Tìm hiểu Internet of Things và mạng cảm biến không dây

Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

1. Lịch sử phát triển.

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

A. Internet of things.

a. Sơ khai.
Cụm từ “Internet of Things - IoT” được đưa ra bởi các nhà sáng lập của MIT AutoID Center đầu tiên, với sự tuyên dương đặc biệt tới Kevin Ashton 1999 và David L.Brock
2001. Thuật ngữ Auto-ID chỉ tới bất kỳ một lớp rộng của các kỹ thuật xác minh sử dụng
trong công nghiệp để tự động hóa, giảm các lỗi và tăng hiệu năng. Các kỹ thuật đó bao
gồm các mã vạch, thẻ thông minh, cảm biến, nhận dạng tiếng nói, và sinh trắc học.
Nhưng từ năm 2003 Kỹ thuật Auto-ID trong các hoạt động chính là Radio Frequency
Identification – RFID.
Đỉnh cao của Auto-ID Center là vào tháng 9-2003, khi hội nghị chuyên đề điều
hành EPC (Electronic Product Code) tổ chức tại Chicago (Illinois, Mỹ) đánh dấu sự xuất
hiện chính thức của hệ thống Mạng EPC – một cơ sở hạ tầng kỹ thuật mở cho phép các
máy tính tự động xác định các vật thể nhân tạo và theo dõi chúng khi chúng đi từ nhà
máy tới trung tâm phân phối để lưu trữ trên các giá. Hội nghị được hỗ trợ bởi nhieuef
công ty lớn trên thế giới – đại diện cho thực phẩm, hàng hóa tiêu dùng, công nghiệp bán
lẻ, vận tải và dược phẩm, trong số nhiều đại diện khác – sự nổi bật của RFID cho thấy nó
sẽ trở thành chìa khóa cho phép các kỹ thuật để phát triển kinh tế trong 55 năm tới.
Xem xét hội nghị trong các giai đoạn lịch sử, Kevin Ashton đã dự đoán sự thay đổi từ
máy tính xử lý thông tin sang máy tính có cảm nhận.
Mục đích của Phòng Lab Auto-ID là phát triển một mạng lưới kết nối các máy tính
với các vật thể - không chỉ phần cứng hay phần mềm để vận hành mạng, mà thật sự là
mọi thứ cần để tạo ra Internet of Things, bao gồm phần cứng phù hợp, phần mềm
mạng, các giao thức, và các ngôn ngữ mô tả các đối tượng theo các cách máy tính có thể
hiểu được. Lưu ý rằng Auto-ID Labs không tìm cách tạo ra mạng toàn cầu khác mà xây
dựng các thành phần xây dựng đỉnh cao của Internet.

b. Từ ý tưởng tới thực tiễn.

Giữa rất nhiều bài báo được quan tâm về IoT, nổi bật các mối quan tâm về sự bắt
đầu của một kỷ nguyên mới cho thương mại và công nghiệp. IoT được xem xét khi RFID
1|Page


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

được mở rộng giới hạn. Nhưng cụm từ Internet of Things lúc này mới chỉ ra tầm nhìn về
máy móc trong tương lai: thế kỷ 19, các máy móc học để làm, trong thế kỷ 20, chúng
học để nghĩ và trong thế kỷ 21, chúng có thể cảm giác và phản ứng lại.
- The Internet of Things – Sean Dodson 09/10/2003.
- Toward a Global Internet of Things – Steve Meloan, Sun Microsystems
11/11/2003.
- A Machine-to-machine Internet of Things – Business Week 26/04/2004.
- The Internet of Things – Neil Gershenfeld, Raffi Krikorian, Danny Cohen –
Scientific American Magazine 10/2004.
- The Internet of Things: Start-ups jump into next big thing: tiny networked chips
- Robert Weisman, The Boston Globe 25/10/2004.
Khái niệm Internet of Things trở nên rõ ràng vào năm 2005 khi International
Telecommunications Union – ITU công bố bản báo cáo đầu tiên về chủ đề này. Báo cáo
nêu: IoT sẽ kết nối các vật thể theo cả 2 cách thông minh và có cảm nhận thông qua sự
phát triển kỹ thuật liên kết trong nhận biết thông tin (theo các vật thể), các cảm biến và
mạng cảm biến không dây (cảm nhận vật thể), các hệ thống nhúng (suy nghĩ về vật thể)
và công nghệ nano (thu nhỏ vật thể). Trong báo cáo ITU cũng xác định các thử thách
quan trọng cần giải quyết để khai thác hết tiềm năng của IoT – tiêu chuẩn hóa và sự kết

hợp, bảo mật, và các vấn đề đạo đức – xã hội.

c. Sự phát triển.

