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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HẢI LÂM XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT PHỊNG MÁY DỰA TRÊN CƠNG NGHỆ IoT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Đà Nẵng, năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HẢI LÂM XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT PHỊNG MÁY DỰA TRÊN CƠNG NGHỆ IoT Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60.48.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN TẤN KHÔI Đà Nẵng, năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Những nội dung trình bày luận văn kiến thức riêng cá nhân tơi tích lũy q trình học tập, nghiên cứu, khơng chép lại cơng trình nghiên cứu hay luận văn tác giả khác Trong nội dung nội dung luận văn, phần tơi nghiên cứu, trích dẫn nêu phần tài liệu tham khảo, có nguồn gốc, xuất xứ, tên tuổi tác giả, nhà xuất rõ ràng Những điều tơi cam kết hồn tồn thật, sai, tơi xin chịu hình thức xử lý kỷ luật theo quy định Tác giả luận văn Nguyễn Hải Lâm ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC HÌNH vi LỜI CẢM ƠN .ix ĐẶT VẤN ĐỀ .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IOT 1.1 Giới thiệu .3 1.2 Mơ hình hệ thống IoT 1.2.1 Tầng ứng dụng 1.2.2 Hỗ trợ dịch vụ tầng hỗ trợ ứng dụng 1.2.3 Tầng mạng .7 1.2.4 Tầng thiết bị 1.3 Các thành phần hệ thống IoT 1.3.1 Đặc tính 1.3.2 Yêu cầu mức cao hệ thống IoT 1.3.3 Thành phần hệ thống IoT 10 1.4 Các công nghệ ứng dụng IoT 12 1.4.1 Công nghệ 12 1.4.2 Giao thức truyền thông 14 1.5 Các ứng dụng IoT 16 1.6 Tổng quan vấn đề cần nghiên cứu 20 1.6.1 Tính cấp thiết ứng dụng IoT để giám sát mơi trường phịng máy chủ MobiFone 20 iii 1.6.2 Tổng quan nghiên cứu có 22 1.7 Kết chương 24 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG IoT GIÁM SÁT MƠI TRƯỜNG 25 2.1 Phát biểu toán 25 2.2 Thiết kế xây dựng mô hình hệ thống IoT giám sát 26 2.2.1 Kiến trúc hệ thống IoT giám sát 26 2.2.2 Mô hình giao tiếp hệ thống 27 2.2.3 Đặc tả khối chức hệ thống 28 2.3 Thiết kế chi tiết chức hệ thống IoT giám sát 29 2.4 Phân tích lựa chọn cơng nghệ triển khai hệ thống 29 2.4.1 Công nghệ thiết bị 29 2.4.2 Công nghệ truyền thông 39 2.4.3 Cơng nghệ lập trình 40 2.6 Kết chương 43 CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 44 3.1 Môi trường triển khai 44 3.2 Kịch 44 3.3 Chương trình hệ thống IoT giám sát mơi trường phịng máy chủ 48 3.3.1 Xây dựng chương trình 48 3.3.2 Một số kết chạy thử nghiệm 59 3.3.3 Đánh giá kết 62 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 iv XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT PHỊNG MÁY DỰA TRÊN CƠNG NGHỆ IoT Học viên: Nguyễn Hải Lâm Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: ………………………… Khóa: 34, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Ngày nay, phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, sống người có thay đổi ngày tốt hơn, với trang thiết bị đại phục vụ cơng cơng nghiệp hố, đại hố đất nước Và khái niệm “Internet of Things” khơng cịn xa lạ mẻ với Một giới mà thứ sống kết nối với Internet để truyền tải, trao đổi liệu, từ người dùng tương tác, điều khiển kiểm sốt hoạt động sống thơng qua thiết bị thông minh điện thoại máy tính bảng Những dự án phát triển Internet of Things