Bài viết này thiết kế nền tảng mô hình thí nghiệm để giảng dạy học phần IoT (Internet of Things) ở trường đại học. Ý tưởng thiết kế bao gồm các khía cạnh quan trọng được xét đến đó là dễ dàng thực hiện, chi phí thấp, có khả năng mở rộng đa trạm kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển được các thiết bị công nghiệp. Mời các bạn cùng tham khảo!
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Số 45A, 2020 THIẾT KẾ “MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY BẬC ĐẠI HỌC PHẠM QUANG TRÍ, NGUYỄN NGỌC SƠN, CAO VĂN KIÊN, Faculty of Electronics Technology, Industrial University of Ho Chi Minh City, Viet Nam nguyenngocson@iuh.edu.vn Tóm tắt: Bài báo thiết kế tảng mơ hình thí nghiệm để giảng dạy học phần IoT (Internet of Things) trường đại học Ý tưởng thiết kế bao gồm khía cạnh quan trọng xét đến dễ dàng thực hiện, chi phí thấp, có khả mở rộng đa trạm kết nối, thu thập liệu điều khiển thiết bị công nghiệp Nền tảng mơ hình thí nghiệm bao gồm thành phần thiết bị “IoT Gateway” sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi B+; “IoT Node” sử dụng vi điều khiển TMS320; “IoT Networks” sử dụng mạng LoRaWAN, Modbus RTU Internet để trao đổi liệu “IoT Node” “IoT Node” ” “IoT Gateway”; Server lưu trữ liệu điện toán đám mây sử dụng “ThingSpeak IoT” Kết kiểm chứng cho thấy, mơ hình thí nghiệm đề xuất chạy ổn định, thu thập liệu điều khiển thiết bị công nghiệp xác, dễ dàng triển khai thí nghiệm theo tiếp cận học qua dự án PBL (Project Based Learning) từ đơn giản đến nâng cao cho người học Từ Khóa: IoT, LoRaWAN, Raspberry Pi 3, Project-Based Learning DESIGN “IoT LAB PLATFORM” APPLIED IN UNIVERSITY CURRICULA Abstract In this paper, the IoT platform is designed to teach the IoT course in our university The designed ideas have covered some important aspects of a building platform including easy to implement, low-cost, ability to data acquisition and control, easy to expand multi-node connection The IoT platform includes components such as “IoT gateway” based Raspberry Pi B+, “IoT Node” based TMS320 chip, “IoT networks” supported LoRaWAN, Modbus RTU, Internet, and “Server” based ThingSpeak platform The results show that the IoT platform runs stability and can meet the requirements of data acquisition, control, transmission in a wide area Moreover, it is easy to deploy experiments according to learning approach through Project-Based Learning (PBL) method from simple to advanced for students Keywords Internet of things, LoRaWAN, Raspberry Pi 3, Project-Based Learning GIỚI THIỆU Sau bốn thập kỷ kể từ Internet [1] đời, thuật ngữ "Internet" trực tiếp đề cập đến ứng dụng khổng lồ xây dựng mạng máy tính kết nối, phục vụ cho hàng tỷ người dùng toàn giới liên tục 24/7 Chúng ta giai đoạn khởi đầu kỷ nguyên mới, nơi truyền thơng kết nối khắp nơi, khơng cịn giấc mơ hay thách thức Giờ đây, trọng tâm cơng nghệ chuyển sang tích hợp người thiết bị thông qua môi trường ảo gọi Internet of Things (IoT) IoT dự báo xu hướng công nghệ giới vào năm 2020 Gartner [2] ước tính đến cuối năm 2020, có 25 tỷ vật dụng kết nối Internet Cisco [2] dự kiến tăng gấp đơi, có 50 tỷ mặt hàng kết nối Internet vào cuối năm 2020 Mọi vật dụng có khả trở nên "thơng minh" có kết nối Internet Cũng người, IoT ứng dụng lĩnh vực nhà thông minh [3], [4], giao thông thông minh [5], y tế thông minh [6], nông nghiệp thông minh [7], thành phố thông minh [8], [9] ngành công nghiệp khác IoT thay đổi cách người tương tác với thiết bị, thiết bị với thiết bị từ tạo nhiều hội kinh doanh, hình thức kinh doanh khác cho doanh nghiệp cộng đồng khởi nghiệp Hiện nay, Trường Đại học tập đoàn lớn giới phát triển phòng LAB chuyên nghiên cứu giảng dạy lĩnh vực IoT Chẳng hạn như, báo [10] giới thiệu tảng mơ hình thí nghiệm mở FIT IoT-LAB FIT IoT-LAB cung cấp tảng thí nghiệm quy mơ lớn cho phép nhà nghiên cứu, nhà thiết kế IoT, nhà phát triển kỹ sư IoT thiết kế, đánh giá tối ưu hóa giao thức, ứng dụng dịch vụ họ Trung tâm C-DAC (Centre For Development