OFF” để tiến hành điều khiển đèn trạng thái tƣơng ứng Hình 4.9: Đèn sáng nhận lệnh “ON” Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page 74 Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thông Nhƣ vậy, thông qua hệ thống điều khiển đèn thơng minh dựa vào cảm biến khí CO2, biết đƣợc khu vực có đơng ngƣời ngồi, khu vực khơng có ngƣời ngồi để đảm bảo bật đèn cách thông minh, vừa đảm bảo đủ ánh sáng cho ngƣời tham gia hội trƣờng vừa đảm bảo tiêu chí tiết kiệm điện 4.5 Kết luận chƣơng Sau trình xây dựng hệ thống IoT điều khiển thơng minh hệ thống đèn cho hội trƣờng lớn, nhóm đáp ứng đƣợc yêu cầu đề cho ứng dụng :  Thiết lập cảm biến Arduino, thu thập liệu cảm biến khí CO2 chuyển tới xử lý Cloud  Thiết lập giao tiếp Bluetooth kết nối MQTT đảm bảo khả giao tiếp thiết bị hệ thống  Xây dựng ứng dụng Cloud: NodeJS để điều khiển hệ thống Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page 75 Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thơng KẾT LUẬN Sau suốt q trình thực luận văn từ việc tìm hiểu lý thuyết mơ hình, kiến trúc tham chiếu, thiết bị phần cứng, giao thức kết nối … hệ thống Internet of Things đến việc thực hành xây dựng thử nghiệm hệ thống điều khiển thông minh hệ thống đèn hội trƣờng lớn, thu đƣợc kết nhƣ sau:  Kết thu đƣợc  Có thêm hiểu biết Internet vạn vật – lĩnh vực nhiều tiềm xu hƣớng tƣơng lai  Có kiến thức phƣơng thức kết nối sử dụng IoT  Hiểu đƣợc mơ hình IoT  Nắm bắt đƣợc khó khăn cơng nghệ mà IoT gặp phải  Sử dụng mơ hình IoT để xây dựng đƣợc ứng dụng cụ thể điều khiển thông minh hệ thống đèn cho hội trƣờng lớn  Hƣớng phát triển Từ kết thu đƣợc tại, với hiểu biết sau thực luận văn, tơi có số đề xuất hƣớng phát triển tƣơng lai để tiếp tục hoàn thiện đề tài tƣơng lai:  Nghiên cứu sau thêm giao thức Bluetooth, giao thức tiềm cho IoT  Đánh giá số IoT platform nhƣ IBM Bluemix, ThingSpeak, Kaa  Tiếp tục tìm hiểu mơ hình tham chiếu, kiến trúc tham chiếu để hồn thiện cho mơ hình IoT tƣơng lai  Mở rộng ứng dụng điều khiển thông minh cho hệ thống đèn không cho hội trƣờng mà cho tịa nhà, khu phố… Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page 76 Luận văn cao học Viện Điện tử - Viễn thông TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kevin Ashton et al, "That ’Internet of Things’ Thing", 1999 [2] "ITU Workshop on the Internet of Things", https://www.itu.int/en/ITUT/Workshops-and-Seminars/iot/201402/Documents/S1P1_Marco_CARUGI.pdf Last accessed by 15th September 2016 [3] “Introduction to the Internet of Things: What, Why and How”, http://www.codeproject.com/Articles/832492/Stage-Introduction-to-theInternet-of-Things-Wha Last accessed by 12 December 2015 [4] https://www.arduino.cc/, truy nhập lần cuối ngày 28/05/2016 [5] Gil Reiter, “Wireless connectivity for the Internet of things”, Texas Instrument, pp11, June 2014 [6] OASIS, "MQTT Version 3.1.1 Committee Specification Draft 02 /Public Review Draft 02", 2014 [7] http://www.zigbee.org/ Last accessed by 15th May 2016 [8] Carsten Bormann et al, "CoAP: An Application Protocol for Billions of Tiny Internet Nodes", IEEE Computer Society, Vol 16, No 2, pp 62-67, Mar-Apr 2012 [9] WSO2, "White paper: A reference architecture for the Internet of Things",2015 [10] http://www.lynxspring.com/blog/smartbuildings/building-iot-biot Last accessed by 15th September 2016 Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn Page 77 ... Điện tử - Viễn thông dụng internet vạn vật, từ áp dụng kiến thức học nhà trƣờng vào thực tế, định lựa chọn luận văn với đề tài ? ?Nghiên cứu thiết bị thông minh hệ thống Internet vạn vật. ” Nội dung... lý Thiết bị (Device Management) Trong lớp Quản lý thiết bị, hệ thống phía máy chủ DM (Device Manager) giao tiếp với thiết bị thông qua giao thức khác điều khiển phần mềm thiết bị nhóm thiết bị. .. với liên kết với hệ thống máy tính Cơ sở hạ tầng mạng bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp nhiều thiết bị khác kiểm sốt lƣu lƣợng liệu lƣu thông đƣợc kết nối