Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Nghiên cứu anten mảng và ứng dụng trong hệ thống internet vạn vật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------

PHẠM VĂN HIẾU

NGHIÊN CỨU ANTEN MẢNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ
THỐNG INTERNET VẠN VẬT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------

PHẠM VĂN HIẾU

NGHIÊN CỨU ANTEN MẢNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ
THỐNG INTERNET VẠN VẬT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS.NGUYỄN THÀNH CHUYÊN

Hà Nội - 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Phạm Văn Hiếu, mã số học viên CA170269. Người hướng dẫn là TS.
Nguyễn Thành Chuyên. Tôi xin cam đoan tồn bộ nội dung được trình bày trong
luận văn Nghiên cứu anten mảng và ứng dụng trong hệ thống Internet vạn vật là kết
quả quá trình tìm hiểu và nghiên cứu của tôi. Các dữ liệu được nêu trong luận văn là
hoàn toàn trung thực, phản ánh đúng kết quả đo đạc thực tế. Mọi thông tin trích dẫn
đều tuân thủ các quy định về sở hữu trí tuệ; các tài liệu tham khảo được liệt kê rõ
ràng. Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm với những nội dung được viết trong luận
văn này.
Hà nội, ngày tháng năm 2019
Người cam đoan
Phạm Văn Hiếu

i


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... I
MỤC LỤC .................................................................................................................. II
DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU ..................................................................... V
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................VI
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT....................................................... VII
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ IOT ......................................................................... 2
1.1 Khái niệm..........................................................................................................2
1.2 Thuật ngữ ..........................................................................................................6
1.3 Lịch sử ..............................................................................................................7

1.4 Khả năng định danh độc nhất ...........................................................................9
1.5 Xu hướng và tính chất ....................................................................................10
1.6 Kiến trúc dựa trên sự kiện............................................................................... 11
1.7 Là một hệ thống phức tạp ...............................................................................12
1.8 Kích thước ......................................................................................................12
1.9 Vấn đề khơng gian, thời gian ..........................................................................13
1.10 Luồng năng lượng mới .................................................................................14
1.11 Các hệ thống phụ ..........................................................................................16
1.12 Ứng dụng ......................................................................................................17
1.13 Quản lý hạ tầng .............................................................................................17
1.14 Y tế. ...............................................................................................................18
1.15 Tự động hố các tồ nhà. ..............................................................................18
1.16 Kết luận .........................................................................................................18

ii


CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÁC DẠNG ANTEN MẢNG VÀ ỨNG DỤNG ..... 20
2.1 Kiến thức cơ bản về anten mảng ....................................................................20
2.2 Anten mảng tuyến tính ....................................................................................21
2.2.1 Anten mảng hai phần tử................................................................................. 22
2.2.2 Anten mảng tuyến tính N phần tử đồng dạng ............................................. 24
2.2.3 Anten mảng có trọng số và anten mảng lái búp ......................................... 27
2.2.4 Anten mảng vòng ........................................................................................... 28
2.2.5 Anten mảng vòng lái búp .............................................................................. 29
2.2.6 Anten mảng phẳng hình chữ nhật. ............................................................... 31
2.2.7 Anten mảng búp cố định ............................................................................... 31
2.2.8 Anten mảng hướng Retro .............................................................................. 32
2.3 Ứng dụng của anten mảng ..............................................................................35
2.3.1 Hệ thống Radar ............................................................................................... 35

2.3.2 Máy đo phóng xạ............................................................................................ 36
2.3.3 Làm nóng bằng điện từ trường. .................................................................... 37
2.4 Kết luận ...........................................................................................................38
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA ANTEN ..................................... 39
MẢNG HÌNH NHẪN TRONG IOT......................................................................... 39
3.1 Nhẫn theo dõi sức khoẻ ..................................................................................39
3.1.1 Giới thiệu ......................................................................................................... 39
3.1.2 Thiết kế của anten mảng. .............................................................................. 41
3.1.3 Khả năng hoạt động ở trong không gian mở .............................................. 42
3.1.4 Ảnh hưởng của người dùng. ......................................................................... 46
3.1.5 Hệ số phản xạ ................................................................................................. 47

iii


3.1.6 Các mẫu quét và hiệu quả bao phủ. ............................................................. 49
3.1.7 Mật độ tổn hao năng lượng. .......................................................................... 52
3.1.8 Kết luận ........................................................................................................... 53
3.1.9 Ứng dụng của nhẫn trong IoT. ...................................................................... 54
3.2 Nhẫn cảm biến ................................................................................................56
3.2.1 Giới thiệu ......................................................................................................... 56
3.2.2 Thiết kế và cấu trúc của anten. ..................................................................... 57
3.2.3 Khả năng hoạt động. ...................................................................................... 61
3.3 Kết luận ...........................................................................................................63
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 66

iv

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Hai anten dipole cực nhỏ ....................................................................................22
Hình 2.2 (a) Đồ thị bức xạ Dipole (b) Đồ thị bức xạ anten mảng (c) Đồ thị bức xạ tổng
.............................................................................................................................................23
Hình 2.3 Anten mảng truyến tính N phần tử.....................................................................24
Hình 2.4 Anten mảng broadside 4 phần tử với và
Hình 2.5 Anten mảng end-fire 4 phần tử với và

và d = 0.25 , 0.5 và 0.75 .26
và d = 0.25 , 0.5 và 0.75 .

.............................................................................................................................................27
Hình 2.6 Mảng trọng số Kaiser-Bessel đã lái búp. ...........................................................28
Hình 2.7 Anten mảng vịng N phần tử ..............................................................................29
Hình 2.8 Đồ thị mặt trước AF của anten mảng vịng lái búp (
Hình 2.9 Đồ thị AF 3-D của anten mảng vịng lái búp (

...29
..............30

Hình 2.10 Anten mảng phẳng vng NxM.......................................................................31
Hình 2.11 Tia 3 búp tạo bởi một anten mảng phẳng 16x16.............................................32
Hình 2.12 Anten mảng có hướng Retro và hiệu ứng đa đường .......................................33
Hình 2.13 Anten mảng có hướng Retro ............................................................................34
Hình 2.14 Liên hợp pha trong quá trình trộn Heterodin. .................................................35
Hình 3.1 Thiết kế của anten mảng từng giai đoạn ở trong (a) 3D, (b) mặt phẳng xy và
(c) mặt phẳng xz. ................................................................................................................42
Hình 3.2 Hệ số phản xạ của các phần tử anten mảng trong nhẫn. ..................................43

v


Hình 3.3 ϕ/độ với dB tại =900. ........................................................................................44
Hình 3.4 Tổng các mẫu quét của mảng anten được đề xuất ............................................45
Hình 3.5 Các mẫu chuyển tia của mảng anten được đề xuất. ..........................................45
Hình 3.6 Hệ số bao phủ của mảng anten trong khơng gian mở. .....................................46
Hình 3.7 (a) ngón trỏ. (b) ngón giữa. (c) ngón áp út ........................................................47
Hình 3.8 Các hệ số phản xạ của tất cả các phần tử anten ................................................48
ở trong setup (a), (b) và (c). ...............................................................................................48
Hình 3.9 Tổng các mẫu quét của mảng anten được đề xuất cho (a) setup 1, (b) setup 2,
(c) setup 3. ...........................................................................................................................50
Hình 3.10 Đồ thị của (a) hệ số bao phủ của anten, (b) kết quảmật độ tổn hao năng
lượng được mô phỏng, được thể hiện ở trên mơ hình bàn tay 3D, và (c) mật độ tổn hao
năng lượng tối đa của mảng anten ở trong 3 setup với tay người dùng. .........................52
Hình 3.11 Cơ chế đo nhịp tim ............................................................................................55
Hình 3.12 Mặt trên của chiếc anten nhẫn..........................................................................58
Hình 3.13 Mặt cắt của chiếc nhẫn .....................................................................................59
Hình 3.14 Phía bên cạnh và các kích thước của chiếc nhẫn vàng ...................................60
Hình 3.15 Hình ảnh 3D của chiếc nhẫn. ...........................................................................60
Hình 3.16 Hệ số tổn hao ngược của anten. .......................................................................61
Hình 3.17 Đồ thị bức xạ của anten tại mặt phẳng ϕ = 00 và ϕ = 900 ...............................62

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Khả năng hoạt động của anten ở tần số 5GHz...........................................63

vi

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Thuật ngữ viết tắt
IoT

Thuật ngữ tiếng Anh

Thuật ngữ tiếng Việt

Internet of Things

Internet vạn vật

RFID

Radio-Frequency Identification

Định danh tần số vô tuyến

DBF

Digital Beamforming

Định dạng búp sóng số

EMF

Electromotive Force

Lực điện động

vii


LỜI NĨI ĐẦU

Ngày nay, khi cơng nghệ càng phát triển, thì nhu cầu trao đổi thơng tin giữa
con người với máy móc, cũng như là giữa các máy móc với nhau ngày càng tăng
cao. Do đó, việc hình thành một mạng thơng tin liên kết giữa các máy móc với máy
móc và với con người là điều tất yếu của sự phát triển. Một mạng kết nối như thế
được gọi là một mạng IoT, Internet of Things, mạng vạn vật kết nối Internet.
Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng IoT sẽ có mn vàn những ứng dụng thiết
thực vào trong cuộc sống của chúng ta, và việc nghiên cứu những cơng nghệ để có
thể biến mạng IoT trở thành hiện thực là một nhu cầu vô cùng cấp bách hiện nay.
Cũng chính từ thực tế này, nên luận văn tốt nghiệp này nghiên về lĩnh vực IoT,
những định nghĩa, những đặc điểm và những ứng dụng của nó.
Ngồi ra,luận văn tôi nghiên cứu về các loại anten mảng, các đặc điểm cấu tạo
của chúng, và những ứng dụng của các loại anten đó trong cuộc sống thực tiễn.
Cuối cùng luận văn tìm hiếu cấu tạo, cũng như là về cơ chế hoạt động của một
chiếc nhẫn thông minh được sử dụng ở trong công nghệ IoT.
.

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ IOT
Trong Chương 1, luận văn trình bày khái niệm về IoT, về lịch sử ra đời, các thuật
ngữ khác nhau được dùng ở trong IoT, những đặc điểm của mạng IoT, và về những ứng
dụng của mạng IoT ở trong các lĩnh vực quan trọng của cuộc sống như là y tế, xây
dựng, và các ứng dụng của IoT trong việc quản lý các tài ngun mạng nói chung

1.1 Khái niệm
Internet of Thing, hay cịn được viết tắt là IoT, được dịch ra tiếng Việt là Mạng
luới vạn vật kết nối Internet là một khái niệm mới xuất hiện trong những năm gần
đây. Đây là là một mạng liên kết, trong đó các thiết bị sẽ được lắp đặt các bộ phận
cảm biến, thu phát để có thể truyền dữ liệu đến cho các thiết bị khác, từ đó tất cả các
thiết bị sẽ có được sự hoạt động thống nhất với nhau.
Các thiết bị, các toà nhà, và các thiết bị đeo được, sẽ được lắp đặt thêm các bộ
phận điện tử khác, ví dụ như cảm biến, cơ cấu vận hành, phần mềm xử lý, cùng với
khả năng kết nối với mạng internet, giúp các thiết bị này có thể thu thập dữ liệu và
truyền tải cho các thiết bị khác cùng xử lý.

Hình.1. Mạng lưới vạn vật kết nối Internet

2


Vào năm 2013, tổ chức Global Standards Initiative on Internet of Things
(IoT-GSI), tạm dịch là tổ chức sáng kiến toàn cầu về mạng kết nối vạn vật, đã định
nghĩa IoT là hạ tầng cơ sở toàn cầu phục vụ cho xã hội thơng tin, hỗ trợ các dịch
vụ điện tốn đám mây chuyên sâu, thông qua các vật thể thực hoặc là vật thể ảo.
Chúng được kết nối với nhau nhờ vào công nghệ thông tin và kết nối,
truyền thông tin cho nhau thơng qua các bộ phận tích hợp, và với tiêu chí như vậy,
thì một vật được xem là trong mạng kết nối vạn vật, nếu vật đó có thể được định
dạng và có thể được điều khiển từ xa thơng qua hệ thống mạng hiện có, tạo điều
kiện giúp cho thế giới thực tế được kết nối với nhau một cách trực tiếp hơn thông
qua hệ thống điện toán đám mây.
Điều này dẫn đến kết quả là hiệu năng, độ chắc chắn, và lợi ích về kinh tế mà
những vật thể mang lại sẽ tăng lên, đồng thời sẽ giảm thiểu được sự can dự của con người.
Khi hệ thống mạng vạn vật kết nối được trang bị thêm hệ thống cảm biến và
thêm các cơ chế vận hành, hệ thống này trở thành một hình thức của hệ thống kết

hợp giữa ảo và thực, với tính tổng quan cao hơn do kết nối được nhiều vật thể hơn.
Công nghệ mạng lưới này bao trùm những công nghệ như điện tốn đám mây thơng
mình, nhà máy ảo, smart home, giao thông thông minh, thành phố thông minh, bãi
đỗ xe thông minh,...
Mỗi một vật thể được nhận dạng một cách riêng biệt trong hệ thống điện toán
đám mây nhúng, và có khả năng kết nối và phối hợp với nhau trong cùng một hệ
thống Internet hiện có. Các chuyên gia hàng đầu trong ngành nhận định là mạng
lưới vạn vật kết nối sẽ bao phủ khoảng 30 tỉ vật trước năm 2020.
Nói một cách chi tiết hơn, hệ thống mạng vạn vật kết nối cung cấp cho các
thiết bị một phương thức kết nối chuyên sâu về mặt hệ thống và dịch vụ. Kết nối

3


này được nhận định là có nhiều hơn rất nhiều những ưu điểm so với kiểu truyền tải từ
máy sang máy trước đây. Đồng thời, đa số các dạng tên miền, ứng dụng và các dạng
giao thức ở trên mạng internet sẽ đều được mạng lưới vạn vật kết nối này hỗ trợ.
Sự kết nối giữa muôn vàn các thiết bị với nhau này hứa hẹn sẽ mở ra được một
kỷ nguyên mới, kỷ nguyên của sự tự động hoá trong hầu hết các lĩnh vực của cuộc
sống, từ việc ứng dụng trong việc chế tạo các mạng lưới thông minh, đến việc chế
tạo các hệ thống thông minh như là thành phố thông minh, bãi đỗ xe thông minh,
nhà hàng thông minh,...
Mạng vạn vật kết nối là một viễn cảnh của thế giới, trong đó mỗi đồ vật, mỗi
một con người sẽ mang cho mình một định dạng, danh tính riêng, và tất cả sẽ được
kết nối với nhau trong cùng một mạng lưới.
Mỗi một định danh, một sự vật sẽ có khả năng truyền tải và trao đổi thông tin,
dữ liệu với nhau thông qua một mạng dữ liệu duy nhất mà không cần đến sự can
thiệp của con người để có thể thực hiện việc đó.
Mạng vạn vật kết nối đã được hội tụ và phát triển lên nhờ sự phát triển của
công nghệ không dây, các loại công nghệ vi mô, cũng như là sự mở rộng của

internet. Nói một cách đơn giản thì mạng vạn vật kết nối đó chính là một tập hợp
các vật có khả năng kết nối và truyền dữ liệu với nhau, ngồi ra những vật trên có
khả năng tương tác với thế giới bên ngồi để có thể thực hiện một nhiệm vụ nào đó.
Một vật nằm trong hệ thống vạn vật kết nối có thể là trái tim nhân tạo đang hoạt
động trong một bệnh nhân, cũng có thể là một con chó ở trong một trang trại được
đeo một bộ chip nhỏ xíu ở dưới da, hoặc cũng có thể là một chiếc xe ơ tơ được tích
hợp bộ định vị và có thể cảnh báo tài xế khi cảm biến phát hiện bánh xe bị xì lốp,

4


hoặc là bất kỳ một vật thể nhân tạo hoặc trong thiên nhiên nào mà được gắn một định
danh và có khả năng truyền tải thơng tin thơng qua mạng lưới vạn vật kết nối.
Cho đến thời điểm hiện nay, mạng vạn vật kết nối đang dừng lại ở mức kêt nối
giữa máy với máy, thường được áp dụng trong các ngành sản xuất, công nghiệp sản
xuất năng lượng, lọc dầu,... Với khả năng tích hợp các bộ cảm biến, vi điều khiển
trong các hệ thống máy với máy, được xem là những hệ thống thông minh, và đang
ngày càng được nghiên cứu để mở rộng ra nhiều hơn những hệ thống thông minh
khác. Với sự hỗ trợ của các công nghệ hiện nay, các thiết bị đã được gắn các bộ cảm
biến để thu nhận thông tin từ thế giới bên ngồi, rồi sau đó sẽ tự động truyền gửi
thơng tin đó đến các thiết bị khác.
Các ví dụ hiện đang có trên thị trường đó chính là nhà thơng minh được trang
bị các tính năng như tự động đóng rèm, tự động bật lị sưởi nếu nhiệt độ xuống thấp,
hệ thống đo đạc và thơng gió, hệ thống điều chỉnh khơng khí, các thiết bị sấy, giặt
quần áo được kết nối, máy lọc khơng khí, các loại tủ lạnh có sử dụng wifi để người
sử dụng có thể điều khiển từ nơi khác khi cần thiết.
Sau này, khi được triển khai đến mức tự động hố, thì mạng vạn vật kết nối sẽ
được áp dụng đại trà ở trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Khi đó, mạng vạn vật kết
nối sẽ hứa hẹn là sẽ tạo ra được một lượng khổng lồ các loại dữ liệu từ đa dạng các
nguồn, dẫn đến là sự đòi hỏi một tốc độ truyền dữ liệu nhanh, một bộ lưu trữ khổng

lồ, một hệ thống các cách đánh chỉ mục, xử lý các dạng dữ liệu này một cách thông
minh hơn.
Mạng vạn vật kết nối đang là một trong những cốt lõi quan trọng nhất của việc
phát triển thành phố thông minh và các hệ thống quản lý năng lượng thông minh.

5


Khái niệm Mạng vạn vật kết nối lần đầu tiên được ra mắt thế giới nhờ Kevin
Ashton, người lúc đó đang làm việc tại Proter và Gamble, sau đó được đổi tên thành
cơng ty MIT’s Auto-ID. Ơng giới thiệu khái niệm này với thế giới vào năm 1999.[1]
1.2 Thuật ngữ
Thuật ngữ mạng vạn vật kết nối ( Internet of Things, IoT), là một khái niệm để
chỉ một mạng lưới gồm rất nhiều những thiết bị có khả năng nhận biết, cũng như là
trao đổi thông tin đến các sự vật khác trong mạng lưới. Cụm từ này được đưa ra bởi
ngài Kevin Ashton vào năm 1999.
Ông là người đã sáng lập ra trung tâm Auto-ID. Đây là một địa điểm nổi tiếng
thế giới, nơi đã nghiên cứu và đưa ra những quy chuẩn toàn cầu dành cho RFID,
một phương thức giao tiếp khơng dây được áp dụng với sóng radio, cũng như một
số cảm biến khác. Sau khi được ông đưa ra thế giới vào năm 1999, thì khái niệm
mạng vạn vật kết nối đã dần dần được dùng nhiều hơn bởi các nhà phân tích và các
hãng sản xuất điện tử.
Vạn vật ở đây có thể được hiểu theo nhiều nghĩa. Đó có thể là một máy theo
dõi nhịp tim và gửi dữ liệu cho các thiết bị khác. Đó có thể là một con gia súc được
gắn chip sinh học để theo dõi sức khoẻ và gửi dữ liệu về mạng thơng tin của trang
trại đó.
Hoặc đó cũng có thể là một chiếc xe hơi với cảm biến về lượng hơi còn lại ở
trong lốp xe, và báo lại cho người sử dụng biết. Hoặc đó cũng có thể là một thiết bị
phân tích gen để quan sát môi trường, thức ăn, mầm bệnh của môi trường xung
quanh. Hoặc cũng có thể là một thiết bị chuyên dụng để hỗ trợ đội chữa cháy trong

hoạt động phát hiện ra người gặp nạn và giải cứu.

6


Các chuyên gia trong ngành gợi ý là có thể coi Vạn Vật ở đây nên là một tổng
thể được kết hợp hài hoà giữa phần cứng, phần mềm, các loại dữ liệu, cũng như là
kết nối dịch vụ mạng.
1.3 Lịch sử
Vào năm 1999 thì nhà khoa học Kevin Ashton đã đưa ra cho thế giới một thuật
ngữ mới đó chính là Internet of Things, hay gọi cách khác là mạng vạn vật kết nối
Internet, nhằm để chỉ các vật thể có thể được gắn thêm các thiết bị để thế giới có thể
nhận biết đến sự tồn tại của chúng.
Vào năm 2016, thì khái niệm Mạng vạn vật kết nối Internet đã khẳng định
được vị trí của mình trong bước phát triển tất yếu của nhân loại, nhờ việc hội tụ
được nhiều công nghệ thiết yếu, cần thiết cho việc vận hành mạng lưới này.
Những công nghệ này bao gồm cơng nghệ truyền tải vơ tuyến hiện đang có
mặt một cách phổ biến trên khắp thế giới, khả năng phân tích dữ liệu vào cùng một
thời điểm tốt đến từ các siêu máy tính, các loại cảm biến đã được thu nhỏ gọn đến
mức tối thiếu, và các hệ thống nhúng đã được phát triển đến một mức nhất định.
Điều này đồng nghĩa với việc là tất cả những công nghệ truyền thông của quá
khứ, như là các hệ thống nhúng công nghệ cũ, các mạng cảm biến không dây, các hệ
thống thao túng hành vi, các loại hệ thống không cần con người can dự, bao gồm
nhà thông minh và các toà nhà được trang bị các hệ thống tự động.
Tất cả những thứ vừa kể ở bên trên đều đã góp phần tích cực vào sự hình
thành cũng như là khả năng vận hành được của hệ thống Mạng vạn vật kết nối
Internet.

7

Một suy nghĩ khai nguồn về một hệ thống Internet của các thiết bị thông minh
đã được các nhà khoa học thảo luận với nhau từ tận những năm 1982, với sự bắt
nguồn là từ một máy bán nước Coca-cola tự động tại đại học Carnegie Mellon.
Chiếc máy này đã được điều chỉnh, gắn thêm các bộ phận, thiết bị để trở thành
thiết bị đầu tiên trên thế giới được kết nối Internet. Chiếc máy này có khả năng gửi
thơng tin về trung tâm về các thơng tin như cịn bao nhiêu lon nước, cung cấp nhiệt
độ của máy bán hàng khi vừa được bỏ thêm các chai nước mới vào máy.
Từ năm 1991, đã có một bản báo cáo một cách chưa đầy đủ về một khái niệm
gọi là điện toán tổng quan, tiếng anh là ubiquitous computing, của nhà khoa học
Mark Weiser. Khơng chỉ dừng lại ở đó, các viện khoa học như UbiComp và PerCom
cũng cho ra mắt thế giới những báo các về Máy tính thể kỷ 19, cho thế giới thấy
một tầm nhìn mới về IoT cũng như là về cách triển khai của Mạng vạn vật kết nối
Internet này.
Vào năm 1994, một nhà khoa học tên là Reza Raji đã mô tả về khái niệm
Mạng vạn vật kết nối Internet một cách chuyên sâu hơn trên tờ IEEE Spectrum. Tại
tờ báo này, ông mô tảo đây là một q trình chuyển các thơng tin theo dạng gói với
kích thước nhỏ sang một tập hợp các nút mạng lớn, để có thể truyền tải thơng tin và
tự động hố mọi thứ, và có thể được ứng dụng từ các thiết bị dùng trong cuộc sống
hàng ngày cho đến nguyên cả một nhà máy sản xuất lớn.
Và giữa những những năm 90 của thế kỷ 20, có một cơng ty tên là at Work, một
cơng ty con của Microsoft, và cùng với đó là cơng ty Nest của Novell, đã có một vài
giải pháp đề xuất về vấn đề Mạng vạn vật kết nối Internet. Tuy nhiên, cho đến mãi tận
năm 1999 thì lĩnh vực này mới bắt đầu thu được những kết quả khả quan.

8


Bill Joy đã tường tượng được trước phương pháp truyền tải dữ liệu từ thiết bị
tới thiết bị ở trong một bộ 6 trang web của ơng. Ơng đã diễn thuyết trước mặt công

chúng những ý tưởng này tại Diễn đàn kinh tế thế giới ở Davos vào năm 1999.
Cũng vào năm 1999, thì khái niệm Mạng vạn vật kết nối Internet đã trở nên
phổ biến với thế giới hơn, nhờ vào trung tâm Auto-ID thuộc viện công nghệ
Massachusetts và nhờ những nhà khoa học đã có những báo cáo liên quan đến phân
tích thị trường có liên quan đến lĩnh vực này.
RFID, tiếng anh là Radio-frequency identification, hay dịch ra tiếng việc là
định nghĩa tần số radio, đã được nhận định bởi Kevin Ashton, một trong những
người sáng lập ra trung tâm Auto-ID là có khả năng khởi tạo Mạng lưới vạn vật kết
nối Internet và thời điểm đó. Ông đề xuất rằng cụm từ Mạng lưới vạn vật kết nối
Internet ra với toàn thế giới.
Nếu tất cả mọi vật thể và con người trong cuộc sống thường ngày đều được
kết nối và trang bị những thiết bị định danh, các máy tính có thể quan lý và lưu trữ
những thông tin về những vật trên.
Bên cạnh dùng định danh tần số vô tuyến, việc đánh dấu các vật thể có thể đạt
được nhờ những cơng nghệ thơng tin như là thơng tin liên lạc tầm gần, mã hố ô
vuông, và dấu ấn công nghệ cao.
1.4 Khả năng định danh độc nhất
Một trong những điểm mấu chốt của Mạng vạn vật kết nối Internet đó chính là
tất cả những vật ở trong mạng lưới đều phải được nhận biết và có một phương thức
nhận định danh tính riêng.
Nếu tất cả các vật thể, bao gồm cả con người, đều mang trong mình một định
danh riêng để có thể phân biệt và quản lý đối tượng này với đối tượng khác, thì máy
tính hồn tồn có thể quản lý được một mạng lưới gồm tất cả các vật thể trên.

9


Việc định danh, hay tagging, có thể được hiện thực hố ngày nay, thơng qua
việc sử dụng những cơng nghệ hiện đại, ví dụ như định danh bằng tần số ra đa, giao
tiếp thông tin tầm gần, mã vạch, mã QR, đánh dấu kỹ thuật số,...

Việc liên kết các thiết bị với nhau có thể được hiện thực hố thơng qua các
công nghệ của ngày nay như là Wifi, mạng viễn thông băng thông rộng như là 3G
và 4G, các công nghệ giao tiếp tầm gần như là Bluetooth, Zigbee, hồng ngoại,...
Ngoài những phương pháp giao tiếp và kết nối các vật thể với nhau như vừa
kể ở trên, thì nếu nhìn từ thế giới Internet, chúng ta có thể gán cho từng vật thể một
địa chỉ duy nhất để có thể xác định từng vật thể một, tương tự như là việc gán địa
chỉ IP cho các trang web.
Mỗi một thiết bị sẽ được gán cho một địa chỉ IP duy nhất và độc nhất, không
bị trùng lặp với bất kỳ một vật thể hay một con người nào khác. Hiện nay, với sự
xuất hiện của công nghệ IPv6 với khả năng lưu trữ không gian địa chỉ cực kỳ rộng
lớn thì mọi thứ có thể sẽ dễ dàn được gán cho một địa chỉ IP duy nhất và không
nhầm lẫn với bất kỳ một vật thể nào khác. Đây là một tiền đề quan trọng giúp cho
mọi thứ có thể được dễ dàng kết nói với nhau cũng như là được kết nối vào Mạng
lưới mạng vật kết nối vào Internet.
1.5 Xu hướng và tính chất
Thực tế ra mà nói, thì các u cầu về sự thơng minh cũng như là không cần
đến sự can dự của con người trong q trình điều khiển thực chất khơng phải là mục
tiêu ban đầu trong quá trình phát triển của IoT trong những năm đầu tiên.
Mục tiêu đặt ra của Mạng vạn vật kết nối Internet không là các máy móc có thể
được dễ dàng kết nối với nhau, để khi chúng nhận biết được các thay đổi của môi
trường xung quanh, chúng sẽ có thể tự điều chỉnh bản thân và phản ứng lại đối với
những thay đổi đó mà khơng cần có sự kết nối đến Internet.

10


Trong những năm gần đây, người ta đang có những bước đi táo bạo trong việc
nghiên cứ để có thể kết hợp các khái niệm đó là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet
và điều khiển tự động lại với nhau. Trong tương lại, Mạng lưới vạn vật kết nối
Internet sẽ có thể trở thành một mạng lưới những vật thể thông minh được điều

khiển và kết nối với nhau, và có khả năng tự đưa ra quyết định trong từng tình
huống đơn lẻ mà chúng gặp phải. Khơng chỉ dừng lại ở đó, chúng phải cịn có khả
năng kết nối với nhau để có thể trao đổi thơng tin và cùng nhau tương tác với các
thơng tin đó để có thể tự điều chỉnh một cách tự động.
Việc giúp các thiết bị trở nên tự động và thông minh hơn, và tích hợp các thiết
bị đó vào mạng vạn vật kết nối Internet có thể giúp các thiết bị theo dõi và thu thập
các thông tin đến từ việc con người tương tác với các thiết bị thông minh. Từ việc
quan sát và thu thập các dữ liệu đó, các hệ thống sẽ có thể phát hiện ra các kiến thức
mới mà con người cịn bỏ sót, liên quan đến thế giới xung quanh, đến môi trường,
đến các mối quan hệ của con người trong xã hội, cũng như là các hành vi ứng xử
của con người. [2]
1.6 Kiến trúc dựa trên sự kiện
Khi mọi việc diễn ra đúng theo những gì đã được thiết kế, thì các thiết bị được
kết nối trong mạng lưới vạn vật kết nối Internet sẽ ghi nhận dữ liệu và gửi những dữ
liệu đó trong lúc chúng đang hoạt động theo thời gian thực. Một số những chuyên
gia đầu ngành cho rằng một hệ thống các mạng lưới cảm biến, các sensor, chính là
một trong những thành phần đơn giản, và là một dạng đơn giản hoá của mạng lưới
vạn vật kết nối Internet.

11


1.7 Là một hệ thống phức tạp
Ở trong một thế giới mở, thì mạng lưới vạn vật kết nối Internet sẽ mang trong
mình một kiến trúc vơ cùng phức tạp, bởi vì mạng lưới này bao gồm một lượng lớn
các liên kết gữa các thiết bị, các máy móc, các cảm biến, các dịch vụ với nhau.
Ngoài ra, hệ thống này còn phải đảm bảo các yếu tố như được kết nối với bộ lưu trữ
dữ liệu, các hệ thống cung cấp nguồn điện, các hệ thống điều khiển hành vi của các
thiết bị. Nói chung, đây là một hệ thống vô cùng phức tạp, bao gồm vô vàn những
kết nối từ thiết bị này đến thiết bị khác, từ bộ phận này đến bộ phận khác.

1.8 Kích thước
Về lý thuyết, một mạng lưới vạn vật kết nối Internet có thể chứa được một số
vô hạn các thiết bị cũng như là đối tượng ở trong mạng lưới của mình. Tuy nhiên,
với cơng nghệ như hiện nay, thì một mạng lưới vạn vật kết nối Internet có thể được
bao gồm khoảng 50 cho đến khoảng 100 nghìn tỷ các đối tượng được kết nối với
nhau và mạng lưới này có thể theo dõi các thông tin của từng đối tượng, như là vị trí
hiện tại, cũng như là những thơng tin được gửi về hệ thống từ các cảm biến mà các
thiết bị đó đang có.
Một cá thể người sống ở trong một thành phố đơng đúc có thể sẽ bị bao vây xung
quanh bởi khoảng 1000 cho đến khoảng nửa vạn các thiết bị có khả năng theo dõi.
Điều này vừa có những mặt tích cực cũng như là những mặt tiêu cực
Về mặt tích cực, điều đó có nghĩa là hệ thống sẽ biết được nhiều hơn những
thông tin liên quan đến con người ấy, để từ đó có thể đưa ra những thơng tin cũng
như là những điều khiển tự động cần thiết để giúp cuộc sống của người đó trở nên
tốt hơn.

12


Ví dụ như vào giờ cao điểm, các thiết bị theo dõi và báo về hệ thống là người
đó đang đi ở trên đường A và sắp chuẩn bị đi vào đường B. Tuy nhiên, các thiết bị
theo dõi tại đoạn đường B gửi về thông tin là đoạn đường B hiện đang bị tắc đường
một cách nghiêm trọng, và gửi thông tin này về hệ thống.
Biết được thông tin này, và đồng thời biết được vị trí hiện tại của người đó, hệ
thống sẽ tự động thơng báo cho người đó là đừng đi vào con đường B nữa, và đồng
thời cung cấp cho người đó một con đường thay thế khơng bị tắc để người đó đi.
Đó là một trong các ví dụ về những ưu điểm của việc bao quanh một cá thể
con người bởi khoảng 1000 cho đến 5000 thiết bị có khả năng theo dõi ở trong một
thành phố. Về mặt tiêu cực, thì những kẻ xấu có thể khai thác các thiết bị trên để có
thể khai thác được các thơng tin liên quan đến đời tư của con người trên. Họ đi đâu

làm gì cũng bị người khác theo dõi. Họ nói gì làm gì cũng bị các thiết bị ghi lại và
những câu họ nói có thể bị lơi ra làm bằng chứng để chống lại họ bất cứ lúc nào.
Nói chung là có rất nhiều những điều tiêu cực có thể xảy ra khi một con người bị
bao quanh bởi quá nhiều những thiết bị có khả năng theo dõi và được kết nối với
nhau trong một thành phố.
1.9 Vấn đề không gian, thời gian
Trong mạng vạn vật kết nối Internet, thì vị trí chính xác của một vật nào đó tại
thời gian thực là rất quan trọng. Trong thời điểm hiện tại, thì mạng internet đang
được khai thác chủ yếu để có thể xử lý và quản lý thơng tin bởi con người. Do vấn
đề trên, nên việc quản lý những thông tin như thời gian, địa điểm, không gian của
một đối tượng không tạo ra được nhiều sự khác biệt và không tối quan trọng, do đối
tượng xử lý các thơng tin trên là con người, nếu cần thì họ có thể hỏi và bổ xung
thêm các thơng tin trên.

13


Tuy nhiên, thì về lý thuyết, thì mạng vạn vật kết nối Internet sẽ thu thập rất rất
nhiều những dữ liệu, những thơng tin, và trong đó có cả những thông tin dư thừa
như là địa điểm, và việc gửi những thơng tin đó về và xử lý được hệ thống coi như
là không quan trọng và không hiệu quả khi xử lý. Ngồi ra, thì việc xử lý một lượng
lớn dữ liệu trong một khoảng thời gian ngắn để có thể đáp ứng được nhu cầu phản
ứng ngay lập tức của các vật thể cũng đang là một thách thức đang được các nhà
khoa học tìm phương án giải quyết. [3]
1.10 Luồng năng lượng mới
Tại thời điểm hiện tại thì Mạng vạn vật kết nối Internet đang trải qua q trình
phát triển một cách bùng nổ, do có sự góp sức của các nhân tố mới, trong đó có
IPv6 và mạng 4G. Ngồi 2 yếu tố trên ra thì cịn có các yếu tố khác cũng ảnh hưởng
khơng nhỏ đến sự phát triển bùng nổ của Mạng vạn vật kết nối Internet, đó chính là
chi phí, tính sẵn có của các công nghệ cần thiết. Nhà khoa học Gary Atkinson, giám

đốc tiếp thị sản phẩm nhúng của ARM đã đưa ra các nhận định của mình đó là, hiện
nay, đã có rất nhiều những thiết bị đã chứng tỏ được rằng có thể thu nhập các loại
thơng tin và có thể truyền tải các loại thơng tin này nhưng lại có giá rất rẻ, chỉ
khoảng 30 đơ la cho một sản phẩm.
Hiện nay, chúng ta đã có thể được chứng kiến các bộ vi điều khiển phức tạp
như là loại 32 bit được xây dựng trên nền tảng ARM đang có giá chỉ trên dưới 1 đơ
la. Với những bộ vi điều khiển kiểu này, thì bạn có thể làm được vô vàn những điều
khác nhau. Việc thu thập và truyền tải dữ liệu đã trở nên rẻ hơn bao giờ hết. Chỉ với
50 xu là bạn đã có thể sở hữu được cho mình một bộ vi xử lý 32 bit được chế tạo
bởi ARM rồi.

14


Công ty ARM đã đi trước các công ty khác trong việc nhận ra rằng, là các ổ đĩa
có xu hướng sử dụng các bộ vi điều khiển được sản xuất bởi hãng này với cấu tạo 32
bit có thể sẽ là một phương pháp hoàn hảo cho những những người có trách nhiệm thực
hiện một vài những quyết định riêng của họ một cách hồn tồn tự động.
Ơng Gary tin răng, khả năng cũng như là những điều mà những bộ vi điều
khiển có thể làm được ngày một gia tăng theo thời gian, và điều đó cũng có nghĩa
rằng, theo thời gian, con người sẽ có thể làm được những điều mà trước đây được
cho rằng là bất khả thi.
Trong vòng 5 năm tiếp theo, các bạn sẽ có thể thấy được ngày càng nhiều
những thiết bị đáp ứng được những yêu cẩu của Mạng vạn vật kết nối Internet trên
thị trường. Một trong những yêu cầu và thách thức đang được đặt ra bây giờ là làm
thế nào để có thể lưu trữ và quản lý dữ liệu. Việc chuyển sang dùng hệ thống IPv6
là một trong những giải pháp được các chuyên gia đầu ngành đưa ra. Hệ thống IPv6
hiện nay đã sẵn sàng, và hiện đang được cấp phát các địa chỉ để các trang web sử
dụng. Hệ thống IPv4 đã cạn kiệt và cho đến năm 2011 thì những địa chỉ IPv4 cuối
cùng cũng đã được sử dụng.

Ông Axel Pawlik, giám đốc quản lý của RIPE NCC đã giải thích rằng tại sao
hệ thống IPv6 lại là một trong những nhân tố vô cùng quan trọng trong việc phát
triển của IoT. Với sự góp mặt của IPv6, chúng ta sẽ sở hữu cho mình được một
lượng địa chỉ để định danh vô cùng phong phú và điều này sẽ cho phép mạng lưới
có thể gán một địa chỉ định danh cho từng thiết bị một thông qua các con chip.
Điều này sẽ là một giải pháp vô cùng đơn giản và hiệu quả, dễ dàng thực hiện
và triển khai, và việc có thể gán định danh cho từng các thiết bị riêng biệt, sẽ đem

15


lại tiềm năng phát triển vô cùng to lớn cho hệ thống Mạng lưới vạn vật kết nối
Internet. [4]
Ông Lan Pearson, một trong những nhà khoa học chuyên nghiên cứu về những
bước phát triển của tương lai, người đã đạt được những thành tích vơ cùng ấn tượng
khi cịn làm việc tại các hãng BJ, Canon và Fujitsu đã đưa ra nhận định của mình,
đó là, những gì trong hiện tại mà chúng ta đang thấy là do chúng ta hiện tại chưa có
đầy đủ những tiền đề hội tụ và phát triển nhanh chóng. Điều này sẽ khơng giống với
bất kỳ một điều gì mà chúng ta đã từng thấy trước đó. Để có thể áp dụng những
điều này trong việc xây dựng một hệ thống mạng lưới vạn vật kết nói Internet, thì
chúng ta cần phải phát triển để có thể hướng đến những cơng nghệ mới, để giúp
chúng ta có thể có được những chiếc máy tính có tốc độ xử lý nhanh hơn, có những
ổ đĩa có khả năng lưu trữ và truy xuất thơng tin nhanh hơn.
1.11 Các hệ thống phụ
Khi chúng ta nói đến mạng vạn vật kết nối, thì khơng nhất thiết là chúng ta
phải cho tất cả các thiết bị đều phải được kết nối với internet. Chúng ta có thể tạo ra
những mạng lưới nhỏ, và hoạt động đơn lẻ, mà khơng nhất thiết phải kết nối chúng
với mạng tồn cầu.
Ví dụ như một căn nhà thơng minh, trong đó, các đồ vật trong ngơi nhà có thể
tự tương tác và gửi dữ liệu cho nhau mà không cần phải kết nối vào internet, trừ khi

chúng ta cần điều khiển nó từ một vị trí cách xa nhà.
Ngơi nhà như vậy có thể được coi là một hệ thống phụ, subsystem. Điều này
cũng tương tự như việc hiện nay chúng ta có các mạng LAN, WAN, mạng ngang
hàng nội bộ chứ không cần kết nối trực tiếp vào Internet.

16