Ngày nay với khoảng 1,5 tỷ máy tính kết nối Internet và trên 1 tỷ điện thoại có kết
nối Internet. Sư hiện diện “Internet of PCs” sẽ được chuyển sang IoT trong đó 50-100 tỷ
thiết bị kết nối Internet trong năm 2020. Một vài nghiên cứu còn chỉ ra trong cùng năm
đó, số lượng máy móc di động sẽ tăng gấp 30 lần các thiết bị di dộng con người đang sử
dụng. Nếu không chỉ xem xét các kết nôi máy-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. Trong một lý thuyết mới, các vật
thể được kết nối là quá nhiều đến mức có thể xóa nhà ranh giới giữa mảnh và nguyên
tử. Một vài tác giả tạo ra các khái niệm mới để hiểu rõ hơn lý thuyết IoT. VD: “blogjects”
để mô tả vật thể blog, “sprimes” để chỉ nhận thức vị trí, nhận thức môi trường, tự ghi
2|Page


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

log, tự tạo tài liệu, các vật thể duy nhất mà cung cấp nhiều dữ liệu về bản thân chúng và
môi trường của chúng, “informational shadows” để chỉ các vật thể được kết nối,

d. Triển vọng tương lai.

e. Triển vọng.
Triển vọng nghiên cứu.
Các Lab Auto-ID thuộc 7 viện nghiên cứu trên 4 lục địa khác nhau đã phát triển
các kỹ thuật mới như RFID và WSNs để cách mạng hóa thương mại toàn cầu và làm gia
tăng các lợi ích tiêu dùng chưa thực hiện được.

- Ba phòng thí nghiệm – ĐH St.Gallen, ETH Zurich và MIT tổ chức tại Zurich năm
2008 là hội nghị IoT đầu tiên đã mang đến các hướng đi cho các nhà hoạt động và các
nhà nghiên cứu từ cả các học viện và trong công nghiệp để tạo điều kiện chia sẻ các ứng
dụng, các kết quả nghiên cứu và các tri thức cơ sở.

3|Page


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

- Hội nghị tại Tokyo cuối năm 2010 xung quang chủ để “IoT for a Green Planet” –
đã thảo luận các yêu cầu kỹ thuật và các thử thách trong công việc để xác định các thử
thách xã hội ngày nay với công nghệ IoT: hệ thống theo dõi sức khỏe hỗ trợ xã hội hóa,
lan truyền nhận thức về môi trường để giúp dự đoán các thảm họa tự nhiên và phản
ứng phù hợp, theo dõi và chỉ đường để giúp giảm tắc nghẽn giao thông, tạo ra các thông
tin sống để cải thiện chu trình, độ trong suốt của vận tải với việc giảm khí Cacbon, và
nhiều tri thức về các quá trình khác nhau để nâng cao khả năng tối ưu.
- Một nghiên cứu tiến bộ khác được đưa ra bởi Hewlett-Packard sẽ thực hiện
trong 10 năm, một hệ thống thần kinh cho Trái đất, để gắn 1000 tỷ cảm biến cỡ đinh
ghim quanh địa cầu. Bằng cách kết hợp thiết bị điện và công nghệ nano, các chuyên gia
và nhà nghiên cứu đã phát triển các cảm biến “bụi thông minh” với độ nhạy hơn 1000
lần các công nghệ phát hiện chuyển động hiện tại. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm các
công trình có quản lý sử dụng năng lượng, các cây cầu có cảm giác chuyển động và độ
mỏi của kim loại, các ô tô theo dõi tình hình giao thông và báo cáo hố ga, và các thuyền
rau quả biết cảnh báo người bán khi quả chín và bắt đầu hỏng.
- Ở Trung Quốc, nghiên cứu trong lĩnh vực IoT được xem là rất cần thiết để phát
triển kinh tế và bắt kịp các nước phát triển. Từ năm 2006, các viện nghien cứu đã tập
trung vào các kế hoạch dài hạn với sự hỗ trợ lớn từ Chính phủ: phát triển nền tảng mạng

cảm biến không dây với đặc điểm có trí thông minh bao gồm các node mạng cảm biến
không dây, lưu trữ dữ liệu và thiết bị đầu cuối truy cập dữ liệu từ xa.
- Một khởi đầu hứa hẹn vượt qua các giới hạn của trí tưởng tượng, sức sáng tạo
và sự táo bạo với IoT. Các cường quốc US, Liên minh các nước Châu Âu, TQ, Nhật bản đã
sớm đầu tư và phát triển IoT để nâng cao mọi mặt đặc biệt là kinh tế, công nghiệp.
Triển vọng trong công nghiệp.
- Violet’s Nabaztag 2005 – một chú thỏ có thể chuyển bất kỳ thông tin xung
quanh qua ánh sáng và âm thanh thành thông tin dạng ngôn ngữ nói.

4|Page


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

- ZeroG Wireless 2006 – một lý thuyết mới về kết nối Không dây với chi phí thấp,
các chip kích thước nhỏ nhúng vào trong bất kỳ hệ thống điện tiêu dùng, các thiết bị
năng lượng, nhà, thiết bị điều khiển, các cảm biến y học và mạng cảm biến, và T2TIT –
giải phát phần mềm cho phép bảo mật và kết nối giữa các vật thể.
- Arduino 2008 nền tảng tạo mẫu điện tử mã nguồn mở cho các nghệ sĩ, nhà
thiết kế và bất kỳ người không chuyên nào thích sáng tạo các vật thể hoặc các môi
trường có tương tác.
- Alcatel – Lucent’s Touchatag 2008, dịch vụ ứng dụng cho các nhà phát triển và
kinh doanh ứng dụng, bằng cách sử dụng RFID, Near Field Communication (NFC) và công
nghệ mã vạch 2D cung cấp cho người sử dụng cách sử dụng nhanh và đơn giản truy cập,
giữa mọi thứ, thông tin, đăng ký, giấy phép và chi trả.
- Arrayent’s Internet-Connect System 2009, một hệ thống truyền thông chìa
khóa trao tay cho phép các công ty kết nối các sản phẩm của họ tới Smartphone và máy
tính thông qua Internet.

- Usman Haque’s Pachube 2009 một dịch vụ cho phép người dùng gắn và chia sẻ
dữ liệu cảm biến thời gian thực từ các vật thể, thiết bị, công trình và môi trường quanh
chúng ta.
- Haier’s Internet of Things refrigerator: thiết bị giữ lạnh lưu trữ thực phẩm và
có kết nối Internet để quản lý thực phẩm và có thể kết nối tới siêu thị.

2. Các ứng dụng của IoT.

- Thành phố thông minh – Smart Cities.
+ Công viên thông minh: giám sát không gian đỗ xe của thành phố.
+ Kiểm tra xây dựng: giám sát các rung động và các điều kiện vật chất trong các
tòa nhà, cầu và công trình lịch sử.
+ Bản đồ tiếng ồn thành phố: giám sát âm thanh trong các phạm vi quán ba và
các khu trung tâm theo thời gian thực.
+ Tắc nghẽn giao thông: giám sát các phương tiện và mức độ người đi bộ để tối
ưu việc lái xe và đi lại.
+ Chiếu sáng thông minh: chiếu sáng thông minh và tương ứng với thời tiết trong
hệ thống đèn đường.

5|Page


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

+ Quản lý chất thải: phát hiện mức độ rác thải trong các container để tối ưu
đường đi thu lượm rác.
+ Hệ thống vận tải thông minh: các tuyến đường và cao tốc thông minh với các
thông điệp cảnh báo và các điều chỉnh theo điều kiện thời tiết và các sự kiện không

mong muốn như tai nạn, tắc đường.
- Môi trường thông minh – Smart Environment.
+ Phát hiện cháy rừng: giám sát khí gas đốt cháy và các điều kiện cảnh báo cháy
rừng để đưa ra vùng cảnh báo.
+ Ô nhiễm không khí: điều khiển khí C02 thải ra từ các nhà máy, các khí gây ô
nhiễm từ phương tiện và khí độc trong các nông trại.
+ Phòng ngừa lũ quét và lở đất: giám sát độ ẩm đất, các rung chấn và mật độ đất
để phát hiện các mối nguy hiểm theo điều kiện đất.
+ Phát hiện sớm động đất: phân bố giám sát ở các vùng đặc biệt có rung chấn.
- Nước thông minh – Smart Water.
+ Chất lượng nước: nghiên cứu về sự thích hợp của nước trên các sông, vùng
biển đối với hệ động vật và tiêu chuẩn nước để sử dụng.
+ Rò rỉ nước: phát hiện chất lỏng bên ngoài các két và các biến động áp suất bên
trong các đường ống.
+ Lũ trên các con sông: giám sát biến động mực nước trên các sông, đập và
nguồn nước.
- Đo lường thông minh – Smart Metering.
+ Mạng lưới thông minh: giám sát và quản lý tình hình tiêu thụ năng lượng.
+ Tính hình các bể chứa: giám sát mức nước, dầu, khí ga trong các két và bể chứ.
+ Cài đặt hệ thống quan điện: giám sát và tối ưu hiệu quả của các thiết bị năng
lượng mặt trời.
+ Lưu lượng nước: đo lường áp suất nước trong các hệ thống dẫn nước.
+ Tính toán trữ lượng hàng: đo lượng mức độ còn và khối lượng hàng hóa.
- Bảo mật và tình trạng khẩn cấp – Security and Emergencies.
+ Kiểm soát vùng hạn chế truy nhập: điều khiển truy nhập tới các vùng hạn chế và
phát hiện người không phận sự.
+ Sự có mặt của chất lỏng: phát hiện chất lỏng trong các trung tâm dữ liệu, kho
dữ liệu và vị trí xây dựng nhạy cảm để chống sự hỏng hóc và ăn mòn.

6|Page

Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

+ Mức bức xạ: phân phối đo lường phạm vi bức xạ xung quanh các khu năng
lượng hạt nhân để cảnh báo rò rỉ kịp thời.
+ Các khí nguy hiểm và nổ khí: phát hiện mức độ khí gas và rò rỉ trong các môi
trường công nghiệp, xung quanh các nhà máy hóa chất và trong các mỏ.
- Bán lẻ - Retail:
+ Điều khiển băng chuyền: giám sát các điều kiện lưu trữ trong các dây chuyền và
theo dõi sản phẩm cho mục đích giám sát.
+ Thanh toán NFC: quá trình chi trả dựa trên vị trí hoặc khoảng thời gian hoạt
động để chuyên chở công cộng, thể thao, các công viên chủ đề…
+ Các ứng dụng mua sắm thông minh: đưa ra lời khuyên tại các thời điểm bán
theo thói quen khách hàng, sở thích, các thành phần gây phản cảm với người mua hoặc
hạn sử dụng.
+ Quản lý sản phẩm thông minh: điều khiển sự luân phiên các sản phẩm trong giá
và kho để tự động các quá trình bổ sung.
- Hậu cần – Logistics.
+ các điều kiện chất lượng chuyển hàng: giám sát các rung động, các tác động và
cửa containter hoặc duy trì các dây chuyền làm lạnh cho mục đích bảo hiểm.
+ Vị trí vật thể: tìm các đồ dùng cá nhân trong không gian lớn như kho hay bến.
+ Phát hiện lưu trữ không phù hợp: cảnh báo phát xạ trên container và lưu trữ
các hàng dễ cháy gần với các nguyên liệu chứa chất cháy nổ.
+ Theo dõi đoàn tàu, xe: điều khiển các tuyến đường theo mặt hàng như thuốc,
trang sức hoặc hàng hóa nguy hiểm.
- Điều khiển trong công nghiệp – Industrial Control.
+ Các ứng dụng M2M: kiểm soát tài sản và các máy tự chẩn đoán.

+ Chất lượng không khí trong nhà: giám giá khi độc và mức độ khí oxi trong các
thiết bị hóa học để đảm bảo cho công nhân và hàng hóa an toàn.
+ Giám sat nhiệt độ: kiểm soát nhiều độ trong công nghiệp và tủ y học với hàng
hóa nhạy cảm.
+ Sự có mặt của khí Ozone: kiểm soát mức độ khí Ozone trong khi làm khô các
sản phẩm thịt trong các nhà máy thực phẩm.
+ Định vị trong nhà: vị trí các tài sản trong nhà bằng cách sử dụng các thẻ tích cự
(ZigBee) và bị động (RFID/NFC).

7|Page


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

+ Các phương tiện tự trẩn đoán: thu thập thông tin từ CanBus để gửi các cảnh
báo thời gian thực để nhanh chóng đưa lời khuyên cho lái xe.
- Nông nghiệp thông minh.
+ Tăng chất lượng rượi: giám sát độ ẩm đất và đường kính rương trong vườn nho
để kiểm soát lượng đường trong nho và sức khỏe nho.
+ Nhà thân thiện môi trường: kiểm soát điều kiện thời tiết nhỏ để tăng sản lượng
rau quả và chất lượng của chúng.
+ Gold Courses: lựa chọn thủy lợi trong các vùng khô để giảm lượng tài nguyên
nước yêu cầu trong hệ thống.
+ Mạng lưới trạm thời tiết: nghiên cứu các điều kiện thời tiết trong vùng để dự
báo băng, mưa, hạn hán, tuyết và tốc độ gió.
+ Phân trộn: điều khiển độ ẩm và mức nhiệt trong cỏ linh lăng, cỏ khô và rơm…
để chống lại nấm và các chất chứa vi khuẩn.
- Nông trại gia súc thông minh – Smart Animal Farming.

+ Chăm sóc con cháu: kiểm soát các điều kiện phát triển của con cháu trong trang
trại gia súc để đảm bảo sống sót và khỏe mạng.
+ Theo dõi gia súc: vị trí và định danh của các gia súc trên đồng cỏ và phạm vi
chăn thả.
+ Mức độ khí độc: nghiên cứu thông hơi và chất lượng không khi trong các nông
trại và phát hiện khí có hại.
- Tự động nhà và domotic.
+ Sử dụng năng lượng và nước: hỗ trợ giám sát tiêu dùng nước và năng lượng để
cho lời khuyên làm thế nào để tiết kiệm chi phí và tài nguyên.
+ Các thiết bị điều khiển từ xa: bật tắt bằng thiết bì điều khiển từ xa để tránh tai
nạn và tiết kiệm năng lượng.
+ Các hệ thống phát hiện xâm nhập: phát hiện của sổ và của ra vào và các xâm
pham để chống đột nhập.
+ Bảo quản hàng hóa và nghệ thuật: giám sát các điều kiện bên trong bảo tang và
nơi lưu trữ nghệ thuật.
- Chăm sóc sức khỏe – eHealth.
+ Phát hiện ngã: giúp đỡ người già hoặc người tàn tật sống độc lập.
+ Các tủ thuốc: giám sát các điều kiện bên trong tủ lạnh lưu trữ vaccine, thuốc, và
các yếu tố hữu cơ,
8|Page


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

+ Chăm sóc vận động viên: giám sát các dấu hiệu trong trung tâm chăm sóc.
+ Giám sát bệnh nhân: giám sát điều kiện của các bênh nhân trong bệnh viện và
tại nhà họ.
+ Bức xạ tử ngoại: đo lường lượng tia mặt trời UV để cảnh bảo mọi người không

phơi nắng trong nhưng giờ nhất định.

3. Kiến trúc hệ thống

a. Định nghĩa.
IoT là một bộ phận được tích hợp của Future Internet và được định nghĩa như
một cơ sở hạ tầng mạng toàn cầu năng động với khả năng tự cấu hình dựa trên tiêu
chuẩn và các giao thức truyền thông tương thích trong đó các vật thực và ảo có danh
tính, thuộc tính vật lý và tính cách ảo và sử dụng giao diện thông minh, và được tích hợp
hoàn toàn vào trong mạng lưới thông tin.
Trong IoT, ‘things’ được dự tính trở thành các người tham dự trong các hoạt
động kinh doanh, thông tin và các quá trình xã hội trong đó chúng được tương tác và
liên lạc với nhau và với môi trường bằng cách trao đổi dữ liệu và thông tin ‘cảm nhận
được’ về môi trường, trong khi tự phản ứng với các sự kiện thế giới thực và tạo ra tương
tác bằng cách chạy các tiến trình mà kích hoạt các hoạt động và tạo ra các dịch vụ có
hoặc không có sự tác động của con người.
Các giao diện trong hình thức của các dịch vụ dễ dàng tương tác với các vật
thông minh qua Internet, truy vấn và thay đổi trạng thái của chúng và bất kỳ thông tin
liên quan với chúng, tham gia bảo mật tài khoản và các vấn đề riêng tư.
Tầm nhìn của Internet tương lai dựa trên các giao thức truyền thông lưu ý đến sự
hợp nhất của mạng máy tính, Internet of Media – IoM, Internet of Services – IoS, và
Internet of things – IoT vào trong một nền tảng IT toàn cầu của mạng và các thứ được
nối mạng.

9|Page


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

Anytime

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

Anyone

Any
context

Anybody

Any Service

Anything
IoT

Any Devices

Any
Business

Any Place

Any Path

Anywhere

Any Network

IoS chỉ một thành phần nền tảng phần mềm được sử dụng qua các mạng khác
nhau và Internet: SOA, Web/Enterprise 3.0/X.0, Enterprise Interoperability, Service

Web, Grid Services and Semantic Web.
IoM xác định các thách thức trong mã hóa video mở rộng và xử lý video 3D, game
di động.
Mạng tương lai sẽ gồm cơ sở hạ tầng mạng công cộng/ cá nhân và khả năng mở
rộng cả thiện bằng ‘things’ đặt gần nhau và kết nối với nhau. Các kết nối không chỉ giữa
con người mà giữa con người với môi trường.
Truyền thông được xem như giữa nhiều thiết bị đầu cuối và các trung tâm dữ liệu
(dữ liệu nhà, điện toán đám mây…). Tăng khả năng lưu trữ và tính sẵn sang kết nối.

10 | P a g e


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

Các thiết bị đầu cuối có thể tạo mạng liên lạc cục bộ và có thể phục vụ như cầu
nối giữa các mạng truyền thông.
IoT tạo ra mạng lưới năng động của hàng tỷ hoặc nghìn tỷ các ‘things’ kết nối
không dây liên lạc với nhau và hợp thành sự phát triển Pervasive Computing, Ubiquitous
Computing and Ambient Intelligence.
Các ứng dụng, các dịch vụ, các phần phần trung gian, các mạng và thiết bị đầu
cuối sẽ kết nối theo các cách hoàn toàn mới. Các thiết bị đầu cuối được kết nối tạo ra
các kết nối giữa các ‘things’, cho phép người sử dụng giám sát vị trí, điều kiện và trạng
thái của họ, cũng như gửi các yêu cầu và hướng dẫn cho họ.
IoT mang lại nhiều lợi ích cho hoạt động kinh doanh: các giải pháp quản lý tài sản
và sản phẩm ở mức cao, quản lý chu trình được cải thiện, tăng cường hợp tác giữa các
công ty.
Hoàn thiện các cảm biến và khả năng các thiết bị sẽ cho phép xử lý các vấn đề
phát sinh để nâng cao hiệu năng, khả năng mở rộng và ra quyết định cục bộ. VD: các

cảm biến với thuật toán thông minh sử dụng để giám sát sức khỏe bệnh nhân hoặc điều
kiện của phương tiện giao thông, để phát hiện sớm các dấu hiệu và ra quyết định phù
hợp.
IoT cho phép con người và mọi thứ kết nối mọi lúc, mọi nơi, tại bất kỳ đâu và bất
kỳ ai, sử dụng bất kỳ kết nối mạng nào và dịch vụ gì. Mọi thứ từ cá nhân, tổ chức, xã hội,
vật thể, sản phẩm, dữ liệu, dịch vụ, các quá trình sẽ được kết nối trong IoT.
Cơ sở hạ tầng IoT cho phép liên kết giữa các đối tượng thông minh (robot di
động, cảm biến không dây…), các kỹ thuật mạng cảm biến, con người, sử dụng giao thức
truyền thông khác nhau nhưng tương thích và thu được một mạng lưới đa phương thức
/ không đồng nhất năng động có thể được triển khai ở những nơi không thể tiếp cận,
hoặc không gian xa (giàn khoan dầu, mỏ, rừng, đường hầm, đường ống, vv) hoặc trong
11 | P a g e


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

trường hợp khẩn cấp, tình huống nguy hiểm (động đất, hỏa hoạn, lũ lụt, khu vực bức xạ,
vv). Trong cơ sở hạ tầng này, các thực thể khác nhau hoặc "things" phát hiện và khám
phá lẫn nhau và học cách tận dụng lợi thế dữ liệu của nhau bằng cách tổng hợp các
nguồn lực và tăng cường đáng kể phạm vi và độ tin cậy của các dịch vụ đưa đến.
"Things" trong tầm nhìn IoT sẽ ảnh hưởng lẫn nhau phụ thuộc của khả năng hoạt
động của chúng (ví dụ tính toán sức mạnh xử lý, kết nối mạng, tiềm năng sẵn có, vv)
cũng như trong ngữ cảnh và tình huống (thời gian, không gian vv) và sẽ tích cực tham gia
vào các quá trình khác nhau. Một số thuộc tính của chúng, hành động và tham gia trong
việc được nhóm theo năm lĩnh vực và trình bày trong bảng 1.
Trong kiến trúc IoT, thông minh trung gian sẽ cho phép tạo ra một bản đồ động
của thế giới thực / vật lý trong không gian kỹ thuật số / ảo bằng cách sử dụng một giải
pháp không gian và thời gian mạnh và kết hợp các đặc điểm của mạng cảm biến khắp

nơi và "things" khác.
b. Các thành phần liên quan.

12 | P a g e


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

IoT và các lĩnh vực nghiên cứu liên quan.
c. Kiến trúc.

13 | P a g e

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

Kịch bản tổng thể IoT bao gồm các công ty, các tổ chức công cộng và con người.

Mục tiêu cho kiến trúc IoT tương lai hướng tới là:
- Cơ sở hạ tầng mở, có khả năng mở rộng, linh hoạt và có tính bảo mật cho IoT
và con người.
- Người sử dụng làm trung tâm, tính tùy biến cho Web of Things bao gồm các
khả năng tương tác phục vụ lợi ích xã hội.
- Các khái niệm kinh doanh năng động cho IoT bao gồm thanh toán linh hoạt và
khả năng thúc đẩy để chia sẻ thông tin.
Có một số kiến trúc đang phát triển: IoT-A, ETSI, IETF, W3C, CASAGARAS,

EPCglobal.
Kiến trúc mạng EPCglobal hiện chỉ là một dạng của IoT tương lai. Tuy nhiên tính
mở, khả năng mở rộng và an ninh có thể đảm bảo, mạng EPCglobal là kiến trúc toàn
diện và hứa hẹn nhất hiện tại. Sự sẵn có của các tiêu chuẩn mở và miễn phí và các miễn
phí các thi hành mã nguồn mở cho kiến trúc mạng EPCglobal đóng vai trò quan trọng
trong sự phát triển của nó. Các mở rộng khác, như hỗ trợ các lược đồ nhiều định danh,
các dịch vụ khám phá liên hiệp, sự tích hợp truyền động và các tác tử phần mềm để
phân quyền dữ liệu và đưa ra quyết định, có thể mở rộng xa hơn các chức năng của
mạng EPCglobal.
Tầm nhìn của IoT tương lai bao gồm các dịch vụ thông tin IoT mở rộng dựa trên
EPC Information Services. Sự mở rộng là cần thiết để cung cấp sự hỗ trợ lớn hơn cho các
định danh khác, dữ liệu động và tĩnh bổ sung, hỗ trợ bộ truyền động, tích hợp tác tử
phần mềm, sự tích hợp của các thiết bị không có IP và khả năng offline. Cụ thể, tầm nhìn
bao gồm các thành phần sau:
- Hỗ trợ dữ liệu tĩnh mở rộng - Extend static data support:

14 | P a g e


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

- Sự tích hợp dữ liệu động – Intergration of dynamic data: mang thế giới thực và
ảo gần nhau hơn để có thể cảm nhận các điều kiện môi trường cũng như trạng thái của
thiết bị.
- Hỗ trợ các thiết bị không IP – Support for non-IP devices: tích hợp vào IoT qua
các cổng vào.
- Sự tích hợp của giao diện truy cập – Intergration of an actuator interface:
- Sự tích hợp có tùy chọn của các tác tử phần mềm – Optional Intergration of

software agents: sự phức tạp của các mạng hỗ trợ toàn cầu đòi hỏi nhiều sự phân quyền
và ra quyết định tự động. Các tác tử phần mềm đã được nghiên cứu rộng rãi nhưng
chưa được chấp nhận đáng kể trong ngành công nghiệp. Lý do cho điều này có thể là sự
thiếu chuẩn hóa. Một giao diện chuẩn hóa trong IoT sẽ giúp thúc đẩy việc sử dụng các
tác tử phần mềm.
- Các dịch vụ khám phá liên hiệp, mở rộng – Entended, feferared discovery
services: cần thiết để quản trị mở, khả năng mở rộng và lựa chọn dịch vụ tìm kiếm trong
IoT.
- Đồng bộ dữ liệu để hỗ trợ offline: mạng EPCglobal yêu cầu kết nối online để
truy cập dữ liệu liên quan tới các sản phẩm được xác định. Trong một số trường hợp kết
nối không được đảm bảo. Đồng bộ dữ liệu là cần thiết để hỗ trợ các kịch bản di động và
ra quyết định phân quyền.
- Giao diện tới các dịch vụ thanh toán: để cho phép cạnh tranh giữa các nhà
cung cấp dịch vụ thanh toán, một giao diện chuẩn hóa tới các dịch vụ là cần thiết. Giao
diện thanh toán này cho phép cân đối chi phí và lợi ích cũng như các mô hình kinh
doanh mới và các cơ hội tạo doanh thu cho doanh nghiệp và người sử dụng dựa trên
thương mại nhỏ các thông tin trong IoT.

15 | P a g e


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

Kiến trúc EPCglobal mở rộng cho IoT tương lai.

16 | P a g e

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

Hình ảnh trên là sự tích hợp các cảm biến, các bộ truyền động và các tác tử phần
mềm được kết nối với Internet of Things Information Service – IoT IS. Các bộ phần của
cơ sở hạ tầng nay có thể là di động hoặc gián đoạn, do đó đòi hỏi các phương pháp
đồng bộ dữ liệu và logic.
- Object Naming Service – ONS: dịch vụ hướng dẫn đáng tin cậy các thông tin về
EPCs cho các đối tác.
ONS gồm 2 lớp: Root ONS – chỉ dẫn các thông tin về nhà sản xuất trên EPCglobal
Network và Local ONS – chỉ dẫn các sản phẩm cho nhà sản xuất tương ứng và các thông
tin cho sản phẩm.
- EPC-IS: là dịch vụ dựa trên mạng cho phép lưu trữ, quản lý và truy cập tới
thông tin sản phẩm được cho phép bởi RFID.
- EPC Discovery Service: cho phép giám sát theo dõi qua mạng EPCglobal.
- EPC Security Frameword: cung cấp hệ thống phân cấp xác thực và mạng lưới
đối tác thương mại cá nhân.

17 | P a g e


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

B. Mạng cảm biến không dây.
I.
Tổng quan về mạng cảm biến
1. Giới thiệu.

Mạng cảm biến (sensor network) là một cấu trúc, là sự kết hợp các khả năng

cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích
và phản ứng lại với các sự kiện và hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó.
Môi trường có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh học.
Có 4 thành phần cơ bản cấu tạo nên một mạng cảm biến:
- Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hoặc phân bố.
- Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến.
- ĐIểm trung tâm tập hợp dữ liệu.
- Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm.

2. Các thành phần cấu tạo.

Mỗi nút cảm biến
Cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản:
Đơn vị cảm biến, đơn vị xử lý , đơn vị truyền dẫn và bộ nguồn. Các đơn vị cảm
biến bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự số. Dựa trên những hiện tượng quan
sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC,
sau đó được đưa vào bộ xử lý.

18 | P a g e


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định
các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn. Phần

thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng.
Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ
nguồn. Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào năng lượng
mặt trời. Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng.
Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có độ
chính xác cao về vị trí. Các bộ phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển các nút cảm
biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định. Tất cả những thành phần này
cần phải phù hợp với kích cỡ từng module. Ngoài kích cỡ ra các nút cảm biến còn một
số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật
độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích biến với sự biến đổi của môi
trường.
Mạng cảm biến.

19 | P a g e


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

Mô hình cấu trúc mạng cảm biến thường dùng: các cảm biến liên kết theo giao
thức Multihop, phân chia Cluster chọn ra node có khả năng nhất làm node trung tâm,
tất cả các node loại này sẽ truyền về node xử lý chính.
Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau:
- Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người;
- Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến
multihop;
- Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến;
- Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng ở các
nút;

- Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán.

Chính những đặc tính này đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầu thay
đổi trong thiết kế mạng cảm biến.
Các phần mềm: Hệ điều hành và ứng dụng trung gian.
Các giao thức truyền thông.

20 | P a g e


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

Giao thức mạng cảm biến gồm giao thức truyền thông và giao thức quản lý.
-

Lớp 1: lớp vật lý. Các quy ước về kênh truyền, cảm biến, xử lý tín hiệu.
Lớp 2: liên kết dữ liệu. Các cấu trúc khug, định thời.
Lớp 3: lớp mạng. Định tuyến.
Lớp 4: lớp vận chuyển. Truyền dữ liệu trong mạng.
Lớp 5: tần trên. Phục vụ các ứng dụng trong mạng.
Định tuyến và phân tán dữ liệu.
Tổ chức mạng và theo dõi.
Tính toán.
Quản lý dữ liệu.
Bảo mật.

3. Cấu trúc mạng cảm biến

Các nút cảm biến được phân bố trong một vùng cảm biến - sensor region. Mỗi
một nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink.

a. Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng (flat architecture), tất cả các nút đều ngang hàng và đồng
nhất trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các

21 | P a g e


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ
đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn. Giả thiết rằng tất cả
các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ thời gian.
Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như

thời gian, tần số...
b. Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng (tiered architecture), các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong
cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến
một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head). Trong cấu trúc này các nút tạo
thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm
vụ đã định sẵn.

22 | P a g e

Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

4. Phân loại.
-

Mạng di động và tĩnh.
Mạng tất định và bất định.
Mạng mobile-sink và static-sink.
Mạng single-sink và multisink.
Mạng đơn bước và đa bước – single-hop and multihop.
Mạng không tự cấu hình và tự cấu hình.
Mạng đồng nhất và hỗn tạp.

5. Ứng dụng

Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về WSN đã đạt được bước phát
triển mạnh mẽ, các bước tiến từ các nghiên cứu hứa hẹn tác động lớn đến các ứng dụng
rộng rãi trong các lĩnh vực an ninh quốc gia, chăm sóc sức khỏe, môi
trường, năng lượng, an toàn thực phẩm và sản xuất...
- Thương mại: điều khiển trong môi trường văn phòng, điều khiển nhiệt độ, tiêu
thụ điện năng.
- Công nghiệp: quản lý hệ thống trong công nghiệp, hàng hóa, kho…
- Giao thông: giám sát phương tiện, lưu lượng giao thông, xử lý tắc nghẽn…
- Quân sự: theo dõi mục tiêu, quan sát chiến trường, các nguy cơ tấn công
nguyên tử, sinh hóa.
- Môi trường: giám sát cháy rừng, dự báo thảm họa, biến đổi khí hậu, bão lũ,
động đất.

- Y học: giám sát bệnh nhân, quản lý thuốc.
- Gia đình: nhà thông minh, các hệ thống điện nước…

II. Các kỹ thuật truyền dẫn.

Có nhiều giao thức không dây được sử dụng rộng rãi: 802.15.1 - Bluetooth,
802.11a/b/g/n - wireless LAN, 802.15.4 – ZigBee, 802.16 – WiMax và kỹ thuật nhận dạng
bằng song vô tuyến RFID.

1. Bluetooth.

Kỹ thuật này ban đầu sử dụng cho các thiết bị di động và được mở rộng ra các
thiết bị khác.
Kỹ thuật này sử dụng cho mạng WSNs bị giới hạn.
Đặc điểm: công suất tiêu thụ thấp, giá thành thấp, kết nối giữa các thiết bị đơn
giản. Tốc độ truyền được cải thiện qua các version.

2. WLAN.

Mạng WLAN có tốc độ cao và cung cấp cho lượng lớn người dùng.
23 | P a g e


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

Cung cấp QoS cao qua giao tiếp không dây.
Bảo mật được cải thiện và đảm bảo.

3. ZigBee.

Ý tưởng: ZigBee xuất phát từ cách con ong mật truyền thông tin cho các thành
viên trong tổ.
ZigBee ra đời đáp ứng sự phát triển của WSNs giá thành thấp, công suất tiêu thụ
thấp, dùng cho các ứng dụng điều khiển từ xa, điều khiển thiết bị trong nhà, ứng dụng
trong các tòa nhà tự động trong công nghiệp và thương mại.

III.Các giao thức đồng bộ.

l. Đồng bộ theo thời gian

Có rất nhiều giao thức đồng bộ thời gian truyền thống cố gắng giữ việc đồng bộ
giữa các nút ở mọi thời điểm nhưng lại không quan tâm đến năng lượng và cấu hình
mạng cho nên không thể áp dụng vào mạng cảm biến. Vì đặc điểm của mạng cảm biến
cho nên giao thức đồng bộ thời gian cần chú ý về các vấn đề về độ chính xác, chi phí
năng lượng và các yêu cầu về bộ nhớ. Phương pháp cơ bản để đồng bộ thời gian trong
mạng cảm biến là cộng tác giữa các nút trong toàn mạng. Thiết lập mối liên hệ cặp dây
(pair-wise) giữa các nút trong mạng sau đó mở rộng ra toàn mạng.
Có hai cách thiết lập sự cộng tác giữa hai nút trong mạng đó là đồng bộ giữa bên
gửi và bên nhận (Sender-Receiver) và giữa bên nhận và bên nhận (Receiver-Receiver).
Đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận yêu cầu liên kết hai chiều giữa hai nút lân cận.
Trong phương pháp đồng bộ giữa bên nhận và bên nhận, nhiều nút nhận của các gói có
24 | P a g e


Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây

GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu

nhãn thời gian như nhau đồng bộ với nhau mà không yêu cầu đồng bộ với bên gửi (mốc
gửi gói tin broadcast đến hai nút A và B, sau đó A và B tự đồng bộ với nhau không cần
đến mốc).

2. Đồng bộ theo vị trí

Trong nhiều trường hợp việc xác định vị trí trong thế giới tự nhiên của các nút
trong mạng cảm biến là rất cần thiết, nó có ý nghĩa hoặc là mục đích của mạng cảm biến.
Ví dụ như trong ứng dụng quan sát môi trường và khí tượng học, dữ liệu sẽ không còn
có ý nghĩa nếu như không được đánh dấu thời gian và vị trí. Hay như trong các ứng
dụng: theo dõi việc đóng gói hang, lưu trữ sách trong thư viện, theo dõi vị trí, tất cả các
ứng dụng này đều cần xác định vị trí của các nút cả biến. Ngoài ra thông tin về vị trí cũng
rất quan trọng trong một vài giao thức định tuyến, đặc biệt là định tuyến dựa vào vị trí.
Trong mạng cảm biến, có một số lượng rất lớn các nút, được triển khai một cách ngẫu
nhiên trong khu vực quan sát. Việc xác định vị trí tuyệt đối của một nút thường rất khó.
Chúng ta có thể trang bị thiết bị GPS cho các nút. Tuy nhiên cách này không khả thi đối
với mạng cảm biến vì GPS tương đối đắt và không thể hoạt động trong môi trường đặc
biệt như trong nhà, dưới lòng đất.
Hiện nay có hai kỹ thuật định vị được xem xét chủ yếu trong mạng cảm biến là:
- Định vị dựa vào mốc có sẵn.
- Định vị dựa vào vị trí tương đối.
Cả hai kỹ thuật này đều sử dụng sự ước lượng phạm vi và góc đối với việc định vị
các nút cảm ứng thông qua cường độ tín hiệu thu được (received signal strength - RSS),
thời gian đến (time of arrival - TOA), sự chênh lệch thời gian đến (time difference of
arrival - TDOA), và góc tới (angle of arrival - AOA).

25 | P a g e