lên nhiều công ty công nghệ tồn giới Hiện có khoảng 300 nghìn lập trình viên tham gia IoT đến 2020, giới cần tới 4.5 triệu lập trình viên Một sản phẩm Internet of Things phổ biến l Raspberry Pi Một thiết bị phần cứng có chức tương tự máy tính thu nhỏ, phục vụ cho nhiều nhu cầu khác như: học tập, giải trí, điều khiển thiết bị phần cứng khác… Luận văn tập trung nghiên cứu Xây dựng hệ thống giám sát phòng máy dựa công nghệ IoT nhằm mục tiêu xây dựng thiết bị IoT để giám sát thông số độ ẩm nhiệt độ cho phòng máy chủ MobiFone với 40 tủ Rack 150 thiết bị Từ khóa - Internet vạn vật, giám sát phịng máy, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến hình ảnh BUILDING SYSTEM OF MACHINE ROOM SURVEILLANCE BASED ON IoT TECHNOLOGY Abstract – Today, the strong development of science and technology, human life has changed better and better, with modern equipment to serve the industrialization and modernization of the country And the concept of "Internet of Things" is no longer strange and new to us A world in which everything in life is connected to the Internet to transmit and exchange data, from which users can interact, control and control all activities in life through smart devices like phone or tablet Internet of Things development projects are emerging in many technology companies around the world Currently there are only about 300,000 programmers participating in IoT but by 2020, the world will need 4.5 million programmers A product of today's popular Internet of Things is the Raspberry Pi A hardware device has the same function as a miniature computer, serving many different needs such as learning, entertainment, controlling other hardware devices Thesis focuses on researching and building monitoring system based on IoT technology to build an IoT device to monitor humidity and temperature parameters for MobiFone server room with 40 Rack cabinets and more than 150 devices Key words – Internet of things, monitoring machine room, temperature sensor, humidity, image sensor v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ Nội dung Diễn giải IoT Internet of Things Mạng lưới vạn vật kết nối Internet RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng sóng vơ tuyến NFC Near-Field Communications Cơng nghệ giao tiếp tầm ngắn WiFi Wireless Fidelity Hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vơ tuyến ABR Activity Based Recording Camera hoạt động dựa thuật toán nhúng FullHD Full High Definition Độ phân giải 1920 × 1080 điểm ảnh với tỷ lệ khung khung hình 16:9 SoC System-On-Chip Hệ thống vi mạch GPU Graphics Processing Unit Bộ xử lý chuyên dụng nhận nhiệm vụ tăng tốc, xử lý đồ họa cho xử lý trung tâm GPIO General Purpose Input Output Cổng vạn chân tín hiệu nhập lẫn xuất vi DANH MỤC CÁC HÌNH STT Mã số Tên hình vẽ Trang Hình 1.1 Kết nối vật Hình 1.2 Hệ thống IoT từ góc nhìn kỹ thuật Hình 1.3 Các loại thiết bị khác mối quan hệ Hình 1.4 Mơ hình hệ thống IoT Hình 1.5 Các thành phần tảng IoT 10 Hình 1.6 Cơng nghệ RFID 13 Hình 1.7 Cơng nghệ NFC 14 Hình 1.8 Giao thức Bluetooth 14 Hình 1.9 Giao thức Z- Wave 15 10 Hình 1.10 Giao thức WiFi 16 11 Hình 1.11 Nhà thơng minh 17 12 Hình 1.12 Mơ hình thành phố thơng minh 18 13 Hình 1.13 Thiết bị chăm sóc sức khỏe thơng minh 19 14 