Nghiên Cứu Công Nghệ Iot Và Ứng Dụng Thiết Kế Hệ Thống Chăm Sóc Sức Khỏe Từ Xa.pdf

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NÔNG PHẠM MINH THÁI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ IoT VÀ ỨNG DỤNG
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHĂM SÓC SỨC KHỎE TỪ XA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Thái Nguyên – 2020


ii

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NÔNG PHẠM MINH THÁI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ IoT VÀ ỨNG DỤNG
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHĂM SÓC SỨC KHỎE TỪ XA

NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số: 8520208

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phùng Trung Nghĩa

Thái Nguyên - 2020


iii
LỜI CAM ĐOAN
Nội dung của luận văn này được thiết kế dựa trên sự phát triển của nền tảng
công nghệ IoT và tính cấp thiết của tình trạng q tải tại các bệnh viện hiện nay. Bên
cạnh đó, ý tưởng xây dựng một hệ thống nhằm mục đích giám sát thông số sức khỏe
của đồng thời nhiều bệnh nhân sẽ giảm tải công việc cho bác sỹ và tăng hiệu quả điều
trị. Trong q trình thực hiện đề tài, tơi đã nghiêm túc nghiên cứu và vận dụng lý
thuyết đến thiết kế xây dựng hoàn thiện thiết kế sản phẩm đề tài.
Tôi xin cam đoan những nội dung của luận văn này là hồn tồn trung thực,
chính xác và chưa được ai cơng bố trong các cơng trình khoa học nào khác.

Thái Nguyên, năm 2020
Học viên

NÔNG PHẠM MINH THÁI


iv
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn cùng sản phẩm này, em xin gửi lời cảm ơn đến tất
cả các thầy cô giáo, các đồng nghiệp tại Trường Đại học Công nghệ thông tin và
Truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp em hoàn thiện đồ án
tốt nghiệp này. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS. Phùng Trung
Nghĩa - Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông. Thầy đã trực tiếp
hướng dẫn em hoàn thành luận văn này với sự nhiệt tình và ân cần chỉ bảo, đồng
thời cung cấp cho em những kiến thức chun mơn để em có thể hoàn thiện luận
văn tốt nghiệp này.

Em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo trong
nhà trường đã hỗ trợ em về những kiến thức để em bổ sung cho sự hoàn thiện của
luận văn của mình.
Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè và người
thân, những người đã bên cạnh và động viên tôi trong suốt q trình học tập và
hồn thành luận văn.

Thái Ngun, tháng 10 năm 2020
Học viên

NÔNG PHẠM MINH THÁI


v
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................iv
MỤC LỤC ................................................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...........................................................................xi
ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................................................. 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IoT ..................................................... 3

1.1 Giới thiệu về IoT ..................................................................................... 3
1.1.1 Khái niệm .............................................................................................3
1.1.2 Đặc trưng của hệ thống IoT .................................................................3
1.1.3 Những thành phần trong một hệ thống IoT .........................................4
1.1.4 Yêu cầu đối với một hệ thống IoT.......................................................8
1.1.5 Những thách thức trong thiết kế và xây dựng hệ thống IoT ...............9
1.2 Một số ứng dụng của IoT ...................................................................... 10

1.2.1 Ứng dụng trong lĩnh vực y tế .............................................................10
1.2.2 Lĩnh vực sản xuất nông nghiệp..........................................................10
1.2.3 Smarthome..........................................................................................11
1.2.4 Lĩnh vực môi trường ..........................................................................11
1.3 Kết luận chương 1……………………………………………………..11
Chương 2. KIẾN TRÚC HỆ THỐNG IoT ............................................................... 13

2.1 Tổng quan về kiến trúc hệ thống IoT .................................................... 13
2.2 Phân loại thiết bị IoT và phương thức kết nối internet ......................... 14
2.3 Các yêu cầu của kiến trúc tham chiếu cho IoT ..................................... 16
2.3.1 Kết nối và giao tiếp ............................................................................16
2.3.2 Quản lý thiết bị ...................................................................................17
2.3.3 Thu thập, phân tích và khởi động dữ liệu..........................................17
2.3.4 Tính khả năng mở rộng ......................................................................17


vi

2.4 Kiến trúc tham chiếu của IOT ............................................................... 18
2.4.1 Lớp Thiết bị (Devices) .......................................................................19
2.4.2 Lớp Truyền thông (Communications) ...............................................20
2.4.3 Lớp Hợp nhất/Bus (Aggregation/ Bus) .............................................20
2.4.4 Lớp xử lý sự kiện và phân tích (Event Processing and Analytics)...21
2.4.5 Lớp Truyền thơng ngoài (External Communication) .......................21
2.4.6 Lớp quản lý thiết bị (Device Management) ......................................21
2.4.7 Lớp Quản lý Định danh và Truy nhập (Identity and Access
Management) ...............................................................................................22
2.5 Các giao thức truyền thông trong IoT ................................................... 22
2.5.1 Giao thức lớp ứng dụng - Application Protocols ..............................22
2.5.2 Giao thức khám phá dịch vụ - Service Discovery Protocols ............31

2.5.3 Giao thức Cơ sở hạ tầng - Infrastructure Protocols ..........................33
2.6 Kết luận chương 2…………………………………………………….33
Chương 3. THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ............................................... 41

3.1 Giới thiệu bài toán ................................................................................. 41
3.1.1 Sơ đồ ngữ cảnh của hệ thống .............................................................41
3.1.2 Tính năng hệ thống ............................................................................41
3.2. Phương án thiết kế xây dựng hệ thống................................................. 42
3.2.1. Phương án thiết kế thứ nhất ..............................................................42
3.2.2. Phương án thiết kế thứ hai ................................................................42
3.2.3. Lựa chọn phương án thiết kế ............................................................43
3.3 Sơ đồ nguyên lý phần cứng của hệ thống ............................................. 44
3.4 Lưu đồ thuật toán của hệ thống ............................................................. 45
3.4.1 Lưu đồ chương trình đo thông số nhiệt độ, độ ẩm ............................45
3.4.2 Lưu đồ chương trình đo thơng số nhịp thở........................................46
3.4.3 Lưu đồ chương trình thu nhận và xử lý dữ liệu tại server hệ thống .47


vii

3.5 Các thiết bị IoT sử dụng trong trong thiết kế ........................................ 48
3.5.1 Cảm biến hơi thở E-Health AirFlow .................................................48
3.5.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11.....................................................50
3.5.3 Vi điều khiển Arduino .......................................................................52
3.5.4 Khối cảnh báo.....................................................................................55
3.5.5 Khối nguồn cung cấp .........................................................................56
3.5.6 Khối truyền dữ liệu Node MCU ESP8266.......................................57
3.6 Xây dựng phần mềm quản lý dạng Website ......................................... 58
3.6.1 Phân tích thiết kế hệ thống .................................................................58
3.6.2 Phân tích các chức năng của hệ thống ...............................................59

3.6.3 Phân tích thiết kế hệ thống bằng UML..............................................61
3.6.4 Xây dựng phần mềm ..........................................................................64
3.7 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống ......................................................... 65
3.7.1 Kết quả đạt được của đề tài................................................................65
3.7.2 Một số hình ảnh thực tế của đề tài .....................................................65
3.7.3 Đánh giá chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm ...........................................67
3.7.4 Hướng dẫn sử dụng sản phẩm ...........................................................67
3.7.5 Đánh giá ưu, nhược điểm sản phẩm ..................................................68
3.7.6 Hướng nghiên cứu và phát triển của sản phẩm .................................68
3.8 Kết luận chương 3…………………………………………………….69
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 72


viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mơ hình kết nối của nền tảng Internet of Things ............................... 3
Hình 1.2 Mơ hình các cơng nghệ thành phần của IoT. ..................................... 4
Hình 1.3 Mơ hình hệ thống nhúng giám sát điều khiển từ xa ........................... 5
Hình 1.4 Mơ hình hệ thống mạng thơng tin di động tế bào .............................. 6
Hình 1.5 Mơ hình mạng cảm biến chuyển tiếp thông tin đến trạm gốc. .......... 7
Hình 1.6 Mơ hình Computing Netwworking .................................................... 7
Hình 1.7 Theo dõi tình trạng sinh trưởng của cây trồng. ................................ 11
Hình 2.1 Những thành phần trong hệ thống IoT ............................................. 13
Hình 2.2 Hai mơ hình kết nối của thiết bị IOT ............................................... 16
Hình 2.3 Mơ hình tham chiếu của IOT ........................................................... 19
Hình 2.4 Những giao thức hỗ trợ trong IoT .................................................... 22
Hình 2.5 So sánh các giao thức lớp ứng dụng của IoT ................................... 23
Hình 2.7 Các thơng điệp của CoAP: ............................................................... 25

Hình 2.9 Publish/subscribe process utilized by MQTT .................................. 27
Hình 2.10 Communications in XMPP ............................................................ 28
Hình 2.11 Publish/subscribe mechanism of AMQP ....................................... 29
Hình 2.12 Publish/subscribe mechanism of AMQP ....................................... 30
Hình 2.13 Request/Response trong mDNS ..................................................... 32
Hình 2.14 Discovering print service by DNS-SD ........................................... 33
Hình 2.15 DODAG topology .......................................................................... 34
Hình 2.16 IEEE802.15.4 topologies (a) Star.(b) Peer-to-peer.(c) Cluster-tree. .. 35
Hình 2.17 EPC 96-bit tag parts ....................................................................... 37
Hình 2.18 RFID system................................................................................... 37
Hình 2.19 EPC TAGCLASSES ...................................................................... 37
Hình 3.1. Sơ đồ ngữ cảnh của hệ thống .......................................................... 41
Hình 3.2 Sơ đồ phương án thiết kế thứ nhất ................................................... 42


ix

Hình 3.3 Sơ đồ phương án thiết kế thứ hai ..................................................... 42
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý thiết kế hệ thống .................................................... 44
Hình 3.5 Lưu đồ chương trình đo thơng số nhiệt độ, độ ẩm ........................... 45
Hình 3.6 Lưu đồ chương trình đo thơng số nhịp thở ...................................... 46
Hình 3.7 Lưu đồ chương trình nhận và xử lý tín hiệu tại server hệ thống ..... 47
Hình 3.8 Cảm biến E healthy Airflow Sensor ................................................ 48
Hình 3.9 Cách đeo cảm biến Airflow Sensor ................................................. 48
Hình 3.10 Kết nối E-Health Airflow với đế cảm biến .................................... 49
Hình 3.11 Các chân của E-Health sensor platform ......................................... 49
Hình 3.12 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 ................................................. 50
Hình 3.13 Sơ đồ kết nối tới khối xử lý trung tâm ........................................... 51
Hình 3.14 Sơ đồ khối kết nối vi xử lý ............................................................. 51
Hình 3.15 Module điều khiển Arduino ........................................................... 52

Hình 3.16 Cấu trúc phần cứng của Arduino ................................................... 53
Hình 3.17 Nền tảng Arduino UNO R3 ........................................................... 53
Hình 3.18 Nền tảng lập trình Arduino DE ...................................................... 55
Hình 3.19 Khối loa cảnh báo........................................................................... 56
Hình 3.20 IC 7805 sử dụng trong mạch nguồn ............................................... 56
Hình 3.21 Phiên bản chip ESP8266 E12E ...................................................... 57
Hình 3.22 Sơ đồ chức năng chân ESP8266 E12E .......................................... 58
Hình 3.23 Các tác nhân hệ thống .................................................................... 59
Hình 3.24 Những chức năng hệ thống đối với bệnh nhân .............................. 61
Hình 3.25 Những chức năng hệ thống đối với bác sỹ ..................................... 61
Hình 3.26 Biểu đồ hoạt động đăng nhập hệ thống.......................................... 62
Hình 3.27 Biều đồ hoạt động xem thông tin sức khỏe bệnh nhân. ................. 62
Hình 3.28 Biểu đồ trình tự đăng nhập hệ thống cho bệnh nhân ..................... 63
Hình 3.29 Biều đồ trình tự đăng nhập hệ thống cho Bác sỹ. .......................... 63


x

Hình 3.30 Giao diện trang chủ. ....................................................................... 64
Hình 3.31 Giao diện trang theo dõi bệnh nhân. .............................................. 65
Hình 3.32 Module phần cứng sản phẩm ......................................................... 66
Hình 3.33 Người dùng sử dụng sản phẩm ...................................................... 66
Hình 3.34 Giao diện chính của website thiết kế ............................................. 66
Hình 3.35 Giao diện theo dõi, giám sát các thông số ..................................... 67


xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Chữ đầy đủ

AIM

Quadrature Phase Shift Keying

AMQP

Advanced Message Queuing Protocol

API

Application Progmraming Interface

CDMA

Code-division multiple access

CoAP

Constrained Application Protocol

CoAP

Constrained Application Protocol

CoRE

The IETF Constrained RESTful Environments

DM

Device Manager

DTLS

Datagram Transport Layer Security

EEPROM

Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

GPRS

General Packet Radio Service

HTTP

HyperText Transfer Protocol

HTTPS

Hyper Text Transfer Protocol Secure

ID

Identification

IoT

Internet of Things

M2M

Machine-to-Machine

MAC

media access control

MQTT

Message Queue Telemetry Transport

MTM

Telemetry and Machine-to-machine Communication

OAuth

Open Authentication or Authorization

QoS

Quality of service

REST

REpresentational State Transfer

RPL

Routing Protocol for Low power and Lossy network

SCADA

Supervisory Control And Data Acquisition

SMTP

Simple Mail Transfer Protocol

SoC

system-on-a-chip


xii
SSL

Secure Sockets Layer

TCP

Transmission Control

TLS

Transport Layer Security

UDP

User Datagram Protocol

XACML

Extensible Access Control Markup Language

XML

Extensible Markup Language


1
ĐẶT VẤN ĐỀ
Internet of Things (IoT) dần len lỏi vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta, với
khoảng 328 triệu thiết bị được kết nối Internet mỗi tháng, ngành công nghiệp 4.0 đang
phát triển với tốc độ chóng mặt. IoT đang có một tác động chưa từng thấy đến ngành
y tế, cho phép các bác sỹ có thể theo dõi tình trạng bệnh nhân từ xa để có các giải
pháp và pháp đồ điều trị tốt nhất mà giảm gánh nặng quá tải cho bệnh viện và người
thân.
Theo kết quả nghiên cứu và thống kê của Tổ chức Y tế thế giới (năm 2014) số
bệnh nhân mắc hen phế quản có xu hướng ngày càng gia tăng, ước tính có khoảng
334 triệu người mắc bệnh hen (tại Việt Nam số người mắc bệnh hen khoảng 5% tương
đương với 5 triệu người). Dự báo đến năm 2025 số bệnh nhân có thể tăng lên khoảng
400 triệu người trên toàn cầu. Tỷ lệ người tử vong do căn bệnh này mỗi năm trên tồn
thế giới khoảng 200.000 ca, trong đó tại Việt Nam có khoảng 3.000 ca. [1]
Đối với người cao tuổi (NCT) mắc bệnh hen suyễn thường lên cơn hen khi trời
trở lạnh (hoặc do ban đêm nhiệt độ hạ xuống thấp hơn nhiều so với ban ngày). Bên
cạnh đó độ ẩm trong khơng khí tăng cao cũng sẽ khuếch tán vi khuẩn khiến ảnh hưởng

của bệnh hen suyễn càng nặng hơn. Bệnh hen suyễn mạn tính ở NCT nếu khơng xử
lý kịp thời sẽ gây ra một số biến chứng nguy hiểm như tâm phế mạn tính, tràn khí
màng phổi hoặc nhiễm bệnh lao kèm theo... Nguy hiểm nhất là cơn hen cấp tính, xuất
hiện đột ngột, khơng xử trí kịp thời, có thể gây nguy hiểm đến tính mạng người bệnh.
[2]
Do vậy, thiết kế, xây dựng hệ thống theo dõi nhịp thở của bệnh nhân và giám
sát thông số nhiệt độ, độ ẩm trong phòng của bệnh nhân là vấn đề cấp thiết tại Việt
Nam. Việc thu thập thông số nhịp thở sẽ giúp việc đánh và điều trị bệnh nhân được
hiệu quả hơn. Đặc biệt, trong trường hợp bệnh nhân lên cơn hen suyễn khi đang ngủ,
việc theo dõi và cảnh báo kịp thời sẽ giúp giảm thiểu rủi ro đối với bệnh nhân.


2
Đề tài hướng đến việc nghiên cứu, tìm hiểu và cung cấp một cái nhìn tổng
quan về IoT: Một số chi tiết kỹ thuật liên quan đến các công nghệ trên nền tảng IoT,
các giao thức và các ứng dụng bao gồm:
- Tóm tắt về các giao thức phù hợp nhất với các ứng dụng.
- Một số các thách thức chính trong việc triển khai IoT.
- Mối quan hệ giữa các IoT và các công nghệ khác bao gồm phân tích dữ liệu
lớn (big data), điện tốn đám mây và điện toán sương mù.
- Các nhu cầu hội nhập tốt hơn giữa các dịch vụ IoT.
- Trường hợp sử dụng dịch vụ chi tiết để minh họa cho các giao thức khác nhau
để cung cấp các dịch vụ IoT mong muốn.


3
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IoT
1.1 Giới thiệu về IoT
1.1.1 Khái niệm

Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là mạng lưới thiết bị kết nối Internet
viết tắt là IoT (tiếng Anh: Internet of Things) là một kịch bản của thế giới, khi mà
mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả
năng truyền tải, trao đổi thơng tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến
sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã phát triển
từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. [3]
IoT không chỉ là các máy "giao tiếp" với nhau mà còn nhiều thứ khác nữa, bao
gồm khả năng thay đổi hoàn toàn thế giới, cả trong cuộc sống và cách chúng ta cảm
nhận trong thực tế.

Hình 1.1 Mơ hình kết nối của nền tảng Internet of Things
Ngày nay với khoảng 1,5 tỷ máy tính và trên 1 tỷ điện thoại có kết nối Internet.
Sự hiện diện “Internet of PCs” sẽ được chuyển sang IoT trong đó 50-100 tỷ thiết bị
kết nối Internet trong năm một vài năm tới. Một vài nghiên cứu còn chỉ ra rằng, tại
thời điểm đó số lượng máy móc di động sẽ tăng gấp 30 lần so với hiện nay. Nếu
không chỉ xem xét các kết nối máy với máy mà là các kết nối giữa tất cả các vật thể
thì số lượng kết nối có thể tăng lên tới 100.000 tỷ.
1.1.2 Đặc trưng của hệ thống IoT


4
Những đặc trưng của một hệ thống IoT được thể hiện thơng qua những yếu tố:
- Tính kết nối liên thơng: Với IoT, bất cứ thực thể nào cũng có thể kết nối với
nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể.
- Những dịch vụ liên quan đến “Things”: Hệ thống IoT có khả năng cung cấp
các dịch vụ liên quan đến “Things”. Để cung cấp được dịch vụ này, cả công nghệ
phần cứng và công nghệ thông tin (phần mềm) sẽ phải thay đổi.
- Tính khơng đồng nhất: Các thiết bị trong IoT là khơng đồng nhất vì nó có
phần cứng khác nhau, và network khác nhau. Các thiết bị giữa các network có thể
tương tác với nhau nhờ vào sự liên kết của các network.

- Thay đổi linh hoạt: Trạng thái của các thiết bị tự động thay đổi. Hơn nữa, số
lượng thiết bị có thể tự động thay đổi.
- Quy mơ lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và giao tiếp
với nhau. Số lượng này lớn hơn nhiều so với số lượng máy tính kết nối Internet hiện
nay. Số lượng các thơng tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều so với được
truyền bởi con người. [3], [4].
1.1.3 Những thành phần trong một hệ thống IoT
Những thành phần cơ bản trong một hệ thống IoT thường bao gồm: Mạng máy
tính, điện thoại di động, mạng cảm biến không dây, hệ thống nhúng… [4]

Hình 1.2 Mơ hình các cơng nghệ thành phần của IoT.
- Hệ thống nhúng (Embedded Systems): Là một thuật ngữ để chỉ một hệ thống
có khả năng tự trị được nhúng vào trong một môi trường hay một hệ thống trung tâm.


5
Đó là các hệ thống tích hợp cả phần cứng và phần mềm phục vụ các bài toán chuyên
dụng trong nhiều lĩnh vực cơng nghiệp, tự động hố điều khiển, quan trắc và truyền
tin. Đặc điểm của các hệ thống nhúng là hoạt động ổn định và có tính năng tự động
hố cao.

Hình 1.3 Mơ hình hệ thống nhúng giám sát điều khiển từ xa
Hệ thống nhúng thường được thiết kế để thực hiện một chức năng chuyên biệt
nào đó. Khác với các máy tính đa chức năng, chẳng hạn như máy tính cá nhân, một
hệ thống nhúng chỉ thực hiện một hoặc một vài chức năng nhất định, thường đi kèm
với những yêu cầu cụ thể và bao gồm một số thiết bị máy móc và phần cứng chuyên
dụng. Vì hệ thống chỉ được xây dựng cho một số nhiệm vụ nhất định nên các nhà
thiết kế có thể tối ưu hóa nó nhằm giảm thiểu kích thước và chi phí sản xuất [5], [14].
- Điện thoại di động (Mobile Telephony): Thường được gọi là điện thoại tế
bào bởi vì trong điện thoại di động hoạt động theo cấu trúc của mạng không dây. Các

mạng được chia thành các tế bào nơi mỗi điện thoại được kết nối với một tế bào xác
thực tại bất kỳ thời điểm nào. Một tế bào bao gồm một khu vực vật lý có kích thước
được xác định bởi các nhà điều hành mạng.


6

Hình 1.4 Mơ hình hệ thống mạng thơng tin di động tế bào
Với chiếc điện thoại thông minh hiện đại, việc truy cập vào mạng lưới Internet
trở nên dễ dàng hơn. Một thiết bị điện thoại di động cho phép thực thi việc gửi email,
nhắn tin, hay dịch vụ World Wide Web…
- Đo lường từ xa và truyền thông MTM (Telemetry and Machine-to-machine
Communication): Từ telemetry là một từ ghép Hy Lạp giữa tele (từ xa) và metron (đo
đạc). Telemetry là việc thực hiện các phép đo từ xa. Truyền thông Machine-tomachine là sự tổng quan của telemetry với hàm ý là sự giao tiếp hoạt động của truyền
thông tự điều khiển là trung tâm của khái niệm telemetry. Telemetry được sử dụng
để truyền tải những thông tin như nhiệt độ hiện thời, độ ẩm, và gió từ các đài khí
tượng từ xa, hoặc Telemetry được sử dụng để truyền dữ liệu tiêu thụ nhiên liệu của
xe tải để chủ sở hữu có thể tối ưu hóa các tuyến đường của xe tải để tiết kiệm chi phí
nhiên liệu, và kết quả là làm giảm ô nhiễm…
Telemetry và giao tiếp machine-to-machine cũng tương tự như đối tượng
thơng minh bởi vì chúng đều được sử dụng để thực hiện đo lường quy mơ lớn. Với
telemetry, các phép đo có thể được thực hiện từ một trang web từ xa mà không cần
truy cập vật lý trực tiếp.
- Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor and Ubiquitous Sensor
Networks): Mạng cảm biến không dây đã phát triển từ ý tưởng rằng các cảm biến
không dây nhỏ có thể được sử dụng để thu thập thông tin từ các môi trường vật lý
trong một số lượng lớn các trường hợp khác nhau, từ theo dõi cháy rừng và quan sát


7

động vật để quản lý nông nghiệp và giám sát công nghiệp. Mỗi một cảm biến không
dây truyền thông tin tới một trạm gốc. Cảm biến giúp đỡ lẫn nhau để chuyển tiếp
thông tin đến các trạm cơ sở, như minh họa trong hình sau:

Hình 1.5 Mơ hình mạng cảm biến chuyển tiếp thông tin đến trạm gốc.
Mạng cảm biến không dây bao gồm các nút nhỏ, được trang bị một thiết bị
truyền thơng khơng dây, mà cấu hình độc lập thành những mạng lưới thơng qua các
cảm biến có thể được truyền.
- Mạng máy tính (Computer Networking): Là một hệ thống gồm nhiều máy
tính và các thiết bị được kết nối với nhau bởi đường truyền vật lý theo một kiến trúc
(Network Architecture) nào đó nhằm thu thập, trao đổi dữ liệu và chia sẽ tài nguyên
cho nhiều người sử dụng.

Hình 1.6 Mơ hình Computing Netwworking


8
Các máy tính được kết nối với nhau có thể trong cùng một phòng, một tòa nhà,
một thành phố hoặc trên phạm vi tồn cầu. Mạng máy tính hỗ trợ một số lượng lớn
các ứng dụng và dịch vụ như truy cập vào World Wide Web, video kỹ thuật số, âm
thanh kỹ thuật số, sử dụng chung các máy chủ lưu trữ và ứng dụng, máy in và máy
fax, và sử dụng email và ứng dụng nhắn tin tức thời cũng như nhiều ứng dụng khác.
Mạng máy tính khác nhau về cách thức truyền tin được sử dụng để mang tín hiệu, giao
thức truyền thơng để tổ chức lưu lượng mạng, kích thước của mạng, cấu trúc liên kết,
cơ chế điều khiển lưu lượng và ý định tổ chức mạng. Mạng máy tính nổi tiếng nhất
là Internet. [6]
1.1.4 Yêu cầu đối với một hệ thống IoT
Đối với một hệ thống IoT cần phải thoả mãn những yếu tố như sau:
- Kết nối dựa trên sự nhận diện: Nghĩa là các “Things” phải có ID riêng biệt.
Hệ thống IoT cần hỗ trợ các kết nối giữa các “Things”, và kết nối được thiết lập dựa

trên định danh (ID) của Things.
- Khả năng cộng tác: Hệ thống IoT cần có khả năng tương tác qua lại giữa các
mạng và Things.
- Khả năng tự quản của mạng: Bao gồm tự quản lý, tự cấu hình, tự tối ưu hóa
và tự có cơ chế bảo vệ… Điều này cần thiết để mạng có thể thích ứng với các lĩnh
vực ứng dụng khác nhau, mơi trường truyền thông khác nhau, và nhiều loại thiết bị
khác nhau.
- Dịch vụ thoả thuận: Dịch vụ này để có thể được cung cấp bằng cách thu thập,
giao tiếp và xử lý tự động các dữ liệu giữa các “Things” dựa trên các quy tắc được
thiết lập bởi người vận hành hoặc tùy chỉnh bởi các người dùng.
- Các khả năng dựa vào vị trí: Thơng tin liên lạc và các dịch vụ liên quan đến
một đối tượng sẽ phụ thuộc vào thơng tin vị trí của Things và người sử dụng. Hệ
thống IoT có thể biết và theo dõi vị trí một cách tự động. Các dịch vụ dựa trên vị trí
có thể bị hạn chế bởi luật pháp hay quy định, và phải tuân thủ các yêu cầu an ninh.


9
- Bảo mật: Trong IoT, nhiều “Things” được kết nối với nhau. Chình điều này
làm tăng mối nguy trong bảo mật, chẳng hạn như bí mật thơng tin bị tiết lộ, xác thực
sai, hay dữ liệu bị thay đổi hay làm giả…
- Bảo vệ tính riêng tư: Tất cả các “Things” đều có chủ sở hữu và người sử dụng
của nó. Dữ liệu thu thập được từ các “Things” có thể chứa thông tin cá nhân liên quan
chủ sở hữu hoặc người sử dụng nó. Các hệ thống IoT cần bảo vệ sự riêng tư trong
quá trình truyền dữ liệu, tập hợp, lưu trữ, khai thác và xử lý. Bảo vệ sự riêng tư không
nên thiết lập một rào cản đối với xác thực nguồ n dữ liệu.
Khả năng quản lý: Hệ thống IoT cần phải hỗ trợ tính năng quản lý các “Things”
để đảm bảo mạng hoạt động bình thường. Ứng dụng IoT thường làm việc tự động mà
không cần sự tham gia của con người. [5]
1.1.5 Những thách thức trong thiết kế và xây dựng hệ thống IoT
- Chưa có một ngơn ngữ chung: Để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau cần

có những giao thức riêng. Tuy nhiên, đối với các thiết bị của hệ thống IoT với rất
nhiều những thực thể khác nhau cần phải có một ngơn ngữ chung để những thực thể
này có thể giao tiếp được với nhau. Điều này là một thách thức rất lớn trong quá trình
triển khai và xây dựng hệ thống IoT.
Hàng rào subnetwork: Như đã nói ở trên, thay vì giao tiếp trực tiếp với nhau,
các thiết bị IoT hiện nay chủ yếu kết nối đến một máy chủ trung tâm do hãng sản xuất
một nhà phát triển nào đó quản lí. Tuy nhiên mỗi một mạng lưới như thế tạo thành
một subnetwork riêng, và việc giao tiếp giữa các thiết bị giữa các subnetwork thường
gặp rất nhiều khó khăn.
Một số trong những vấn đề nói trên chỉ đơn giản là vấn đề về kiến trúc mạng,
về kết nối mà các thiết bị sẽ liên lạc với nhau (Wifi, Bluetooth, NFC,...). Những thứ
này thì tương đối dễ khắc phục với công nghệ không dây ngày nay. Cịn với các vấn
đề về giao thức thì phức tạp hơn rất nhiều, đây chính là khó khăn lớn nhất và trực tiếp
trên còn đường phát triển của Internet of Things.
Có q nhiều "ngơn ngữ địa phương": Mỗi một loại thiết bị lại sử dụng một
ngôn ngữ riêng nên mục đích của IoT vẫn chưa đạt được hiệu quả đến mức tối đa.


10
Tiền và chi phí: Cách duy nhất để các thiết bị IoT có thể thật sự giao tiếp đó là
khi có một động lực kinh tế đủ mạnh khiến các nhà sản xuất đồng ý chia sẻ quyền
điều khiển cũng như dữ liệu mà các thiết bị của họ thu thập được
1.2 Một số ứng dụng của IoT
1.2.1 Ứng dụng trong lĩnh vực y tế
Thị trường cho các thiết bị theo dõi sức khỏe hiện đang được đặc trưng bởi các
giải pháp ứng dụng cụ thể và được tạo thành từ các kiến trúc đa dạng. Mối liên kết
giữa nhiều ứng dụng IoT trong giám sát sức khoẻ là:
- Ứng dụng yêu cầu thu thập dữ liệu từ cảm biến
- Ứng dụng phải hỗ trợ giao diện người dùng và hiển thị
- Các ứng dụng yêu cầu kết nối mạng để truy cập vào các dịch vụ hạ tầng

- Các ứng dụng có yêu cầu sử dụng như năng lượng thấp, sự chắc chắn, độ
bền, độ chính xác và độ tin cậy. [7], [8], [9].
Các ứng dụng của IoT đang thúc đẩy sự phát triển của các nền tảng để thực
hiện các hệ thống môi trường hỗ trợ cuộc sống (AAL- ambient assisted living) cung
cấp các dịch vụ hỗ trợ trong các lĩnh vực để tiến hành các hoạt động hàng ngày, giám
sát sức khoẻ và hoạt động, tăng cường an toàn và an ninh, tiếp cận với các hệ thống
y tế và cấp cứu, và tạo điều kiện hỗ trợ y tế nhanh chóng. Mục tiêu chính là nâng cao
chất lượng cuộc sống cho những người cần được hỗ trợ hoặc giám sát thường xuyên,
giảm bớt các rào cản trong việc theo dõi các thông số sức khoẻ quan trọng, tránh các
chi phí chăm sóc sức khoẻ khơng cần thiết và cung cấp sự hỗ trợ y tế kịp thời và chính
xác. [10]
1.2.2 Lĩnh vực sản xuất nơng nghiệp
Ứng dụng quan trọng nhất trong nông nghiệp thông minh là phân tích dữ liệu,
trực quan hóa và hệ thống hóa quản lý. Việc phân tích dữ liệu cảm biến sẽ thúc đẩy
tính minh bạch trong các quy trình nơng nghiệp, vì nơng dân có được những hiểu biết
q giá về hiệu suất của cánh đồng, nhà kính,… Khơng chỉ dừng lại ở đó, ở mơ hình
nơng nghiệp thơng minh, người nơng dân cịn có thể tham khảo tư vấn của hệ thống
AI, được xây dựng trên nền tảng kiến thức của các nhà khoa học. [11]


11

Hình 1.7 Theo dõi tình trạng sinh trưởng của cây trồng.
Các ứng dụng IoT phổ biến trong nông nghiệp thông minh có thể kể đến như:
- Các hệ thống dựa trên cảm biến để giám sát cây trồng, đất, đồng ruộng, chăn
nuôi, kho chứa, hoặc bất kỳ yếu tố quan trọng nào ảnh hưởng đến sản xuất.
- Xe nông nghiệp thông minh, máy bay không người lái, robot tự động và thiết
bị truyền động.
- Không gian sản xuất nông nghiệp kết nối như nhà kính thơng minh hoặc thủy
canh…

1.2.3 Smarthome
Smarthome là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được điều
khiển hoặc tự động hố hoặc bán tự động. Thay thế con người trong thực hiện một
hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển. Hệ thống điện tử này giao tiếp với người
dùng thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy
tính bảng hoặc một giao diện web. [12] [13]
Trên nền tảng IoT, hệ thống Smart Home cung cấp cho chủ nhà sự an toàn,
thoải mái, tiện lợi và tiết kiệm năng lượng bằng cách cho phép họ kiểm sốt các thiết
bị thơng minh bởi một ứng dụng smart home trên điện thoại smartphone hoặc các
thiết bị kết nối mạng khác. Một phần của mạng lưới vạn vật kết nối (Internet of
Things – IoT), các hệ thống và thiết bị nhà thông minh thường hoạt động cùng
nhau, chia sẻ dữ liệu người dùng và tự động hóa các hành động dựa trên quyền ưu
tiên của chủ nhà.
1.2.4 Lĩnh vực môi trường
Ứng dụng giám sát môi trường IoT thường sử dụng các cảm biến để bảo vệ
môi trường bằng cách theo dõi chất lượng khơng khí hoặc nước, điều kiện khí quyển


12
hay thậm chí bao gồm việc theo dõi di chuyển của những động vật hoang dã và môi
trường sống của chúng. Phát triển các thiết bị kết nối internet cũng như các ứng dụng
cho phép cảnh báo về thiên tai, sóng thần để có những phương án đối mặt hiệu quả.
IoT có thể được ứng dụng trong nhiều khía cạnh của môi trường.
1.3. Kết luận chương 1
Trong chương 1, tác giả đã trình bày tổng quan về cơng nghệ IoT: khái niệm,
đặc trưng, cách thành phần, yêu cầu và những thách thức trong thiết kế và xây dựng
hệ thống IoT. Qua đó, giới thiệu mơ hình ứng dụng cồng nghệ IoT trong một số lĩnh
vực như y tế, nông nghiệp, smarthome, môi trường để thể hiện tầm ảnh hưởng sâu
rộng của IoT trong đời sống hiện nay. Nội dung chương 1 cũng là tiền đề để tác giả
giới thiệu sâu hơn về kiến trúc hệ thống IoT trong chương 2 của luận văn.

13
Chương 2
KIẾN TRÚC HỆ THỐNG IoT
2.1 Tổng quan về kiến trúc hệ thống IoT
Kiến trúc IoT được đại diện cơ bản bởi 4 phần: Vạn vật (Things), trạm kết nối
(Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud) và các lớp tạo
và cung cấp dịch vụ (Services-creation and Solutions Layers). [5], [6]

Hình 2.1 Những thành phần trong hệ thống IoT
Vạn vật (Things): Ngày nay có hàng triệu thiết bị đang hiện hữu trên thị trường
gia dụng và công nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của người dùng. Chẳng hạn như xe
hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối trực tiếp
thông qua băng tầng mạng không dây và truy cập vào Internet. Giải pháp IoT giúp
các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ,
còn các thiết bị chưa thơng minh thì có thể kết nối được thơng qua các trạm kết nối .
Trạm kết nối (Gateways): Một rào cản chính khi triển khai IoT đó là gần 85%
các vật dụng đã khơng được thiết kế để có thể kết nối với Internet và không thể chia
sẻ dữ liệu với điện toán đám mây. Để khắc phục vấn đề này, các trạm kết nối sẽ đóng
vai trị là một trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện
toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý.