Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống quan trắc môi trường cho smart city

LỜI CẢM ƠN
Trước hết em xin được gửi lời tri ân sâu sắc nhất tới ThS. Lê Công Cường, người
đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt q trình hồn thành đồ
án tốt nghiệp này. Em cũng xin cảm ơn các thầy cô đang giảng dạy tại Đại học
Bách Khoa Hà Nội và khoa Tự động hóa, vì đã tạo cho em một mơi trường học tập
năng động, giúp em trang bị những kiến thức, kỹ năng cần thiết cho quá trình học
tâp và làm việc. Cuối cùng em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè,
những người đã đồng hành, quan tâm và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập
và hồn thành đồ án này. Vì thời gian và kiến thức của bản thân em còn nhiều hạn
chế nên trong đồ án không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Em rất mong nhận
được những ý kiến đóng góp chân thành của các thầy cơ.
Em xin chân thành cảm ơn!


TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN
Đồ án tốt nghiệp này tập trung vào thiết kế hệ thống quan trắc môi trường trong
Smart City. Vấn đề chính mà đồ án giải quyết là sự cần thiết của việc đo lường và
theo dõi chất lượng môi trường trong thành phố thông minh, từ đó cung cấp số liệu
này đến cư dân và những người quản lý, điều hành của thành phố. Trong đồ án
này, nhóm sử dụng các cảm biến phù hợp để thu thập dữ liệu các thơng số mơi
trường có nhiều ảnh hưởng đến con người bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, CO2, PM2.5,
UV. Các cảm biến này được tích hợp với vi điều khiển thành node cảm biến, sử
dụng 4G kết nối Internet và giao thức MQTT để truyền dữ liệu lên server. Đồng
thời đồ án sử dụng cơ sở dữ liệu để lưu trữ và thiết kế web để hiển thị dữ liệu quan
trắc một cách hiệu quả. Các kết quả này có thể được sử dụng để đánh giá chất
lượng môi trường, đưa ra cảnh báo và đề xuất các biện pháp cải thiện. Đồ án có
tính thực tế và ứng dụng cao trong các dự án Smart City, nó tạo ra cơ sở để mở
rộng và phát triển hệ thống quan trắc môi trường, bao gồm việc tích hợp cơng nghệ
IoT, phân tích dữ liệu và ứng dụng AI để đưa ra dự báo, giải pháp tối ưu cho vấn
đề môi trường trong Smart City.

Sinh viên thực hiện
Ký và ghi rõ họ tên


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ................................................................. 1
1.1

Đặt vấn đề .................................................................................................. 1

1.2

Các giải pháp hiện nay ............................................................................... 1
Trạm quan trắc môi trường ......................................................... 1
Sử dụng thiết bị đo chất lượng môi trường cầm tay ................... 2
Mạng cảm biến không dây .......................................................... 2

1.3

Lý do chọn đề tài ........................................................................................ 3

1.4

Phạm vi của đồ án ...................................................................................... 3

1.5

Nhiệm vụ của đồ án.................................................................................... 3

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................... 4

2.1

Tổng quan về Smart City ........................................................................... 4
Đặc điểm của Smart City ............................................................ 4
Cách Smart City hoạt động ......................................................... 5
Lợi ích của Smart City ................................................................ 6
Thách thức của Smart City.......................................................... 6

2.2

Công nghệ truyền thông 4G ....................................................................... 7
Lịch sử hình thành và phát triển.................................................. 8
Tổng quan về mạng 4G ............................................................. 11

2.3

Giao thức truyền thông MQTT ................................................................ 12
Lịch sử hình thành..................................................................... 13
Mơ hình publish/subscribe ........................................................ 13
Cơ chế hoạt động của MQTT theo mơ hình publish/subscribe 14
Các đặc trưng của giao thức ...................................................... 16
Định dạng của message ............................................................. 17
Bảo mật ..................................................................................... 23
MQTT bridge ............................................................................ 24
Các broker miễn phí nổi tiếng hiện nay .................................... 24

2.4

Giao thức truyền thông WebSocket ......................................................... 25
Socket là gì? .............................................................................. 25

Tổng quan về WebSocket ......................................................... 26

2.5

Phương pháp đo các thông số môi trường ............................................... 31
Đo nhiệt độ ................................................................................ 31


Đo độ ẩm ................................................................................... 32
Đo CO2 ...................................................................................... 34
Đo bụi ........................................................................................ 35
Đo UV ....................................................................................... 36
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................ 38
3.1

Tổng quan hệ thống .................................................................................. 38

3.2

Thiết kế node quan trắc môi trường ......................................................... 38
Lựa chọn linh kiện .................................................................... 39
Thiết sơ đồ nguyên lý ................................................................ 48

3.3

Thiết kế phần mềm cho node ................................................................... 51
Các công cụ và thư viện sử dụng .............................................. 51
Lập trình cho node .................................................................... 53

3.4

Thiết kế webserver ................................................................................... 62
Các công cụ và thư viện sử dụng .............................................. 62
Thiết kế server ........................................................................... 64
Thiết kế giao diện web .............................................................. 68

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................... 73
4.1

Kết quả đạt được ...................................................................................... 73
Mạch PCB của node .................................................................. 73
Giao diện web ........................................................................... 73
Đánh giá kết quả đo .................................................................. 76

4.2

Hướng phát triển của đồ án trong tương lai ............................................. 76

KẾT LUẬN ......................................................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 79


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Các loại message trong MQTT ............................................................. 17
Bảng 2.2 Giá trị của Remaining Length ............................................................. 20
Bảng 2.3 Bảng trạng thái của header thay đổi được trong các gói MQTT .......... 20
Bảng 2.4 Bảng trạng thái của Payload trong các gói tin MQTT .......................... 22
Bảng 2.5 Các Public Broker miễn phí.................................................................. 24
Bảng 2.6 Các Private Broker ................................................................................ 25
Bảng 2.7 Bảng các giá trị mã hóa của opcode ..................................................... 29

Bảng 3.1 Bảng tiêu thụ năng lượng các linh kiện trong node .............................. 46
Bảng 3.2 Các lệnh AT sử dụng trong chương trình ............................................. 55
Bảng 3.3 Khung dữ liệu của DHT11 ................................................................... 56


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Một trạm quan trắc mơi trường ở Hà Nội ............................................... 1
Hình 1.2 Thiết bị đo chất lượng mơi trường cầm tay............................................. 2
Hình 1.3 Mạng cảm biến quan trắc mơi trường ..................................................... 2
Hình 2.1 Các cơng nghệ được sử dụng trong Smart City ...................................... 5
Hình 2.2 Mơ hình 4 tầng của Smart City ............................................................... 5
Hình 2.3 Lợi ích của Smart City (nguồn MGI, TM forum) ................................... 6
Hình 2.4 Các lĩnh vực cần quản lý và phát triển trong Smart City ........................ 6
Hình 2.5 Mạng di động tế bào ................................................................................ 8
Hình 2.6 Quá trình chuyển giao giữa các radio cell ............................................... 8
Hình 2.7 Các thế hệ mạng di động hiện tại và tương lai ........................................ 8
Hình 2.8 Mơ hình publish/subscribe .................................................................... 13
Hình 2.9 Giao thức MQTT................................................................................... 14
Hình 2.10 Các thành phần trong MQTT .............................................................. 15
Hình 2.11 Quá trình tạo kết nối giữa client/server trong MQTT ......................... 16
Hình 2.12 Cấu trúc gói tin MQTT ....................................................................... 17
Hình 2.13 Q trình gửi và nhận các gói tin khi kết nối giữa client/server ......... 18
Hình 2.14 QoS mức 0........................................................................................... 18
Hình 2.15 QoS mức 1........................................................................................... 19
Hình 2.16 QoS mức 2........................................................................................... 19
Hình 2.17 Connect Flags bits ............................................................................... 21
Hình 2.18 MQTT Bridge...................................................................................... 24
Hình 2.19 Vị trí của socket mơ hình OSI và bộ giao thức mạng ......................... 26
Hình 2.20 Cách thức hoạt động của Websocket .................................................. 27
Hình 2.21 Client request ...................................................................................... 28

Hình 2.22 Server response ................................................................................... 28
Hình 2.23 Cấu trúc một frame được đưa ra trong RFC 6455 .............................. 29
Hình 2.24 Cấu trúc cảm biến SAW...................................................................... 32
Hình 2.25 Cấu tạo cảm biến độ ẩm điện dung ..................................................... 32
Hình 2.26 Cấu tạo cảm biến độ ẩm nhiệt dẫn ...................................................... 33
Hình 2.27 Cấu tạo cảm biến điện hóa đo CO2 ..................................................... 34
Hình 2.28 Cảm biến NDIR................................................................................... 35
Hình 2.29 Cấu tạo cảm biến bán dẫn oxit kim loại đo CO2 ................................. 35
Hình 3.1 Tổng quan hệ thống ............................................................................... 38
Hình 3.2 Sơ đồ khối của node .............................................................................. 38
Hình 3.3 Cảm biến DHT11 .................................................................................. 39
Hình 3.3.4: Cảm biến MQ135 .............................................................................. 40


Hình 3.5 Module cảm biến UV ML8511 ............................................................. 40
Hình 3.6 Module cảm biến ZH03B ...................................................................... 41
Hình 3.7 IC DS3231 ............................................................................................. 42
Hình 3.8 EEPROM AT24C32D ........................................................................... 42
Hình 3.9 Module SIM A7670 .............................................................................. 43
Hình 3.10 MCU STM32F103C8T6 ..................................................................... 44
Hình 3.11 Sơ đồ chân MCU STM32F103C8T6 .................................................. 45
Hình 3.12 Adapter 12V 2A .................................................................................. 47
Hình 3.13 IC LM2596 .......................................................................................... 47
Hình 3.14 AMS1117 ............................................................................................ 48
Hình 3.15 Mạch nguyên lý MCU ......................................................................... 48
Hình 3.16 Mạch nguyên lý DHT11 ..................................................................... 49
Hình 3.17 Mạch nguyên lý MQ135 ..................................................................... 49
Hình 3.18 Mạch nguyên lý ZH03B và ML8511 .................................................. 50
Hình 3.19 Mạch nguyên lý DS3231 ..................................................................... 50
Hình 3.20 Mạch nguyên lý SIM 7670 .................................................................. 51

Hình 3.21 Mạch nguyên lý nguồn ........................................................................ 51
Hình 3.22. MQTT WebSocket Client .................................................................. 53
Hình 3.23 Sơ đồ giao thức kết nối của các ngoại vi tới vi điều khiển trong node 53
Hình 3.24 Cấu hình các chân SMT32F103C8T6 ................................................. 54
Hình 3.25 Lưu đồ thuật tốn tổng quát của node ................................................. 54
Hình 3.26 Quá trình lấy dữ liệu từ cảm biến DHT11 .......................................... 56
Hình 3.27 Quá trình lấy dữ liệu từ cảm biến MQ135 .......................................... 57
Hình 3.28. Đồ thị đường đặc tính của nồng độ khí khí vào tỷ số Rs/R0 .............. 58
Hình 3.29 Đồ thị trích mẫu sự phụ thuộc của nồng độ khí CO2 vào tỷ số Rs/R0 . 58
Hình 3.30 Đồ thị sự phụ thuộc của Rs/R0 ở 100ppm vào nhiệt độ và độ ẩm ....... 58
Hình 3.31 Quá trình lấy dữ liệu từ module cảm biến ML8511 ........................... 59
Hình 3.32 Đồ thị sự phụ thuộc của cường độ tia UV vào điện áp đầu ra ............ 60
Hình 3.33 Quá trình lấy dữ liệu từ module cảm biến ZH03B ............................. 60
Hình 3.34 Quá trình đọc dữ liệu từ DS3231 ........................................................ 61
Hình 3.35 Các thanh ghi của DS3231 và chức năng của chúng .......................... 62
Hình 3.36 Các thư viện được sử dụng để xây dựng webserver ........................... 63
Hình 3.37 Cách thức hoạt động của localhost...................................................... 65
Hình 3.38 Cấu trúc thư mục của dự án ................................................................ 66
Hình 3.39 Server kết nối đến HiveMQ và MongoDB ......................................... 66
Hình 3.40 Server nhận và lưu dữ liệu vào MongoDB ......................................... 67
Hình 3.41 Các bảng dữ liệu trong MongoDB ...................................................... 67


Hình 3.42 Dữ liệu được lưu trong bảng ............................................................... 67
Hình 3.43 Client và server trao đổi dữ liệu qua giao thức WebSocket ................ 68
Hình 3.44 Các trang giao diện được hiển thị lên web .......................................... 69
Hình 3.45 Sơ đồ hoạt động của trang giám sát trên web ..................................... 69
Hình 3.46 Test dữ liệu được OpenWeatherMap trả về qua Postman .................. 70
Hình 3.47 Sơ đồ hoạt động của trang dự báo thời tiết ......................................... 71
Hình 3.48 Sơ đồ hoạt động của trang bản đồ ....................................................... 72

Hình 4.1 Demo mạch PCB node cảm biến .......................................................... 73
Hình 4.2 Giao diện trang giới thiệu ..................................................................... 74
Hình 4.3 Giao diện trang giám sát chất lượng mơi trường .................................. 74
Hình 4.4 Giao diện trang dự báo thời tiết ............................................................ 75
Hình 4.5 Giao diện bản đồ ................................................................................... 75
Hình 4.6 Dữ liệu trong file excel được xuất ra .................................................... 76


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, trong thời đại công nghệ phát triển, nhu cầu sinh sống và làm
việc của con người trong một môi trường hiện đại với nhiều tiện ích ngày một tăng
cao, chính vì thế Smart City đang trở thành một xu hướng phổ biến hiện nay. Một
trong các yếu tố quan trọng trong việc xây dựng một Smart City là việc ứng dụng
công nghệ vào quản lý và phát triển bền vững mơi trường, vì mơi trường có nhiều
ảnh hưởng đến sức khỏe và chất lượng cuộc sống của cư dân. Điều này càng cần
được coi trọng trong bối cảnh nhiều nơi trên thế giới đang chịu tác động mạnh mẽ
của biến đổi khí hậu.
Do đó việc xây dựng hệ thống quan trắc để đo lường, theo dõi và quản lý
chất lượng môi trường là rất cần thiết. Điều này sẽ giúp cung cấp dữ liệu liên tục,
đáng tin cậy một cách nhanh chóng và hiệu quả đến người dân và các nhà điều
hành, quản lý thành phố. Từ đó giúp họ đưa ra được các quyết định thông minh để
bảo vệ sức khỏe và các biện pháp cải thiện chất lượng môi trường.
1.2 Các giải pháp hiện nay
Hiện nay, việc quan trắc mơi trường trong các thành phố đã có nhiều giải
pháp được đưa ra và triển khai trên thực tế. Dưới đây là một số giải pháp quan trắc
môi trường phổ biến.
Trạm quan trắc môi trường
Các trạm quan trắc môi trường được đặt cố định tại các vị trí chiến lược
trong thành phố, thường thu thập dữ liệu chính xác trong thời gian dài. Dữ liệu sẽ

được truyền liên tục và trực tiếp về trung tâm quản lý. Ngoài ra, một số trang web
hiện nay như AccuWeather, IQAir… cũng lấy dữ liệu từ các trạm này trên thế giới
để cung cấp thông tin tới người dùng.
Tuy nhiên giải pháp này có nhược điểm là chi phí đầu tư lớn, khơng có tính
di động chỉ có thể giám sát được phạm vi nhất định xung quanh điểm đặt, khó có
thể phủ sóng tồn bộ thành phố.

Hình 1.1 Một trạm quan trắc môi trường ở Hà Nội
1


Sử dụng thiết bị đo chất lượng môi trường cầm tay
Thiết bị đo chất lượng môi trường cầm tay cho phép người dùng tự thu thập
dữ liệu chất lượng môi trường một cách dễ dàng và nhanh chóng. Người dùng có
thể di chuyển và đặt thiết bị ở bất cứ nơi nào trong thành phố để thu thập dữ liệu.
Tuy nhiên, giải pháp này vì là thiết bị cầm tay nên thường sẽ bị giới hạn về
số lượng cảm biến được tích hợp bên trong, nên sẽ cung cấp được ít thơng số mơi
trường hơn. Ngồi ra, nó bị giới hạn về khả năng thu thập dữ liệu trong quy mơ
lớn, khơng đảm bảo tính liên tục và đáng tin cậy của dữ liệu.

Hình 1.2 Thiết bị đo chất lượng môi trường cầm tay

Mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây cung cấp một giải pháp linh hoạt và tiết kiệm
chi phí cho quan trắc mơi trường trong các thành phố. Các node cảm biến khơng
dây có thể được triển khai ở nhiều vị trí, có tính di động cao và thu thập dữ liệu
theo thời gian thực.
Các node cảm biến này giao tiếp và truyền dữ liệu qua các giao thức truyền
thông không dây như Wifi, Bluetooth, Lora, 4G,… tạo thành một hệ thống quan
trắc phân tán. Dữ liệu từ các node cảm biến được gửi về một trung tâm quản lý để

xử lý và đánh giá chất lượng môi trường. Mạng cảm biến không dây giúp cung cấp
một hình ảnh tồn diện về chất lượng mơi trường trong thành phố và hỗ trợ quyết
định về quản lý mơi trường.

Hình 1.3 Mạng cảm biến quan trắc mơi trường
2


1.3 Lý do chọn đề tài
Nhóm chọn đề tài “Thiết kế hệ thống quan trắc mơi trường trong Smart
City” vì đây là đề tài có tính ứng dụng và thực tiễn cao, đề tài hứa hẹn mang lại
nhiều lợi ích và đóng góp quan trọng cho việc xây dựng một thành phố thơng minh
phát triển bền vững.
Ngồi ra đề tài giúp các thành viên trong nhóm áp dụng các kiến thức đã
được học trên trường. Cũng như học hỏi thêm được nhiều công nghệ và kiến thức
thức mới.
1.4 Phạm vi của đồ án
Phạm vi của đồ án này bao gồm:
- Đồ án tập trung vào việc triển khai hệ thống trong Smart City. Tuy nhiên hệ thống
cũng có thể triển khai trên phạm vi rộng hơn và trong nhiều lĩnh vực hơn.
- Hệ thống được thiết kế để quan trắc môi trường, bao gồm đo lường các yếu tố
gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người có trong mơi trường như nhiệt độ, độ ẩm,
CO2, PM2.5, UV và giám sát chúng.
- Hệ thống bao gồm các node cảm biến, kết nối Internet và các giao thức truyền
thông, cơ sở dữ liệu và webserver. Ngoài ra, hệ thống cũng được đánh giá về tính
ổn định, độ tin cậy và khả năng mở rộng.
1.5 Nhiệm vụ của đồ án
Nhiệm vụ của đồ án gồm các ý chính sau:
- Lựa chọn cảm biến và vi điều khiển, lập trình để đo các thơng số nhiệt độ, độ ẩm,
CO2, PM2.5 và UV.

- Thiết kế node cảm biến.
- Sử dụng 4G kết nối Internet và giao thức MQTT để truyền dữ liệu từ node lên
server.
- Xây dựng server.
- Sử dụng cơ sở dữ liệu để lưu trữ các kết quả được gửi từ node lên server.
- Thiết kế giao diện web để hiện thị các thông số thu được tới người dùng.

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Tổng quan về Smart City
Trong thời đại công nghệ phát triển như hiện nay, khái niệm Smart City thành phố thông minh đã không cịn xa lạ với chúng ta, nó đã trở thành một xu
hướng phát triển mới trên thế giới. Smart City là một khái niệm mô tả một thành
phố sử dụng công nghệ và dữ liệu để cải thiện chất lượng cuộc sống, vận hành hiệu
quả và quản lý tài nguyên một cách thông minh. Mục tiêu của Smart City là mang
đến sự bền vững, tiện lợi và an toàn cho cư dân thơng qua sự tích hợp và tối ưu
hóa các hệ thống, dịch vụ công cộng.
Đặc điểm của Smart City
Các yếu tố chính cần thiết tạo nên bộ khung của thành phố thơng minh tích
hợp có ảnh hưởng hai chiều và tác động lẫn nhau bao gồm:
- Quản lý tổ chức: chính quyền phải là chính quyền điện tử, sử dụng công nghệ
thông tin hiện đại.
- Kinh tế: nền kinh tế thơng minh, là động lực chính để xây dựng Smart City.
- Công nghệ: các dịch vụ và hạ tầng trọng yếu của Smart City được quản lý bởi
công nghệ điện tốn thơng minh.
- Hạ tầng cơng nghệ thơng tin truyền thông: ảnh hưởng đến chất lượng phát triển
Smart City.
- Cộng đồng dân cư: chủ thể chính của Smart City, là những cơng dân hiện đại, có
khả năng tham gia giám sát, thậm chí phối hợp hỗ trợ quản lý thành phố.

- Môi trường tự nhiên: cốt lõi của Smart City là ứng dụng công nghệ để phát triển
bền vững, quản lý tài nguyên thiên nhiên hiệu quả, cũng như chống chọi tốt với
các tác nhân gây nên biến đổi mơi trường.
Trong số đó, thực tế đã chứng minh công nghệ là một yếu tố ảnh hưởng
mạnh mẽ đến tất cả các yếu tố còn lại.
Smart City được xây dựng trên các nền tảng công nghệ hiện đại hiện này
như cơng nghệ thơng tin, IoT, điện tốn đám mây, cảm biến, data… nên có những
đặc điểm sau:
- Hạ tầng thông minh: Smart City đầu tư vào việc xây dựng hạ tầng công nghệ để
cung cấp dịch vụ công cộng hiệu quả hơn. Bao gồm các yếu tố như mạng lưới viễn
thông, hệ thống giao thông thông minh, hệ thống năng lượng thông minh và các
cơ sở hạ tầng công cộng khác.
- Tích hợp dữ liệu: Smart City thu thập dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau như cảm
biến, thiết bị di động và hệ thống quản lý. Dữ liệu này được tích hợp và phân tích
để cung cấp thơng tin hữu ích cũng như hỗ trợ quyết định cho các bộ phận quản lý
và cư dân.
- Quản lý tài nguyên thông minh: Smart City sử dụng công nghệ để quản lý tài
nguyên một cách thông minh. Điều này bao gồm việc tối ưu hóa sử dụng năng
lượng, quản lý nước, quản lý rác thải, và các nguồn tài nguyên khác. Quản lý tài
ngun thơng minh giúp giảm lãng phí và đảm bảo sự bền vững cho thành phố.
4


- Dịch vụ công cộng cải thiện: Smart City tạo ra các dịch vụ công cộng thông minh
nhằm cải thiện chất lượng cuộc sống của cư dân. Đây có thể là các dịch vụ như
giao thơng cơng cộng, chăm sóc sức khỏe, an ninh, quản lý rác thải và quản lý cấp
nước. Các dịch vụ này được cung cấp một cách thông minh và tiện lợi hơn nhờ sự
ứng dụng của cơng nghệ.

Hình 2.1 Các cơng nghệ được sử dụng trong Smart City

Cách Smart City hoạt động
Smart City tuân theo bốn bước để cải thiện chất lượng cuộc sống và cho
phép tăng trưởng kinh tế thông qua mạng lưới các thiết bị IoT được kết nối và các
công nghệ khác. Các bước này như sau:
- Thu thập: cảm biến thông minh thu thập dữ liệu thời gian thực.
- Phân tích: dữ liệu được phân tích để hiểu rõ hơn về hoạt động của các dịch vụ và
hoạt động của thành phố.
- Truyền thơng: kết quả phân tích dữ liệu được thông báo cho những người quản
lý của thành phố.
- Hành động: được thực hiện để cải thiện hoạt động, quản lý tài sản và nâng cao
chất lượng cuộc sống thành phố cho người dân.

Hình 2.2 Mơ hình 4 tầng của Smart City
5


Lợi ích của Smart City
Smart City mang đến nhiều lợi ích quan trọng cho cả cư dân và các cơ quan
quản lý thành phố, bao gồm:
- Cải thiện chất lượng cuộc sống: Smart City tạo ra một môi trường sống an lành
và thuận tiện cho cư dân. Các dịch vụ công cộng thông minh giúp giảm thời gian
di chuyển, tăng cường an ninh và cung cấp các dịch vụ chất lượng cao như chăm
sóc sức khỏe và giáo dục…
- Tăng cường sự kết nối: Smart City tạo ra sự kết nối giữa các cơ quan quản lý và
cư dân thông qua việc chia sẻ thông tin và tương tác trực tuyến. Điều này giúp cải
thiện quy trình quyết định và thúc đẩy sự tham gia của cộng đồng.
- Bền vững và tiết kiệm năng lượng: Smart City tối ưu hóa sử dụng năng lượng và
tài nguyên, giúp giảm lãng phí và tác động tiêu cực đến môi trường. Sử dụng các
công nghệ tiết kiệm và tái tạo năng lượng giúp giảm ô nhiễm môi trường.

- Tăng cường an ninh: Smart City sử dụng công nghệ và hệ thống giám sát để nâng
cao mức độ an ninh của thành phố. Các giải pháp như hệ thống giám sát môi
trường, hệ thống giao thông thông minh và giám sát an ninh công cộng giúp giảm
thiểu tội phạm và tăng cường sự an tồn cho cư dân.

Hình 2.3 Lợi ích của Smart City (nguồn MGI, TM forum)

Thách thức của Smart City

Hình 2.4 Các lĩnh vực cần quản lý và phát triển trong Smart City
6


Mặc dù Smart City mang lại nhiều tiện ích, nhưng cũng đối diện với một số
thách thức quan trọng như sau:
- Quản lý dữ liệu: số lượng dữ liệu khổng lồ được thu thập trong Smart City đòi
hỏi các cơ quan quản lý phải có khả năng quản lý, lưu trữ, xử lý và bảo mật dữ liệu
một cách hiệu quả. Đồng thời, việc đảm bảo quyền riêng tư và bảo mật thông tin
cũng là một thách thức lớn.
- Cơ sở hạ tầng: xây dựng hạ tầng công nghệ phức tạp và đầu tư lớn là một thách
thức đối với việc phát triển Smart City. Việc cung cấp kết nối mạng ổn định, hệ
thống năng lượng thông minh và hạ tầng giao thông là những yếu tố quan trọng
cần xem xét.
- Khả năng tương tác: tạo ra sự tương tác và tham gia của cư dân trong Smart City
đòi hỏi sự thông minh và tinh thần cộng đồng. Để thành công, Smart City cần tạo
điều kiện thuận lợi cho việc tương tác và tham gia của cư dân thông qua các ứng
dụng di động và các giao diện người dùng thân thiện.
2.2 Công nghệ truyền thông 4G
Mạng di động là một hệ thống giao tiếp không dây cho phép truyền tải thông
tin giữa các thiết bị di động như điện thoại di động, máy tính bảng và các thiết bị

kết nối Internet khác. Nó cho phép người dùng cũng như các thiết bị truy cập các
dịch vụ di động như cuộc gọi, tin nhắn văn bản, truyền dữ liệu, truy cập Internet…
từ bất kỳ đâu và bất kỳ lúc nào, miễn là có tín hiệu mạng di động.
Giống như các công nghệ truyền thông không dây khác, mạng di động sử
dụng sóng vơ tuyến để gửi thơng tin. Giống như đài có các dải tần số khác nhau để
bạn có thể điều chỉnh (ví dụ: điều chỉnh thành 101.1 có nghĩa là bạn nghe được tần
số 101,1 Mhz), các công nghệ truyền thơng khơng dây cũng có các dải tần số cụ
thể.
Nếu tất cả các giao tiếp không dây sử dụng cùng tần số, sẽ có rất nhiều
nhiễu và khơng thể truyền thơng rõ ràng. Do đó, FCC (Federal Communications
Commission) quy định các dải tần nào có thể được sử dụng bởi ai và các nhà mạng
di động đều có một băng tần cụ thể mà họ được phép hoạt động.
Tuy nhiên ngay cả với các băng tần được chỉ định riêng, các nhà mạng vẫn
cần xem xét can thiệp. Nếu một sóng của hai tháp di động gần nhau và hoạt động
trên cùng một tần số, tín hiệu của chúng sẽ gây nhiễu lẫn nhau và gây ra vấn đề
cho bất kỳ ai cố gắng sử dụng mạng trong khu vực đó.
Và để giải quyết vấn đề này thì các nhà khai thác mạng phân chia các khu
vực thành các tế bào (radio cell). Mỗi ơ có một tháp di động hoạt động ở tần số
khác với các tháp di động liền kề. Diện tích của mỗi tế bào phụ thuộc vào mật độ
sử dụng. Khi người dùng di chuyển giữa các tế bào, tần số của họ sẽ tự động thay
đổi để chuyển sang các tháp di động mới.

7


Hình 2.5 Mạng di động tế bào

Hình 2.6 Quá trình chuyển giao giữa các radio cell

Lịch sử hình thành và phát triển

Cho đến hiện nay, công nghệ mạng di động đã có những bước phát triển
mạnh mẽ từ 1G, 2G, 3G, 4G và gần đây nhất là 5G (“G” là viết tắt của Generation).
Ở mỗi thời kỳ, mạng di động sẽ có những tiêu chuẩn và cơng nghệ khác
nhau. Và tất nhiên, thế hệ sau luôn được kế thừa những điểm mạnh và phát triển
thêm các công nghệ mới để nâng cao chất lượng và tiện ích của mạng di động.

Hình 2.7 Các thế hệ mạng di động hiện tại và tương lai

❖ Mạng di động 1G
Mạng di động 1G ra đời vào những năm 1980, sử dụng công nghệ Analog
8


và chỉ hỗ trợ dịch vụ thoại. Vì là thế hệ mạng đầu tiên nên khi triển khai có rất
nhiều khuyết điểm như chất lượng thoại thấp, thường xuyên bị ngắt cuộc gọi, dung
lượng pin kém, kích thước thiết bị to (do tích hợp cùng lúc 2 module thu phát tín
hiệu) và khơng hỗ trợ bảo mật.
Tốc độ mạng di động 1G không thực sự được đo bằng tốc độ truyền dữ liệu,
mà thay vào đó được đo bằng khả năng truyền giọng nói giữa các điện thoại di
động. Tuy nhiên tốc độ lý thuyết của nó là 2.4 Kbps.
Các mạng 1G đầu tiên, chẳng hạn như mạng NMT (Nordic Mobile
Telephone) chuẩn dành cho các nước Bắc Âu và Nga, AMPS (Advanced Mobile
Phone System) tại Hoa Kỳ…
❖ Mạng di động 2G
Mạng di động 2G xuất hiện vào đầu năm 1991, chuyển từ công nghệ Analog
sang Digital. Những cải tiến của mạng 2G so với 1G là:
- Chất lượng cuộc gọi tốt hơn, hỗ trợ nhiều người dùng cùng lúc trên mỗi dải tần
hoạt động.
- Bảo mật hơn vì cho phép người dùng gọi thoại với tín hiệu đã được mã hóa dưới
dạng tín hiệu kỹ thuật số (dạng nhị phân 0 và 1).

- Hỗ trợ dịch vụ nhắn tin SMS và nhắn tin đa phương tiện MMS.
- Các thiết bị cũng được thiết kế nhỏ đi rất nhiều do tín hiệu mạng đã được chuyển
từ Analog sang Digital.
- Tốc độ mạng 2G ban đầu đạt khoảng 50 Kbps rất cao ở thời điểm đó.
Giai đoạn này chứng kiến sự xuất hiện của các chuẩn mạng như GSM
(Global System for Mobile Communications) và CDMA (Code Division Multiple
Access).
Ở thế hệ mạng 2G này có 2 phiên bản cải tiến là mạng 2.5G và mạng 2.75G.
Cụ thể như sau:
- Mạng 2.5G (GPRS) được ra mắt vào năm 2000, đây là phiên bản mạng đã được
cải tiến nâng cao chất lượng cuộc gọi, bên cạnh đó, việc kết nối Internet trên thiết
bị di động cũng bắt đầu được hình thành. Tốc độ mạng tối đa của mạng 2.5G là 50
Kbps nên việc truy cập Internet là tương đối khó khăn.
- Mạng 2.75G (EDGE) được ra mắt vào năm 2003, phiên bản này thì chất lượng
mạng đã được cải tiến tốt hơn khá nhiều so với mạng GPRS. Tốc độ mạng có thể
đạt 1 Mbps.
Ở Việt Nam chúng ta thì Mobifone là nhà mạng di động đầu tiên (nó chính
thức hoạt động vào ngày 16 tháng 4 năm 1993). Tuy nhiên VinaPhone mới là nhà
mạng đầu tiên phủ sóng 2G tồn quốc vào năm 1998.
❖ Mạng di động 3G
Mạng di động 3G được được giới thiệu năm 1998 và được thương mại hóa
vào đầu những năm 2000, mở đầu cho mạng di động băng thông rộng với tốc độ
truyền dữ liệu cao hơn. Mạng 3G có các cải tiến so với các thế hệ trước là:
- Chất lượng cuộc gọi tốt hơn.
9


- Cho phép truyền tải dữ liệu nhanh hơn. Với các chuẩn 3G như W-CDMA,
CDMA2000, TD-CDMA, TD-SCDMA cung cấp tốc độ đạt từ 384 Kbps đến 2
Mbps.

- Mở ra khả năng truyền tải dữ liệu đa phương tiện trên các thiết bị di động. Người
dùng có thể thực hiện cuộc gọi video, xem video trực tuyến, gửi và nhận email,
truy cập vào các trang web, thậm chí chơi game trực tuyến trên điện thoại di động.
- Dung lượng mạng lớn hơn, cho phép nhiều người dùng kết nối cùng một lúc mà
không ảnh hưởng đến tốc độ truyền tải dữ liệu.
- Hỗ trợ chuyển vùng quốc tế.
Mạng 3G cịn có 2 phiên bản cải tiến trung gian trong quá trình phát triển
lên 4G là:
- Mạng 3.5G - HSPA (High-Speed Packet Access), nó được kết hợp từ 2 cơng nghệ
kết nối không dây hiện đại HSPA và HSUPA, cho phép tốc độ truyền dẫn lên đến
7.2 Mbps.
- Mạng 3.75G - HSPA+ (Evolved High-Speed Packet Access), HSPA+ cung cấp
tốc độ truyền dữ liệu cao hơn so với HSPA, đạt được tốc độ tải xuống lên đến
khoảng 42 Mbps và tốc độ tải lên đến khoảng 11 Mbps.
Mạng 3G được phủ sóng ở Việt Nam vào năm 2009 bởi VinaPhone ở 13
tỉnh và thành phố.
❖ Mạng di động 4G
Mạng di động 4G được triển khai vào những năm 2010 đem lại tốc độ truyền
dữ liệu nhanh hơn rất nhiều so với 3G. Và đến nay nó vẫn đang vẫn rất phổ biến ở
thời điểm hiện tại (thời điểm năm 2023). Dưới đây là những ưu điểm nổi bật nhất
của mạng 4G so với các thế hệ trước:
- Sử dụng các công nghệ LTE (Long-Term Evolution) và WiMAX (Worldwide
Interoperability for Microwave Access) đem lại tốc độ lý thuyết đạt tới 1 Gbps và
100 Mbps khi di động.
- Công suất và hiệu suất hoạt động của mạng di động 4G cực kỳ cao khi một trạm
phát 4G có thể phục vụ cùng lúc khoảng 300 - 400 người dùng. Mạng 4G hỗ trợ
các chương trình mã hóa nhanh hơn, nén được nhiều dữ liệu bit hơn so với mạng
3G.
- Nhờ tốc độ truyền dữ liệu cao nên mạng 4G hỗ trợ các phần mềm chạy mượt hơn,
người dùng được xem video chất lượng cao Full HD và 4K.

Việt Nam là nước triển khai mạng 4G khá chậm, đến tận năm 2017 thì
chúng ta mới phủ sóng tồn quốc mạng 4G. Tuy hơi chậm một chút nhưng bù lại,
tốc độ mạng ở Việt Nam rất tốt (ở mức 21.49 Mbps), đứng thứ 2 Đông Nam Á, chỉ
xếp sau Singapore.
❖ Mạng di động 5G
Mạng di động 5G đã được phát triển và triển khai từ năm 2019, hiện đang
được thử nghiệm ở một số nơi trên thế giới và mang đến những cải tiến đáng kể so
với 4G. Hiện 5G tại Việt Nam vẫn đang được các nhà mạng Viettel, VNPT,
10


Mobifone thử nghiệm tại 40 tỉnh thành.
Mạng 5G hứa hẹn rất nhiều cải tiến như tốc độ nhanh hơn, mật độ kết nối
cao hơn, độ trễ thấp hơn và tiết kiệm năng lượng. Tốc độ lý thuyết của mạng 5G
đạt tới 20 Gbps. Hỗ trợ mạnh mẽ cho các ứng dựng như tự động lái, thực tế ảo,
truyền hình Ultra HD và Internet of Things (IoT)…
Tuy nhiên hiện nay phần lớn các thiết bị di động chưa sử dụng hết băng
thơng của mạng 4G vì thế mạng 5G vẫn sẽ cịn nhiều trì hỗn trước khi có thể triển
khai trên tồn thế giới. Nhưng với các dự đốn tăng trưởng của mạng di động thì
cũng khơng phải q sớm khi các nước trên thế giới, các tập đoàn đa quốc gia đang
chuẩn bị cho cuộc đua 6G.
❖ Mạng di động 6G
Trong khi tốc độ mạng 5G đạt tới 20 Gbps, thì mạng 6G hướng tới tốc độ
Tbps nhanh hơn cỡ vài trăm đến vài nghìn lần mạng 5G. Tuy nhiên, mục tiêu của
mạng 6G không phải chỉ ở tốc độ, mà còn nhằm giải quyết các vấn đề còn tồn tại
của mạng 5G và hướng tới giải quyết các yêu cầu của tương lai.
Mục tiêu của mạng 5G là gắn kết tất cả các lĩnh vực kinh tế - xã hội, nhằm
xây dựng hệ sinh thái thông tin mà trung tâm là người dùng. Nhưng do hạn chế về
công nghệ, mạng 5G vẫn cịn nhiều giới hạn về truyền thơng như độ cao, độ sâu,
độ rộng. Mặc dù được coi là mạng của IoT, nhưng mạng 5G vẫn còn khoảng cách

khá xa để đạt được tính phổ quát khắp nơi. Về không gian truyền thông, mạng 5G
hạn chế truyền thông trong độ cao cỡ vài nghìn mét so với mặt đất và ở độ sâu
dưới mặt đất, mặt biển.
Mục tiêu của mạng 6G là giải quyết các hạn chế của mạng 5G, hướng tới
khả năng kết nối không gian - khí quyển - mặt đất - dưới biển. Bốn định hướng
chính về kết nối đang được nghiên cứu là:
- Kết nối thông minh.
- Kết nối sâu.
- Kết nối không đồng nhất.
- Kết nối rộng khắp.
Hiện đang có khá nhiều cơng nghệ tiềm năng, kể cả các công nghệ của
tương lai được xem xét đưa vào mạng 6G như truyền thông không dây quang,
truyền thông lượng tử, thiết bị bay không người lái, vệ tinh tầng thấp… các cơng
nghệ như trí tuệ nhân tạo (AI), phân tích dữ liệu lớn cũng được đưa vào hỗ trợ
mạng 6G nhằm đảm bảo các mục tiêu về chất lượng mạng (QoS - Quality of
Services).
Mạng 6G hứa hẹn sẽ số hóa và kết nối tồn thế giới.
Tổng quan về mạng 4G
4G là thế hệ mạng tiếp theo của 3G, được IEEE đặt ra nhằm phân biệt với
các chuẩn mạng trước đó (1G/2G/3G). Những tiêu chuẩn cơ bản nhất của mạng
4G được ITU-R chính thức thiết lập vào 3/2008, được gọi tên là IMT-Advanced
(International Mobile Telecommunications-Advanced).
11


Hiện nay, 4G có 2 chuẩn mạng cho tốc độ truyền tải dữ liệu cao là:
- LTE: là tiêu chuẩn cho giao tiếp không dây tốc độ cao thường được sử dụng trong
các kết nối 4G. Nó sử dụng kỹ thuật OFDMA (Orthogonal Frequency Division
Multiple Access) và MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) để cung cấp tốc độ
truyền dẫn dữ liệu cao, hiệu suất tốt và trải nghiệm người dùng cải thiện. LTE được

sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới và là một trong những công nghệ di động phổ
biến nhất hiện nay.
- WiMAX: là một tiêu chuẩn và công nghệ không dây dựa trên chuẩn IEEE 802.16
tương tự như Wifi. Tuy nhiên, điểm khác biệt là WiMAX có thể bao phủ khoảng
cách rộng lớn hơn Wifi rất nhiều lần. Nó sử dụng kỹ thuật OFDMA để cung cấp
truyền dẫn dữ liệu di động và không dây với tốc độ cao. WiMAX ban đầu được
xem như một đối thủ tiềm năng của LTE trong việc cung cấp dịch vụ truyền dẫn
dữ liệu di động, nhưng về sau đã mất thị phần do sự phát triển mạnh mẽ của LTE.
Cách thức hoạt động của 4G có thể hiểu ở cấp độ cơ bản nhất là kết nối 4G
hoạt động thông qua anten truyền qua tần số vô tuyến, cho phép các thiết bị di
động kết nối với mạng di động.
Khả năng truyền và nhận của 4G được hỗ trợ bởi các công nghệ MIMO và
OFDM. Chúng cho phép 4G nhiều dung lượng và băng thông hơn so với
3G. OFDM cung cấp tốc độ cao hơn các cơng nghệ chính hỗ trợ 3G, bao gồm công
nghệ TDMA và CDMA. Với MIMO, 4G giảm tắc nghẽn mạng so với 3G, vì thế
có thể hỗ trợ nhiều người dùng hơn.
4G cũng là một tiêu chuẩn dựa trên all-IP cho cả truyền thoại và truyền dữ
liệu, khác với 3G chỉ sử dụng IP cho dữ liệu, trong khi cho phép thoại với mạng
chuyển mạch kênh. Là một mạng toàn IP, 4G giúp các nhà cung cấp mạng di động
vận hành và tối ưu hóa hiệu quả hơn so với việc quản lý các công nghệ mạng khác
nhau cho thoại và dữ liệu.
Ưu điểm của 4G là:
- 4G cung cấp tính di động. Vì là kết nối khơng dây nên chúng ta có thể truy cập
Internet mọi lúc, mọi nơi.
- Hiện nay giá cước dịch vụ 4G đã rẻ hơn nhiều so với trước đây. Do đó, nó cung
cấp Internet tốc độ cao với chi phí thấp hơn cho các ứng dụng của cuộc sống.
- Ngày nay, mọi thứ đều được lưu trữ trực tuyến và do đó, người dùng yêu cầu kết
nối Internet cao để hoạt động với các dịch vụ đám mây và điều đó có thể thực hiện
được với kết nối 4G.
Nhược điểm của 4G là:

- Nó phụ thuộc vào tín hiệu mạng, nếu tín hiệu yếu đi thì trải nghiệm các dịch vụ
sẽ chậm và không ổn định.
- Tiêu thụ nhiều năng lượng.
2.3 Giao thức truyền thông MQTT
MQTT (Message Queueing Telemetry Transport) là một giao thức mạng
kích thước nhỏ, hoạt động theo cơ chế publish/subscribe (mơ hình này đã được
12