Hình 1.14 Mơ hình nơng nghiệp thơng minh 19 15 Hình 1.15 16 Hình 1.16 17 Hình 1.17 18 Hình 1.18 19 Hình 1.19 Hệ thống camera giám sát 24 20 Hình 2.1 Hình ảnh phịng máy chủ MobiFone 25 21 Hình 2.2 Kiến trúc hệ thống IoT giám sát 26 22 Hình 2.3 Mơ hình giao tiếp hệ thống 27 23 Hình 2.4 Mơ hình hoạt động biểu diễn use-case 28 Mơ hình kết nối hệ thống mạng Cơng ty Dịch vụ MobiFone KV3 Hình ảnh phịng máy chủ MobiFone Hình ảnh thiết bị SAN V700 bị hỏng hệ thống làm mát Hệ thống giám sát nhiệt độ độ ẩm kho đông lạnh 20 21 22 23 vii Mơ hình hoạt động chương trình biểu diễn 24 Hình 2.5 25 Hình 2.6 Mơ hình thiết kế chức 29 26 Hình 2.7 Bảng mạch máy tính Raspberry Pi 30 27 Hình 2.8 Cấu tạo Raspberry Pi 31 28 Hình 2.9 Sơ đồ chân cắm Raspberry Pi 33 29 Hình 2.10 Thiết bị cảm biến DHT22 34 30 Hình 2.11 Cách kết nối thiết bị cảm biến Raspberry Pi3 36 31 Hình 2.12 Thiết bị Camera Module NoIR V2 37 32 Hình 2.13 Hình ảnh kết nối thiết bị Camera với Raspberry Pi 38 33 Hình 2.14 Cơng nghệ kết nối WiFi 39 34 Hình 2.15 Cơng nghệ lập trình Python 40 35 Hình 2.16 Hệ quản trị sở liệu SQLite 41 36 Hình 2.17 Web frameworks Flask 42 37 Hình 2.18 Mơ hình cơng nghệ lập trình hệ thống IoT giám sát 42 38 Hình 3.1 Môi trường triển khai hệ thống IoT giám sát 44 39 Hình 3.2 40 Hình 3.3 41 Hình 3.4 42 Hình 3.5 43 Hình 3.6 Cài đặt đệ điều hành Raspbian vào thẻ nhớ 44 Hình 3.7 Màn hình Terminal Pi để gõ lệnh config 50 45 Hình 3.8 Chọn cấu hình để đặt tên máy 51 46 Hình 3.9 Cấu hình thay đổi mật 51 dạng sơ đồ Mơ hình kịch đo thơng số môi trường cảnh báo Sơ đồ hệ thống đo thơng số mơi trường phịng máy chủ cảnh báo Mơ hình kịch camera nhận diện hình ảnh cảnh báo Sơ đồ hệ thống camera nhận diện hình ảnh cảnh báo 28 45 46 47 48 viii 47 Hình 3.10 Cấu hình chọn chế độ khởi động 52 48 Hình 3.11 Cấu hình chọn chế độ khởi động 52 49 Hình 3.12 Cấu hình chọn ngơn ngữ 53 50 Hình 3.13 Cấu hình chọn múi 54 51 Hình 3.14 Cấu hình chọn múi HCM 54 52 Hình 3.15 Cấu hình thay đổi password root 54 53 Hình 3.16 Cấu hình cho phép chọn SSH 55 54 Hình 3.17 Cấu hình phần mềm Putty 56 55 Hình 3.18 Màn hình hiển thị phần mềm Putty 56 56 Hình 3.19 Mơ hình cài đặt phần mềm hệ thống giám sát IoT 57 57 Hình 3.20 Màn hình cài đặt phần mền 58 58 Hình 3.21 Kiểm tra thơng số hoạt động cảm biến 59 59 Hình 3.22 Cài đặt sở liệu SQLite 59 60 Hình 3.23 Mơ hình sử dụng chương trình 60 61 Hình 3.24 62 Hình 3.25 Hình ảnh chương trình quản lý hệ thống IoT giám sát phịng máy chủ Hình ảnh cảnh báo qua tin nhắn điện thoại 60 61 60 Hình 3.24: Hình ảnh chương trình quản lý hệ thống IoT giám sát phịng máy chủ 61 Bảng cảnh báo hình hiển thị quản lý phòng máy chủ: Khi nhiệt độ 25 độ C độ ẩm 80% Khi nhiệt độ từ 25 độ đến 30 độ C độ ẩm 80% Khi nhiệt độ từ 25 độ C đến 30 độ C độ ẩm 80% Khi nhiệt độ 30 độ C độ ẩm 80% Cảnh báo qua tin nhắn sms điện thoại quản lý phịng máy chủ: Hình 3.25: Hình ảnh cảnh báo qua tin nhắn điện thoại 62 3.3.3 Đánh giá kết Tìm hiểu chi tiết tính kỹ thuật thiết bị Raspberry Pi sensor cảm biến nhiệt độ, độ ẩm camera hình ảnh gắn vào thiết bị Sử dụng ngơn ngữ lập trình Python để đọc liệu sensor cảm biến nhiệt độ độ ẩm thu nhận Sau thị giao diện web cách trực quan dễ hiểu Đặc biệt cảnh báo màu sắc hình quản lý hệ thống gởi tin nhắn cho người quản lý hệ thống phòng máy Qua nhiều lần thử nghiệm, chương trình chạy ổn định, thiết kế hệ thống Ngồi chương trình hệ thống cịn 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 Khả ứng dụng phát triển chương trình thực nghiệm: Với chi phí hợp lý (Bộ Raspberry Pi sensor cảm biến thông dụng dễ dàng mua sắm với giá hợp lý), công nghệ hỗ trợ sẵn có mạnh (ngơn ngữ lập trình Python thư viện hỗ trợ), việc triển khai lắp đặt thiết bị cài đặt chương trình demo phịng máy chủ khả thi Hơn nữa, ta điều chỉnh ngưỡng giám sát sensor 63 KẾT LUẬN Qua việc nghiên cứu đề tài, thấy việc áp dụng công nghệ thông tin giám sát mơi trường phịng máy chủ cần thiết, mang lại hiệu cao công việc Hệ thống giúp đỡ người quản lý phòng máy chủ nhiều nhằm có cơng cụ để theo dõi giám sát Hệ thống hoạt động trơn tru thời gian dài chi phí hoạt động tương đối thấp Từ mơ hình tương lai ta nâng cấp lên để hệ thống quản lý nhiều loại lựa chọn khác Luận văn “Xây dựng hệ thống giám sát phịng máy dựa cơng nghệ IoT” đạt số kết sau: - Đạt yêu cầu hệ thống giám sát môi trường phòng máy chủ - Đã xây dựng ứng dụng hiển thị nhiệt độ độ ẩm thời gian tương ứng với mức để đưa cảnh báo màu sắc - Dựa vào hình ảnh camera thu thập phòng để giám sát chuyển động - Giám sát nhiệt độ, độ ẩm phòng máy chủ để đưa định xử lý kịp thời - Kiến thức mơ hình điều khiển thiết bị thông minh phát triển ứng dụng 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, vấn đề xung đột liệu… Đây hướng nghiên cứu, phát triển luận văn 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Phạm Duy Hưng, “Điều khiển thiết bị điện từ xa qua mạng Internet”, 2012 [2] Bùi Tiến Quân, Tổng quan ứng dụng mạng không dây, 2012 Tiếng Anh: [3] Luigi Atzori, Antonio Iera, Giacomo Morabito, Internet of Things: A survey, Computer Networks 54 (2010) 2787–2805 [4] 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) [5] Everton Cavalcante, Marcelo Pitanga Alves, An Analysis of Reference Architectures for the Internet of Things, Corba 2015 [6] Everton Cavalcante, Marcelo Pitanga Alves, An Analysis of Reference Architectures for the Internet of Things, Corba 2015 Internet: [7] http://en.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi [8] http://raspberrypi.vn [9] http://www.pcworld.com.vn [10] http://raspberrypi.org [11] http://elinux.org/RPi_Hub [12] http://raspberrypi.stackexchange.com [13] http://www.hanselman.com/blog/Top10R AndTruths.aspx [14] http://alexistanhiep.blogspot.com/2014/08/raspberry-pi-toan-tap-tu-z.html [15] http://webiopi.trouch.com/ [16] http://5starsmedia.vn/cai-dat-raspberry-pi-can-ban/a870680.html [17] http://toriaz.blogspot.com/2014/08/huong-dan-cai-at-raspberry-pi.html ... THIẾT KẾ HỆ THỐNG IoT GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG 25 2.1 Phát biểu toán 25 2.2 Thiết kế xây dựng mơ hình hệ thống IoT giám sát 26 2.2.1 Kiến trúc hệ thống IoT giám sát ... yêu cầu xây dựng hệ thống IoT để giám sát mơi trường phịng máy chủ nhiệt độ độ ẩm 26 nguyên nhân dẫn đến hư hỏng thiết bị Công ty yêu cầu xây dựng hệ thống IoT giám sát mơi trường phịng máy chủ... tiếp hệ thống 27 2.2.3 Đặc tả khối chức hệ thống 28 2.3 Thiết kế chi tiết chức hệ thống IoT giám sát 29 2.4 Phân tích lựa chọn cơng nghệ triển khai hệ thống 29 2.4.1 Công nghệ