of Advanced Computing) [11] phát triển IoT-Lab bao gồm Wi-Fi Mote, Ubimote, BLE Mote, UbiSense and WINGZ Bài báo mô tả thông số kỹ thuật, ứng dụng thời gian thực hội nghiên cứu thiết bị © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ “MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY BẬC ĐẠI HỌC 61 phần công cụ IoT Lab Bài báo [12] giới thiệu tảng IoT Lab dùng Arduino/Genuino UNO, ngơn ngữ lập trình Python ThingSpeak IoT Tại Việt Nam, ứng dụng IoT quan tâm kêu gọi đầu tư lớn từ quyền, quỹ đầu tư mạo hiểm từ tập đồn lớn giới: Khu Cơng nghệ cao Tp.HCM: ưu tiên ươm tạo công ty khởi nghiệp mảng IoT thường xuyên tổ chức hội thảo IoT Hiện này, khu công nghệ cao phát động thi với chủ đề “Phát triển đô thị thông minh nâng cao chất lượng sống dựa tảng IoT” vào tháng 09/2019 Đề xuất xây dựng quyền điện tử Bí thư Thành ủy Tp.HCM với đối tác Microsoft vào ngày 31/03/2016 Tỉnh Bình Dương tích cực tìm hiểu để triển khai xây dựng “Thành phố thông minh ứng dụng công nghệ thơng tin” Hội thảo UBND tỉnh Bình Dương Tổng Lãnh quán Hà Lan Tp.HCM phối hợp tổ chức vào ngày 28/03/2016, Trung tâm Hội nghị Triển lãm tỉnh Các công ty hàng đầu giới Intel, Cisco, IBM, Google,… lập quỹ đầu tư IoT toàn giới quỹ dành nhiều ưu tiên Việt Nam Hiện nay, IoT trường đại học nước đưa vào chương trình giảng dạy khóa dành cho sinh viên bậc học, LAB nghiên cứu giảng viên Chẳng hạn như: Ngày 7/7/2016 Khu Cơng nghệ cao Hịa Lạc, Bộ Khoa học Cơng nghệ tổ chức khai trương Phịng thí nghiệm Hịa Lạc IoT Lab (HIL) IoT Lab trưng bày công nghệ IoT Smart Home, Smart City, IoT công nghiệp, giao thơng, y tế, giáo dục thơng minh Nhóm nghiên cứu UiTiO Bộ mơn Mạng máy tính, Trường ĐH CNTT – ĐHQG HCM, tập trung nghiên cứu, phát triển xây dựng giải pháp, ứng dụng lĩnh vực: Internet of Things (IoTs) Tháng 03/2019, Vintech khánh thành phòng LAB IoT Hàn Quốc Các tập đồn cơng nghệ lớn Việt Nam có phịng LAB IoT VNPT, FPT, VNG, VIETTEL, VINTECH, INTEL, National Instruments, SIEMENs and so on Đại học Công nghiệp Tp.HCM định hướng xây dựng chương trình đào tạo đáp ứng yêu cầu công nghiệp 4.0 Trong đó, IoT lĩnh vực then chốt, hạt nhân cách mạng công nghiệp Hiện nay, IoT xây dựng thành môn học giảng dạy cho sinh viên hệ Đại học cho ngành đào tạo Khoa Công nghệ Điện tử, Khoa Công nghệ Điện Khoa Công nghệ Thông tin Trong báo này, chúng tơi thiết kế tảng mơ hình thí nghiệm để giảng dạy học phần IoT trường đại học Ý tưởng thiết kế bao gồm khía cạnh quan trọng xét đến dễ dàng thực hiện, chi phí thấp, có khả mở rộng đa trạm kết nối, thu thập liệu điều khiển thiết bị cơng nghiệp Mơ hình thí nghiệm đề xuất hệ thống IoT hoàn chỉnh gồm thành phần phần cứng, phần mềm truyền thơng, với tính mở Sau đó, chúng tơi thực biên soạn giảng dựa vào mơ hình thí nghiệm đề xuất cách tiếp cận học tập dựa dự án PBL [13], [14] (Project Based Learning) Các dự án từ đơn giản đến phức tạp giúp sinh viên có khả năng: hiểu kiến trúc IoTs, xu hướng công nghệ thách thức IoTs, xu hướng thiết kế IoTs cho ứng dụng công nghiệp; nắm bắt tảng phần cứng sử dụng để thiết kế ứng dụng IoTs cơng nghiệp; hiểu tảng mạng truyền thơng có dây không dây thường sử dụng cho ứng dụng IoTs; tư phân tích lựa chọn thiết bị phần cứng, truyền thông phần mềm cho ứng dụng IoTs công nghiệp; thiết kế, lập trình chạy thử nghiệm ứng dụng IoTs công nghiệp Cấu trúc báo bao gồm phần sau: Phần giới thiệu mơ hình kiến trúc IoT, phần trình bày thiết kế mơ hình thí nghiệm IOT bao gồm “IoT Node”, “IoT Gateway” IoT Server Trong phần 4, thí nghiệm để kiểm chứng tính xác hiệu mơ hình thí nghiệm thực Phần giới thiệu việc áp dụng mơ hình thí nghiệm đề xuất cách tiếp cận học tập dựa dự án PBL (Project Based Learning) vào giảng dạy sinh viên đại học Cuối cùng, số kết luận trình bày phần KIẾN TRÚC IoT Mơ hình kiến trúc IoT đóng vai trị quan trọng để có tư thiết kế ứng dụng IoT thực tiễn Các báo [15]–[17] thực khảo sát kết luận mơ hình kiến trúc IoT chia thành nhiều lớp Chẳng hạn như, nghiên cứu [18] đề xuất mơ hình kiến trúc lớp gồm lớp ứng dụng, lớp mạng lớp vật lý Nghiên cứu [19] đề xuất mơ hình kiến trúc lớp gồm lớp cảm biến, lớp truy nhập liệu, lớp mạng, lớp middleware lớp ứng dụng Một số ứng dụng tiếp cận kiến trúc IoT lớp bao gồm lớp cảm biến thiết bị chấp hành, lớp thu thập liệu Internet Gateway, lớp thực điện toán biên, lớp trung tâm liệu điện toán Tùy vào quy mơ hệ thống mà mơ hình kiến trúc từ lớp đến nhiều lớp Trong báo này, mơ hình kiến trúc IoT chúng tơi đề xuất bao gồm lớp lớp thiết bị, lớp mạng lớp ứng dụng Mơ hình kiến trúc mơ tả hình © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 62 THIẾT KẾ “MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY BẬC ĐẠI HỌC Lớp thiết bị - Lớp bao gồm cảm biến, thiết bị chấp hành điều khiển vi xử lý/vi điều khiển, PLC, FPGA đến máy tính nhúng - Lớp thiết bị thực đo lường thu thập liệu đại lượng vật lý thông qua cảm biến, điều khiển thiết bị chấp hành truyền nhận liệu từ thiết bị khác qua mạng Lớp mạng - Chức lớp mạng xác định giao thức truyền thông khác sử dụng cho việc kết nối mạng thực điện toán biên - Lớp mạng bao gồm thiết bị liên kết mạng Hub, Switch, Router; thiết bị chuyển đổi giao thức mạng Gateways; đến thiết bị có khả lưu trữ, xử lý cục trước gửi liệu lên Server trung tâm - Các “Things” lớp thiết bị kết nối với thiết bị Gateway lớp mạng thông qua mạng cục Wifi, Zigbee, Bluetooth, LoRaWAN … đến mạng có dây CAN, Modbus, Profibus, RS485, Ethernet,… Sau đó, thiết bị lớp mạng thực xử lý gửi lên trung tâm liệu qua mạng toàn cầu Internet, 3G/4G/LTE, GSM Lớp ứng dụng - Đây trung tâm lưu trữ liệu hay đám mây điện tử - Lớp thực thu nhận liệu từ lớp mạng, lưu trữ, xử lý liệu định dựa thuật tốn AI/ML cơng cụ phân tích liệu đại Hình Kiến trúc IoT THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG Hình Sơ đồ khối thành phần mơ hình thí nghiệm IoT Ý tưởng thiết kế mơ hình thí nghiệm bao gồm khía cạnh quan trọng xét đến dễ dàng thực hiện, chi phí thấp, có khả mở rộng đa trạm kết nối, thu thập liệu điều khiển thiết bị © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ “MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY BẬC ĐẠI HỌC 63 cơng nghiệp, đặc biệt có khả kết nối không dây khoảng cách xa Dựa vào mơ hình kiến trúc IoT đề xuất gồm lớp mô tả mục 2, tảng mơ hình thí nghiệm bao gồm thành phần sau: “IoT networks”, “IoT Node”, “IoT Gateway” máy chủ (Server) 3.1 “IoT networks” Việc lựa chọn mạng không dây để kết nối “IoT node” với để kết nối “IoT node” “IoT Gateway” đóng vai trị quan trọng thiết kế Dựa vào đặc tính kỹ thuật mơ tả bảng 1, mạng LoraWan với ưu điểm bật khoảng cách truyền, lượng tiêu thụ chúng tơi sử dụng thiết kế mơ hình thí nghiệm Bảng Đặc tính kỹ thuật số kỹ thuật mạng không dây Thông số IEE 802.15.4 Bluetooth WiFi Zigbee Z-wave LoraWan Băng tần 868/915 MHZ, 2.4 GHZ 2.4 GHz 2.4, 5.8 Ghz 2.4GHz, 868MHz, 915MHz 868.42 MHz EU, 908.42 MHz USA Lên đến 100kbit/s 867 to 869 MHz EU 902.3 to 914.9 MHz USA Tốc độ truyền 250 Kpbs 723 Kpbs 11 - 105 Mpbs 20–250Kbps Khoảng cách Năng lượng tiêu thụ 10 - 300 m 10 m 10 - 100 m 1–75 m 30 m 15 - 20 km Rất thấp Thấp Cao Rất thấp Thấp Thấp 21.9 kbps 3.2 “IoT Node” Chức “IoT Node” thu thập thông tin cảm biến thông qua mô-đun A/D thông qua truyền thông nối tiếp (RS232, RS485), song song (SPI, I2C) xuất tín hiệu điều khiển thiết bị chấp hành thông qua mô-đun A/D, PWM truyền thông nối tiếp (RS232, RS485), song song (SPI, I2C) “IoT Node” thực việc truyền thông với “IoT Gateway” thông qua mạng không dây LoRa Sơ đồ khối “IoT Gateway” trình bày hình Hình Sơ đồ khối mơ-đun “IoT Node” Phần cứng “IoT Node” trình bày hình Các thành phần mơ-đun bao gồm: Bộ xử lý trung tâm, phần truyền thông, phần thu thập liệu điều khiển, phần nguồn Bộ xử lý trung tâm xây dựng dựa tảng vi điều khiển STM32F411 (ARM Cortex M4) chạy tốc độ 100 MHz Họ vi điều khiển STM32F411 tích hợp 256 – 512KB Flash 128 KB SRAM, cổng USART chạy với tốc độ lên tới 12,5Mbit/s, cổng SPI (đa hợp với I2S) chạy với tốc độ lên tới 50 Mbit/s, cổng I²C , cổng SDIO chạy tốc độ 48 MHz, ADC 12 bit đạt 2,4 MSPS, 11 định thời 16 32 bit Phần truyền thông bao gồm truyền thông mạng khơng dây LoRa mạng có dây RS485 Phần cứng LoRa thiết kế dựa mô-đun LoRa Ra-02 SX1278 kết nối với chân SPI vi điều khiển phần cứng RS485 thiết kế dựa vi mạch MAX485 kết nối với chân TXD RXD vi điều khiển © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ “MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY BẬC ĐẠI HỌC 64 Phần thu thập liệu điều khiển thực việc thu thập thông tin cảm biến thông qua mô-đun ADC giao tiếp nối tiếp RS485 tạo tín hiệu điều khiển truyền tới cấu chấp hành thông qua ngõ số, PWM giao tiếp nối tiếp RS485 Phần nguồn thiết kế để hỗ trợ mức điện áp nguồn theo chuẩn công nghiệp 24VDC, 5VDC 3.3VDC cung cấp điện áp làm việc cho tất phần “IoT Node” Hình Cấu trúc phần cứng mô-đun “IoT Node” Bảng Thông số kỹ thuật chân chức mô-đun “IoT Node” STT Tên chân 24V GND 485-A 485-B DI1 – DI4 Công dụng Ngõ vào cung cấp điện áp nguồn cho hệ thống hoạt động Thông số VIN = 24V DC IIN(MIN) = 2000mA Cổng giao tiếp nối giao thức RS485 Logic 1: 17V – 24V Logic 0: 0V – 7V Ngõ vào tín hiệu tương tự (ADC có độ phân IIN = – 20mA AI1 – AI4 giải 12bit) VIN = 0V – 3,3VDC OC1 – OC4 Ngõ cực thu hở ISINK(MAX) = 100mA NO1 – NO4 Chân thường hở Relay Tiếp điểm: COM1 – COM4 Chân chung Relay 10A/250VAC 10A/30VDC 10 NC1 – NC4 Chân thường đóng Relay Đặc tính kỹ thuật thơng số làm việc chân chức tích hợp sẵn “IoT Node” mô tả Bảng Việc điều khiển chân chức thực thông qua việc điều khiển ghi chức đặc biệt vi điều khiển STM32F411 Quan hệ điều khiển ghi chức đặc biệt vi điều khiển STM32F411 thiết bị tích hợp “IoT Node” mô tả chi tiết Bảng Ngõ vào tín hiệu số Bảng Quan hệ điều khiển vi điều khiển STM32F411 mô-đun “IoT Node” STT “IoT Node” 485 – A 485 – B 485 Bus Enable Digital Input DI1 DI2 STM32F411 PB6/TX PB7/RX PB7 NODE_REG[4] NODE_REG[5] Điều khiển … … [1] – Transmit [0] – Receive [1] – 17V…24V [0] – 0V…7V © 2020 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh Cơng dụng Truyền thơng RS485 Truyền thơng RS485 Cho phép gửi liệu Cho phép nhận liệu Đọc vào liệu số THIẾT KẾ “MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY BẬC ĐẠI HỌC Analog Input OC Output Relay Output DI3 DI4 AI1 AI2 AI3 AI4 OC1 OC2 OC3 OC4 Relay Relay Relay Relay NODE_REG[6] NODE_REG[7] NODE_REG[0] NODE_REG[1] NODE_REG[2] NODE_REG[3] NODE_REG[12] NODE_REG[13] NODE_REG[14] NODE_REG[15] NODE_REG[8] NODE_REG[9] NODE_REG[10] NODE_REG[11] 65 Dãy giá trị ADC (ADC có độ phân giải 12bit) [0]…[4096] Đọc vào liệu tương tự IIN = – 20mA VIN = 0V – 3,3VDC [1] – BJT dẫn [0] – BJT ngắt Điều khiển BJT (cực thu để hở) dẫn ngắt [1] – Relay đóng [0] – Relay ngắt Điều khiển relay đóng ngắt 3.3 “IoT Gateway” Chức mô-đun “IoT Gateway” nhận thông tin gửi từ “IoT Node” thông qua mạng không dây LoRa, xử lý thơng tin nhận sau gửi thông tin đến Server ThingSpeak Hơn nữa, “IoT Gateway” có khả thu thập thông tin cảm biến điều khiển thiết bị chấp hành công nghiệp Sơ đồ khối “IoT Gateway” trình bày Hình Hình Sơ đồ khối “IoT Gateway” Phần cứng mô-đun “IoT Gateway” trình bày Hình Vị trí chân chức tích hợp sẵn mơ-đun “IoT Gateway” mơ tả hình Các thành phần mơ-đun bao gồm: Bộ xử lý trung tâm, phần truyền thông, phần thu thập liệu điều khiển Bộ xử lý trung tâm xây dựng dựa tảng mô-đun Raspberry Pi B+ Phần truyền thông bao gồm truyền thông cục (được xây dựng dựa tảng mạng khơng dây LoRa mạng có dây RS485) mạng Internet Phần thu thập liệu điều khiển thiết kế để thu thập thông tin từ cảm biến cơng nghiệp tích hợp thêm mơ-đun Relay để điều khiển thiết bị chấp hành công nghiệp Đây điểm bật tảng phần cứng báo Hình Hình ảnh thực nghiệm “IoT Gateway” © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 66 THIẾT KẾ “MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY BẬC ĐẠI HỌC Công dụng thông số làm việc chân chức tích hợp sẵn mô-đun “IoT Gateway” mô tả Bảng Bảng Công dụng thông số chân chức mô-đun “IoT Gateway” STT Tên chân Công dụng Thông số 24V Ngõ vào cung cấp điện áp nguồn cho hệ VIN = 24V DC thống hoạt động IIN(MIN) = 2000mA GND 485-A Cổng giao tiếp nối giao thức RS485 485-B Logic 1: 17V – 24V DI1 – DI2 Ngõ vào tín hiệu số Logic 0: 0V – 7V NO1 – NO2 Chân thường hở Relay Tiếp điểm: COM1 – COM2 Chân chung Relay 10A/250VAC 10A/30VDC NC1 – NC2 Chân thường đóng Relay Việc điều khiển chân chức LED tích hợp mơ-đun “IoT Gateway” thực thông qua việc điều khiển chân GPIO mô-đun Raspberry Pi Quan hệ điều khiển mô-đun Raspberry Pi thiết bị tích hợp “IoT Gateway” mô tả chi tiết bảng Bảng Quan hệ điều khiển mô-đun Raspberry Pi mô-đun “IoT Gateway” “IoT Gateway” Raspberry Điều khiển Công dụng 485 – A GPIO14/TX … Truyền thông RS485 485 – B GPIO15/RX … Truyền thông RS485 485 Bus Enable GPIO18 [1] – Transmit Cho phép gửi liệu [0] – Receive Cho phép nhận liệu DI1 GPIO23 [1] – 17V…24V Digital Đọc vào liệu số DI2 GPIO22 [0] – 0V…7V Input Relay GPIO17 [1] – Relay đóng Điều khiển relay đóng Relay Relay GPIO27 [0] – Relay ngắt ngắt Output LED GPIO5 LED GPIO6 [1] – LED bật Điều khiển LED đơn bật LED [0] – LED tắt tắt LED GPIO13 LED GPIO19 3.4 IoT ThingSpeak Trong phần này, đám mây điện tử lưu trữ liệu sử dụng mơ hình thí nghiệm đề xuất sử dụng tảng ThingSpeak ThingSpeak ứng dụng cung cấp mã nguồn mở cho ứng dụng “Internet of Things” Mã nguồn hỗ trợ API lưu trữ truy xuất liệu từ thiết bị qua giao thức HTTP MQTT qua Internet mạng cục ThinkSpeak phát triển ioBridge OpenSource GITHUB https://github.com/iobridge/thingspeak THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG Trong phần này, bo mạch thiết kế kiểm chứng thực nghiệm tính thu thập liệu, điều khiển thiết bị chấp hành truyền nhận liệu qua mạng LoRa để đánh giá độ xác thiết bị phần cứng vừa thiết kế 4.1 Kiểm tra truyền – nhận liệu qua mạng LoRa Trường hợp Kiểm tra truyền – nhận liệu tòa nhà X-V trường Đại học Cơng nghiệp TP.HCM © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ “MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY BẬC ĐẠI HỌC 67 Hình Cấu hình mơ-đun “IoT Gateway” tầng tòa nhà X (a) Tầng tòa nhà X (b) Tầng tòa nhà V (c) Tầng tịa nhà V Hình Hoạt động mơ-đun “IoT Node” (LED xanh dương) Hình Khoảng cách mô-đun “IoT Gateway” mô-đun “IoT Node” © 2020 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 68 THIẾT KẾ “MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY BẬC ĐẠI HỌC Thực việc xác minh hiệu suất truyền thông LoRa cách cấu hình trao đổi liệu “IoT Node” “IoT Gateway” Sau tiến hành thực việc di chuyển mô-đun “IoT Gateway” để xác định khoảng cách truyền liệu qua mạng khơng dây LoRa Hình cho thấy tín hiệu mà mơ-đun “IoT Gateway” truyền đến mơ-đun “IoT Node” Hình mơ tả kết việc nhận liệu mơ-đun “IoT Node” vị trí khác Nếu mơ-đun “IoT Node” nhận tín hiệu gửi đến từ mơ-đun “IoT Gateway”, LED màu xanh bật sáng lên Trường hợp 2: Kiểm tra Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Thực việc xác minh kết truyền nhận qua mạng LoRa cách việc kiểm tra trời Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Hình mơ tả khoảng cách mà mô-đun “IoT Gateway” truyền liệu tới mô-đun “IoT Node”, khoảng 203,38 mét Tóm lại, khoảng cách truyền liệu mô-đun “IoT Gateway” mô-đun “IoT Node” khoảng 200 mét có chướng ngại vật Đây khoảng cách lớn áp dụng cho nhiều ứng dụng nông nghiệp thông minh, nhà thông minh nhà máy thông minh 4.2 Kiểm tra chức thu thập liệu điều khiển Trường hợp 3: Dữ liệu nhiệt độ độ ẩm thu thập phút mô-đun “IoT Node” cảm biến DHT22 “IoT Node” tích hợp ngõ Relay để điều khiển trực tiếp thiết bị chấp hành dùng điện áp xoay chiều Sơ đồ khối thực thí nghiệm mơ tả hình 10 Hình 10 Thu thập liệu điều khiển Hình 11 Thu thập liệu từ “IoT Node” gửi lên đám mây để lưu trữ thông qua “IoT Gateway” © 2020 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ “MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY BẬC ĐẠI HỌC 69 Thiết bị đặt phòng trống để thu thập liệu vòng ngày, từ ngày 06/07/2019 đến ngày 13/07/2019 (xem minh họa Hình 11) Dữ liệu truyền từ mô-đun “IoT Node” đến mô-đun “IoT Gateway” thông qua truyền thơng LoRa từ sau liệu gửi từ mô-đun cổng IoT lên đám mây để lưu trữ ÁP DỤNG GIẢNG DẠY Việc thiết kế LAB để giảng dạy thí nghiệm IoT cho sinh viên Đại học tiếp cận theo mức độ phức tạp từ dễ đến khó tiếp cận học tập dựa dự án PBL (Project based learning) Các dự án hiệu vấn đề thu hút quan tâm sinh viên thúc đẩy họ khám phá để hiểu sâu yêu cầu cho Các dự án tốt yêu cầu học sinh hình thành ý tưởng phán đốn dựa kiện kiến thức trước, thơng tin đưa kịch logic Học tập dựa dự án thường bao gồm số bước hình 12 Hình 12 Lưu đồ thực học qua dự án PBL Hình 13 Các khối kiến thức đề xuất giảng © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 70 THIẾT KẾ “MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY BẬC ĐẠI HỌC Môn học chương trình đào tạo mơn học TC thực hành (60 tiết), sau học môn học này, người học có khả năng: tư phân tích lựa chọn thiết bị phần cứng, truyền thông phần mềm cho ứng dụng IoTs công nghiệp; Thiết kế, lập trình chạy thử nghiệm ứng dụng IoTs Do đó, nội dung thiết kế cho người học hình 13 5.1 Lập trình - 30 tiết Dự án Lập trình – 10 tiết (500 phút) Mục tiêu: Đo nhiệt độ độ ẩm môi trường gửi liệu lên Server; Dữ liệu giám sát từ xa qua mạng Internet Website Sơ đồ khối mô tả hình 14 Thiết bị: - Máy tính nhúng Raspberry Pi 3+ - Cảm biến DHT22 - Điện trở 10K - Dây cáp loại Yêu cầu dự án: Lập trình cho máy tính nhúng Raspberry Pi 3+ liên tục thu thập liệu nhiệt độ độ ẩm mơi trường Sau cập nhật liệu nhiệt độ độ ẩm lên Server theo thời gian thực Thơng qua mạng Internet, máy tính thiết bị di động khác sử dụng để giám sát biến động nhiệt độ độ ẩm môi trường từ giao diện Web Hình 14 Sơ đồ khối dự án Dự án Lập trình ứng dụng “IoT Gateway” – tiết (250 phút) Mục tiêu: Điều khiển bật/tắt bóng đèn AC từ xa qua mạng Internet, sơ đồ khối hình 15 Thiết bị: - Mơ-đun “IoT Gateway” - Bóng đèn AC 220V - Cơng tắc cảm ứng - Dây cáp loại Yêu cầu dự án: Lập trình cho “IoT Gateway” điều khiển bật/tắt bóng đèn AC công tắc cảm ứng chỗ Hoặc thông qua mạng Internet, máy tính thiết bị di động khác sử dụng để điều khiển bật/tắt bóng đèn AC từ giao diện Web Hình 15 Sơ đồ khối dự án Dự án Lập trình ứng dụng “IoT Node” tích hợp – 15 tiết (750 phút) Mục tiêu: Điều khiển bật/tắt bóng đèn AC từ xa qua mạng Internet, bóng đèn lắp trạm khác hình 16 Thiết bị: - Mô-đun “IoT Gateway” - Mô-đun “IoT Node” - Bóng đèn AC 220V - Cơng tắc cảm ứng - Dây cáp loại Yêu cầu dự án: Lập trình cho “IoT Gateway” thơng qua mạng LoRa thu thập liệu từ mô-đun “IoT Node” điều khiển hoạt động mô-đun Các “IoT Node” truyền thơng với “IoT Gateway” để điều khiển bật/tắt bóng đèn AC cơng tắc cảm ứng chỗ Hoặc thơng qua © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ “MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY BẬC ĐẠI HỌC 71 mạng Internet, máy tính thiết bị di động khác sử dụng để điều khiển bật/tắt bóng đèn AC từ giao diện Web Hình 16 Sơ đồ khối dự án 5.2 Ứng dụng Smart Home - 30 tiết Dự án Thiết kế nhà thông minh – 30 tiết (1.500 phút) Mục tiêu: Thiết kế thi công ứng dụng nhà thông minh (Smart Home) thực tế Smart Home kết nối tất thiết bị điện – điện tử ngơi nhà lại với thành hệ thống Từ chủ nhân ngơi nhà điều khiển chúng cách trực tiếp thông qua thiết bị gắn cố định nhà điều khiển từ xa thông qua máy tính Smart Phone Smart Home hoạt động cách tự động dựa chế độ làm việc thông minh Thiết bị: - Mô-đun “IoT Gateway”; Mơ-đun “IoT Node” - Bóng đèn AC 220V; Cơng tắc cảm ứng; Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm; Cảm biến ánh sáng; Cảm biến kính vỡ; Cảm biến chuyển động; Cảm biến cháy; Cảm biến khí gas; Cảm biến khói; Cảm biến đóng/mở cửa; Hệ thống bơm tưới xanh, tiểu cảnh, hồ cá,…; Hệ thống che nắng; Hệ thống động điều khiển đóng mở cửa; Hệ thống chuông báo động Yêu cầu dự án: Dựa vào ý tưởng mà bạn muốn thiết kế mà nhà bạn có tính khác Tuy nhiên, thông thường Smart Home bao gồm thành phần mơ tả hình 17 Trong đó: - “IoT Node” - Room: Thu thập liệu từ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng để gửi “IoT Gateway” Nhận liệu từ “IoT Gateway” để điều khiển thiết bị điện tử thiết bị chiếu sáng phịng điều khiển trực tiếp thơng qua cơng tắc cảm ứng phịng - “IoT Node” – Garden: Thu thập liệu từ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm để gửi “IoT Gateway” Nhận liệu từ “IoT Gateway” để điều khiển hệ thống bơm nước tưới cây, tiểu cảnh, bể cá cảnh hệ thống che nắng mưa sân vườn điều khiển trực tiếp thơng qua cơng tắc cảm ứng sân vườn - “IoT Node” – Security: Thu thập liệu từ cảm biến để gửi “IoT Gateway” nhằm đảm bảo an ninh cho nhà, chống xâm nhập trái phép (cảm biến phát mở cổng, phát chuyển động, phát kính vỡ), kiểm soát nguy cháy nổ Nhận liệu từ “IoT Gateway” để điều khiển hệ thống đóng mở cổng hệ thống chng báo động © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ “MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY BẬC ĐẠI HỌC 72 - “IoT Gateway”: Thu thập toàn liệu từ “IoT Node” hệ thống Smart Home, cập nhật liệu lên Cloud Server theo thời gian thực Nhận liệu điều khiển thiết bị nhà từ máy tính smartphone người dùng thông qua Cloud Server Cloud Server: Lưu trữ liệu toàn hệ thống Smart Home theo thời gian thực, cung cấp liệu cho người dùng qua Web App Hình 17 Sơ đồ khối thành phần Smart Home 5.3 Kế hoạch giảng dạy đánh giá Dựa vào nội dụng giảng dạy trình bày mục 5.1 5.2, phần chúng tơi trình bày kế hoạch triển khai giảng dạy phương pháp đánh giá áp dụng Chuẩn đầu (course learning outcomes): Khi hoàn thành học phần, người học có khả năng: CLOs Chuẩn đầu học phần Có khả phân tích, thiết kế giải thuật lập trình ứng dụng IoT Thiết kế ứng dụng IoT công nghiệp với ràng buộc kỹ thuật, an tồn mơi trường Kế hoạch phương pháp giảng dạy STT Nội dung giảng dạy 5.1 Lập trình - 30 tiết Số CLOs tiết 30 Phương pháp giảng dạy Dự án (Mục tiêu, yêu cầu xem trình bày trên) 10 L, Q Dự án (Mục tiêu, yêu cầu xem trình bày trên) O, D, P Dự án (Mục tiêu, yêu cầu xem trình bày trên) 15 O, D, P 5.2 Ứng dụng Smart Home - 30 tiết Dự án (Mục tiêu, yêu cầu xem trình bày trên) 30 30 PBL Cộng 60 Trong đó: L: Lecture, O: Observe, D: Discussion, PBL: Project Based Learning, P: Practices Phương pháp đánh giá chuẩn đầu học phần Đến tại, triễn khai giảng dạy thử nghiệm thành công 02 lớp Đại học năm ngành Điện tử - máy tính Trong học kỳ tiếp theo, tiếp tục triễn khai sinh viên Đại học ngành Điện tử - viễn thông thực khảo sát từ sinh viên, phân tích kết học tập chi tiết để thấy rõ tác động mơ hình thí nghiệm IoT giảng dạy sinh viên © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ “MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY BẬC ĐẠI HỌC CLOs Phương pháp đánh giá Kỹ thực hành (Lab skills) Báo cáo thực hành (Lab report) Kỹ thực hành (Lab skills) Báo cáo thực hành (Lab report) Trình bày dự án (Presentation skill) 73 Tỷ trọng % 70 30 20 30 50 CONCLUSION Trong báo này, thiết kế tảng mơ hình thí nghiệm IoT sử dụng việc giảng dạy Khoa Công nghệ Điện tử, trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh Nền tảng đề xuất bao gồm thành phần mô-đun “IoT Gateway” sử dụng Raspberry Pi B+, mô-đun “IoT Node” sử dụng chip TMS320, “IoT Network” sử dụng mạng LoRaWAN Internet, tảng đám mây điện tử ThingSpeak Kết kiểm chứng thực tế chứng tỏ mơ hình thí nghiệm đề xuất chạy ổn định liệu thu thập xác, đáp ứng yêu cầu thu thập, truyền tải tính tốn liệu khu vực rộng Hơn nữa, xây dựng LAB dựa vào mơ hình thí nghiệm vừa thiết kế học theo dự án PBL triển khai giảng dạy thành công lớp thực tiễn Các kết áp dụng cho thấy tính hiệu mơ hình đề xuất Trong tương lai, chúng tơi biên soạn tài liệu hướng dẫn chi tiết, video hướng dẫn trực quan cho người học ACKNOWLEDGMENT Nghiên cứu tài trợ trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh theo hợp đồng số 16/HĐ-ĐHCN, tháng 01 năm 2019 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] J Postel, “Internet protocol,” 1981 I Lee and K Lee, “The Internet of Things (IoT): Applications, investments, and challenges for enterprises,” Bus Horiz., vol 58, no 4, pp 431–440, 2015 D N Le, L Le Tuan, and M N D Tuan, “Smart-building management system: An Internet-of-Things (IoT) application business model in Vietnam,” Technol Forecast Soc Change, vol 141, pp 22–35, 2019 Z A Almusaylim and N Zaman, “A review on smart home present state and challenges: linked to contextawareness internet of things (IoT),” Wirel Networks, vol 25, no 6, pp 3193–3204, 2019 F Cicirelli, A Guerrieri, C Mastroianni, G Spezzano, and A Vinci, The Internet of Things for Smart Urban Ecosystems Springer, 2019 S T U Shah, H Yar, I Khan, M Ikram, and H Khan, “Internet of Things-Based Healthcare: Recent Advances and Challenges,” in Applications of Intelligent Technologies in Healthcare, Springer, 2019, pp 153–162 A Khanna and S Kaur, “Evolution of Internet of Things (IoT) and its significant impact in the field of Precision Agriculture,” Comput Electron Agric., vol 157, pp 218–231, 2019 W Ejaz and A Anpalagan, “Internet of Things for Smart Cities: Overview and Key Challenges,” in Internet of Things for Smart Cities, Springer, 2019, pp 1–15 Y Liu, C Yang, L Jiang, S Xie, and Y Zhang, “Intelligent edge computing for IoT-based energy management in smart cities,” IEEE Netw., vol 33, no 2, pp 111–117, 2019 E Fleury, N Mitton, T Noel, and C Adjih, “FIT IoT-LAB: The largest iot open experimental testbed,” 2015 N M Shweta et al., “Applications of IoT Lab Kit in Educational Sector,” IETE J Educ., pp 1–9, 2019 D Dobrilovic and S Zeljko, “Design of open-source platform for introducing Internet of Things in university curricula,” in 2016 IEEE 11th International Symposium on Applied Computational Intelligence and Informatics (SACI), 2016, pp 273–276 J Macías-Guarasa, J M Montero, R San-Segundo, Á Araujo, and O Nieto-Taladriz, “A project-based learning approach to design electronic systems curricula,” IEEE Trans Educ., vol 49, no 3, pp 389–397, 2006 J E Mitchell and J Smith, “Case study of the introduction of problem-based learning in electronic engineering,” Int J Electr Eng Educ., vol 45, no 2, pp 131–143, 2008 P P Ray, “A survey on Internet of Things architectures,” J King Saud Univ Inf Sci., vol 30, no 3, pp 291–319, 2018 A Al-Fuqaha, M Guizani, M Mohammadi, M Aledhari, and M Ayyash, “Internet of things: A survey on © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 74 [17] [18] [19] THIẾT KẾ “MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY BẬC ĐẠI HỌC enabling technologies, protocols, and applications,” IEEE Commun Surv tutorials, vol 17, no 4, pp 2347– 2376, 2015 J Lin, W Yu, N Zhang, X Yang, H Zhang, and W Zhao, “A survey on internet of things: Architecture, enabling technologies, security and privacy, and applications,” IEEE Internet Things J., vol 4, no 5, pp 1125–1142, 2017 R Mahmoud, T Yousuf, F Aloul, and I Zualkernan, “Internet of things (IoT) security: Current status, challenges and prospective measures,” in 2015 10th International Conference for Internet Technology and Secured Transactions (ICITST), 2015, pp 336–341 M Wu, T.-J Lu, F.-Y Ling, J Sun, and H.-Y Du, “Research on the architecture of Internet of Things,” in 2010 3rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering (ICACTE), 2010, vol 5, pp V5-484 Ngày nhận bài: 16/10/2019 Ngày chấp nhận đăng: 31/12/2019 © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ... nhà X-V trường Đại học Cơng nghiệp TP.HCM © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ “MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY BẬC ĐẠI HỌC 67 Hình Cấu hình mơ-đun “IoT... thức đề xuất giảng © 2020 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 70 THIẾT KẾ “MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY BẬC ĐẠI HỌC Môn học chương trình đào tạo mơn học TC thực... tích kết học tập chi tiết để thấy rõ tác động mô hình thí nghiệm IoT giảng dạy sinh viên © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ “MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG