Nghiên cứu thiết bị thông minh trong hệ thống internet của vạn vật

Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là nghiên cứu của chính bản thân. Các nghiên cứu
trong luận văn này dựa trên những tổng hợp lý thuyết và mô phỏng thực tế của mình,
không sao chép từ bất kỳ một luận văn nào khác. Mọi thông tin trích dẫn đều đƣợc tuân
theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn
trách nhiệm với những nội dung đƣợc viết trong luận văn này.
Tác giả luận văn

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 1


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và sự kính trọng của mình tới
TS. Trƣơng Thu Hƣơng - ngƣời đã tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn và tạo mọi điều kiện
cho tôi trong quá trình tìm hiểu học tập và nghiên cứu tại Viện Điện tử- Viễn thông,
Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô Viện Điện tử- Viễn thông trƣờng Đại
học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi đƣợc học hỏi thông qua các môn học
cũng nhƣ hoàn thành khoá học.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến gia đình, ngƣời thân và bạn
bè đồng nghiệp đã khích lệ và động viên tôi hoàn thành luận văn này.

Tác giả

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 2


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

LỜI MỞ ĐẦU
Với sự phát triển của Internet, smartphone và đặc biệt là các thiết bị cảm biến,
Internet of Things đang trở thành xu hƣớng mới của thế giới. Internet of Things đƣợc
định nghĩa là những vật dụng có khả năng kết nối Internet. Bạn vào nhà, mở khóa cửa,
đèn sẽ tự động sáng chỗ bạn đứng, điều hòa sẽ tự động điều chỉnh nhiệt độ, nhạc sẽ tự
động bật để chào đón bạn… những điều chỉ có trong phim khoa học viễn tƣởng, đang
dần trở thành hiện thực với công nghệ Internet of Things
Nhờ Internet of Things, có nhiều ý tƣởng độc đáo đã trở thành hiện thực. Không
chỉ phát huy tốt hơn cho công dụng vốn có của thiết bị, Internet of Things còn góp
phần đem lại cuộc sống tốt đẹp hơn cho con ngƣời. Có thể kể đến nhƣ Boogio - đôi
giày thông minh có lắp một cảm biến cực mỏng và máy tính Artik siêu nhỏ để lƣu trữ
lại dữ liệu của ngƣời dùng và kết nối với với smartphone và đồng hồ thông minh.
Thông qua đôi giày này, ngƣời dùng có thể tính toán đƣợc hôm nay mình đã chạy bao
nhiêu bƣớc, luyện những bài tập nào, đốt cháy bao nhiêu calo, đo chỉ số sức khỏe của
bản thân và có đƣợc một cơ thể dẻo dai hơn
Lợi ích chính trong việc tăng trƣởng Internet của vạn vật sẽ là tăng hiệu suất,
giảm chi phí. Internet của vạn vật hứa hẹn sẽ tăng cao hiệu suất cho các hộ gia đình,
cho thành phố, cho nơi làm việc bằng cách mang lại khả năng kiểm soát, quản lý cho

ngƣời dùng. Internet of Things hứa hẹn sẽ là một nhân tốt quyết định thúc đẩy sự phát
triển của khoa học công nghệ, tạo ra một thế giới mới thông minh hơn và thân thiện với
con ngƣời.
Tiềm năng phát triển của Internet of Things là rất lớn, tuy nhiên trong quá trình
phát triển thì còn gặp nhiều khó khăn nhƣ thiếu một bộ tiêu chuẩn và công nghệ chung,
thiếu chuẩn chung để kết nối giữa các thiết bị… Điều đó làm giảm độ tƣơng thích và
trải nghiệm ngƣời dùng. Với mong muốn tìm hiểu rõ hơn về thế giới Internet of
Things, tìm hiểu khái niệm, mô hình tham chiếu, kiến trúc cũng nhƣ các giao thức sử

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 3


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

dụng trong internet của vạn vật, từ đó có thể áp dụng những kiến thức đã học trong nhà
trƣờng vào thực tế, tôi đã quyết định lựa chọn luận văn với đề tài “Nghiên cứu thiết bị
thông minh trong hệ thống Internet của vạn vật.”
Nội dung bao gồm các chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về Internet of Things
Chƣơng 2: Kiến trúc phần mềm và phần cứng của Internet of Things
Chƣơng 3: Giao thức kết nối trong Internet of Things
Chƣơng 4: Xây dựng thử nghiệm hệ thống IoT với ứng dụng điều khiển đèn
thông minh cho hội trƣờng lớn

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 4


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hiện nay, Internet of Things đang trở thành một xu hƣớng của thế giới kỹ thuật
số và xuất hiện len lỏi vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên, xu hƣớng này đang
gặp những khó khăn nhất định nhƣ vấn đề xây dựng bộ tiêu chuẩn chung cho Internet
of Things.
Internet of Things có rất nhiều cách định nghĩa khác nhau, nhiều các hiểu khác
nhau và nó bao gồm rất nhiều khía cạnh của cuộc sống từ việc kết nối các thiết bị trong
ngôi nhà ( smart home), đến kết nối các ôtô, đƣờng phố đến các việc kết nối các thiết bị
đeo trên ngƣời để phục vụ chăm sóc sức khỏe…
Trong phạm vi luận văn này, tôi tập trung tìm hiểu về các định nghĩa, mô hình,
kiến trúc và giao thức kết nối trong hệ thống Internet of Things. Điều này sẽ giúp
chúng ta có cái nhìn và sự hiểu biết về hệ thống Internet of Things cũng nhƣ có thể
tham gia đề xuất xây dựng bộ tiêu chuẩn chung cho Internet of Things. Ngoài ra, trong
luận văn tôi có xây dựng thử nghiệm một mô hình điều khiển thông minh hệ thống đèn
trong hội trƣờng lớn dựa trên mô hình Internet of Things. Điều này cho thấy khả năng
ứng dụng vào thực tế của Internet of Things là rất khả thi và tiềm năng

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 5


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

ABSTRACT
Nowadays, Internet of Things has become a hot trend in the digital era and
appeared in most of the fields. However, IoT standardization is the root of problems;
we need a standard architecture for the whole IoT ecosystem.
The Internet of Things (IoT) is defined in many different ways, and it
encompasses many aspects of life from connected homes and cities to connected cars
and roads, roads to devices that track an individual s behaviour and use the data
collected for push services…
This thesis go deep in understanding concepts, reference models, architectures
and protocols used in the Internet of things. It as a reference giving an overview of the
Internet of things, as well as help the beginners can build Internet of things applications
of their own. Moreover, we use this architecture to create an application named “Smart
controller light system for meeting-hall”. The results demonstrate that IoT architecture
has fulfilled our defined functions and is applicable in reality

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 6


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 3
DANH SÁCH HÌNH VẼ ............................................................................................... 10

DANH SÁCH BẢNG .................................................................................................... 12
CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS ........................................ 13
1.1

Định nghĩa về Internet của vạn vật ................................................................... 13

1.2 Các thành tố của Internet of Things .................................................................... 15
1.3 Xu hƣớng của Internet of Things ........................................................................ 17
1.3.1

Xu hƣớng chung .......................................................................................... 17

1.3.2

Xu hƣớng về tính chất của Internet of Things ............................................. 18

1.4 Kết luận chƣơng .................................................................................................. 22
CHƢƠNG 2 : KIẾN TRÚC HỆ THỐNG IOT .............................................................. 23
2.1 Vì sao cần có kiến trúc tham chiếu cho IoT? ..................................................... 23
2.2 Phân loại thiết bị Internet of Things và phƣơng thức kết nối ............................. 23
2.2.1 Mô hình tham chiếu của Internet of Things ................................................. 23
2.2.2 Phân loại thiết bị IoT và phƣơng thức kết nối .............................................. 25
2.2.3 Các yêu cầu của kiến trúc tham chiếu cho Internet of Things ..................... 26
2.3 Kiến trúc tham chiếu Internet of Things ............................................................. 29
2.4 Các thành phần trong Internet of Things ............................................................ 34
2.4.1 Phần cứng ...................................................................................................... 34
2.4.2 Các hệ điều hành cho IoT ............................................................................. 38
2.5 Kết luận chƣơng .................................................................................................. 44
CHƢƠNG 3 : GIAO THỨC KẾT NỐI TRONG IOT ................................................... 45

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 7


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

3.1 Giao thức vô tuyến ................................................................................................ 45
3.1.1 WIFI ............................................................................................................... 45
3.1.2 Bluetooth ...................................................................................................... 49
3.1.3 Zigbee ........................................................................................................... 51
3.2

Giao thức mạng .................................................................................................. 53

3.2.1 CoAP .............................................................................................................. 53
3.2.2 Restful HTTP ................................................................................................. 55
3.2.3 MQTT ............................................................................................................. 56
3.2.4 So sánh giữa hai giao thức MQTT và CoAP................................................ 58
3.3 Kết luận chƣơng .................................................................................................. 59
CHƢƠNG 4 : XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM MỘT HỆ THỐNG IOT VỚI ỨNG
DỤNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN THÔNG MINH CHO HỘI TRƢỜNG ............................. 60
4.1 Kịch bản mô hình ................................................................................................ 60
4.2 Yêu cầu ............................................................................................................... 63
4.3 Xây dựng mô hình kiểm thử ............................................................................... 65
4.3.1 Smart device .................................................................................................. 65
4.3.2 Gateway ........................................................................................................ 66
4.3.3 Cloud Server ................................................................................................. 67

4.3.4 Giao thức kết nối giữa Smart Device với GateWay ...................................... 68
4.3.5 Giao thức kết nối giữa GateWay và Server/Cloud ........................................ 69
4.4 Triển khai mô hình hệ thống .............................................................................. 71
4.5 Kết luận chƣơng .................................................................................................. 75
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 77

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 8


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Thuật ngữ tiếng anh

Ý nghĩa

6LoWPAN

IPv6 protocol over low-power
wireless PANs

AMQP

The Advanced Message Queuing Giao thức lớp ứng dụng dùng
Protocol
cho gửi tin nhắn tin cậy

ARM

Advanced RISC Machine

Cấu trúc vi xử lí loại RISC

BLE

Bluetooth Low Energy

Bluetooth năng lƣợng thấp

CoAP

Constrained Application
Protocol

Giao thức ứng dụng giới hạn

FTP

File Transfer Protocol

Giao thức truyền tập tin

GSM

The Global System for Mobile
Communication

Hệ thống thông tin di động toàn
cầu

HTTP

Hypertext Transfer Protocol

Giao thức truyền tải siêu văn bản

IBSG

Internet Business Solution
Group

Nhóm Giải pháp Kinh doanh
Internet Cisco

IoT

Internet of things

Internet của vạn vật

IPv4/IPv6

Internet Protocol version 4/6

Giao thức internet phiên bản 4/6

MQTT

Message Queuing Telemetry
Transport

Giao thức gửi tin nhắn dạng
publish/subcriber

NFC

Near Field Communication

Kết nối tầm ngắn

OEM

Original Equipment
Manufacturer

Nhà sản xuất thiết bị gốc

PLC

Programmable Logic Controller

REST

Representation State Transfer

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Giao thức ipv6 trong các mạng
PAN không dây công suất thấp

Thiết bị điều khiển lập trình
đƣợc
Dịch vụ web mà máy khách
truyền đi trạng thái của tất cả
giao dịch

Page 9


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Ứng dụng Nest dành cho ngôi nhà thông minh ............................................. 13
Hình 1.2: Internet của vạn vật đƣợc ra đời khoảng giữa năm 2008 và 2009 ................. 15
Hình 1.3: Một mô hình của Internet of Things .............................................................. 15
Hình 1.4: Con ngƣời cũng sẽ trở thành "things" trong thế giới IoT .............................. 17
Hình 2.1: Mô hình tham chiếu của Internet của vạn vật ................................................ 13
Hình 2.2: Kiến trúc Internet of Things của ITU ............................................................ 15
Hình 2.3: Kiến trúc Internet of Things của WSO2 ........................................................ 15
Hình 2.4: Kit phát triển Arduino Uno R3 ...................................................................... 17
Hình 2.5: Một ví dụ sử dụng Pinoccio ........................................................................... 13

Hình 2.6: Raspberry Pi 3 Model B ................................................................................. 15
Hình 2.7: Intel Galileo thế hệ thứ 2................................................................................ 15
Hình 2.8: Kit phát triển Arduino Yun ............................................................................ 17
Hình 2.9: Hệ điều hành IoT............................................................................................ 13
Hình 2.10: Riot OS ......................................................................................................... 15
Hình 2.11: Window 10 for IoT ...................................................................................... 15
Hình 2.12: VxWorks OS ................................................................................................ 17
Hình 2.13: Google Brillo OS ......................................................................................... 15
Hình 2.14: ARM Mbed OS ............................................................................................ 15
Hình 2.15: Apple dành cho IoT...................................................................................... 17
Hình 2.16: Nucleus RTOS ............................................................................................. 15
Hình 3.1: Mô hình các phƣơng thức kết nối trong hệ thống IoT ................................... 15
Hình 3.2: 802.11ad hứa hẹn thay thế hoàn toàn cáp nối mà không phải hi sinh tốc độ 17
Hình 3.3: Internet of Things đòi hỏi gia t ăng phạm vi của Wi-Fi ................................ 15
Hình 3.4: Tổng kêt về các tham số của các công nghệ không dây ................................ 15
Hình 3.5: Mô hình 3 client và Broker trung tâm ............................................................ 17
Hình 3.6: Mô hình gửi bản tin giữa các client ............................................................... 15

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 10


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

Hình 4.1: Tiết kiện điện năng là ƣu tiên hàng đầu của quốc gia .................................... 15
Hình 4.2: Kiến trúc hệ thống .......................................................................................... 17
Hình 4.3: Cảm biến khí CO2.......................................................................................... 15

Hình 4.4: Mô hình kết nối Arduino với Bluetooth và cảm biến .................................... 15
Hình 4.5: Kết nối hai Arduino........................................................................................ 17
Hình 4.6: Kết nối cho Raspberry Pi3 ............................................................................. 17
Hình 4.7: Kết nối Bluetooth và dữ liệu hiển thị trên Gateway ...................................... 15
Hình 4.8: Platform NodeRed.......................................................................................... 15
Hình 4.9: Đèn sáng khi nhận lệnh ON ........................................................................... 17

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 11


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3.1: So sánh Zibgee – Wifi - Bluetooth ................................................................ 13
Bảng 4.1: Phân công nhiệm vụ thành viên thực hiện sản phẩm .................................... 15
Bảng 4.2: Các linh kiện đƣợc sử dụng trong mô hình ................................................... 15

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 12


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF
THINGS
1.1 Định nghĩa về Internet của vạn vật
Cụm từ này đƣợc đƣa ra bởi Kevin Ashton [1] vào năm 1999. Ông là một nhà khoa
học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn
cầu cho RFID (một phƣơng thức giao tiếp không dây dùng sóng radio) cũng nhƣ một
số loại cảm biến khác. IoT sau đó cũng đƣợc dùng nhiều trong các ấn phẩm đến từ các
hãng và nhà phân tích.

Hình 1.1: Ứng dụng Nest dành cho ngôi nhà thông minh

Vào tháng 6 năm 2009, Ashton từng cho biết rằng "hiện nay máy tính - và do đó,
Internet - gần nhƣ phụ thuộc hoàn toàn vào con ngƣời để chuyển tải dữ liệu. Gần nhƣ
tất cả trong số 50 petabyte dữ liệu đang có trên Internet (vào thời điểm đó) đều đƣợc
ghi lại hoặc tạo ra bởi con ngƣời chúng ta, thông qua các các thức nhƣ gõ chữ, nhấn
nút, chụp ảnh, quét mã vách...". Con ngƣời chính là nhân tố quyết định trong thế giới
Internet hiện nay. Thế nhƣng con ngƣời lại có nhiều nhƣợc điểm: chúng ta chỉ có thời
gian hạn chế, khả năng tập trung và độ chính xác cũng ở mức thấp so với máy móc.
Điều đó có nghĩa là chúng ta không giỏi trong việc thu thập thông tin về thế giới xung

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 13


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

quanh, và đây là một vấn đề lớn. Ví dụ đơn giản nhƣ sau: chiếc tủ lạnh thông thƣờng

của bạn không đƣợc kết nối với thiết bị nào khác. Nếu chúng ta muốn ghi lại nhiệt độ ở
từng thời điểm của tủ, chúng ta chỉ có cách ghi lại thủ công rồi nhập vào một máy tính
hay thiết bị lƣu trữ nào đó. Hay nhƣ bóng đèn neon ở nhà chẳng hạn, chúng ta muốn
thu thập, điều chỉnh độ sáng của nó thì phải đo thủ công rồi ghi lại. Còn nếu nhƣ máy
tính có khả năng giúp con ngƣời thu thập tất cả những dữ liệu về mọi thứ xung quanh,
chúng ta có thể "theo dõi và đếm mọi thứ, giúp giảm hao phí, chi phí và lỗ. Chúng ta sẽ
biết chính xác khi nào các vật dụng cần phải sửa chữa, thay thế, khi nào chúng còn mới
và khi nào thì chúng hết hạn sử dụng. Chƣa kể đến việc chúng ta có thể kiểm soát
chúng mọi lúc mọi nơi. Internet of Things có tiềm năng thay đổi thế giới, giống nhƣ
cách mà Internet đã thay đổi cuộc sống của chúng ta. Ngôi nhà thông minh với các
bóng đèn thông minh, máy giặt thông minh, tủ lạnh thông minh,... có thể xem là bƣớc
đầu của IoT bởi chúng đều đƣợc liên kết với nhau và/hoặc liên kết vào Internet.
Một chi nhánh của Auto-ID tại Châu Âu từng nói về IoT nhƣ sau: "Chúng tôi có một
tầm nhìn rất rõ ràng - tạo ra một thế giới nơi mà mọi thứ - từ những chiếc máy bay
phản lực khổng lồ cho đến từng cây kim khâu - đều đƣợc kết nối vào Internet. Mục tiêu
này chỉ có thể đạt đƣợc khi và chỉ khi tất cả mọi ngƣời áp dụng nó ở tất cả mọi nơi".
Việc trang bị những công nghệ theo dõi, nhận biết vào những vật thông dụng trong đời
sống sẽ làm thay đổi rất nhiều cách chúng ta tƣơng tác với đồ vật cũng nhƣ cách tƣơng
tác giữa ngƣời với ngƣời. Theo ƣớc tính của công ty ABI Research, đến năm 2020,
toàn thế giới sẽ có 30 tỉ thiết bị đƣợc kết nối không dây vào mạng lƣới IoT.
Vào tháng Giêng năm 2009, một nhóm các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đã
nghiên cứu dữ liệu định tuyến Internet trong mỗi khoảng thời gian sáu tháng, từ tháng
12 năm 2001 đến tháng 12 năm 2006. Tƣơng tự nhƣ các tính chất của định luật Moore,
phát hiện của họ cho thấy rằng kích thƣớc Internet tăng gấp đôi mỗi 5.32 năm. Sử dụng
con số này trong kết hợp với số lƣợng thiết bị kết nối internet trong 2003 (500 triệu
đơn vị, nhƣ xác định bởi Forrester Research), và dân số thế giới theo thống kê Hoa Kỳ
Văn phòng, Cisco IBSG ƣớc tính số lƣợng các thiết bị kết nối mỗi ngƣời.

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 14


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

Hình 1.2: Internet của vạn vật được ra đời khoảng giữa năm 2008 và 2009
1.2 Các thành tố của Internet of Things
Kiến trúc IoT đƣợc 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).

Hình 1.3: Một mô hình của Internet of Things

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 15


Luận văn cao học



Viện Điện tử - Viễn thông

Vạn vật (Things): Ngày nay có hàng tỷ vật dụng đang hiện hữu trên thị trƣờng
gia dụng và công nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của ngƣời dùng. Chẳng hạn
nhƣ xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang đƣợc kết
nối trực tiếp thông qua băng tầng mạng không dây và truy cập vào Internet. Giải

pháp Internet of Things giúp các thiết bị thông minh đƣợc sàng lọc, kết nối và
quản lý dữ liệu một cách cục bộ, còn các thiết bị chƣa thông minh thì có thể kết
nối đƣợc thông 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 không đƣợc 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 trò 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.
 Hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud):
 Cơ sở hạ tầng kết nối: Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng
IP đƣợc kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính. Cơ sở hạ tầng
mạng này bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp,
thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm soát lƣu lƣợng dữ liệu lƣu
thông và cũng đƣợc kết nối đến mạng lƣới viễn thông và cáp đƣợc triển
khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ.
 Trung tâm dữ liệu/ hạ tầng điện toán đám mây: Các trung tâm dữ liệu và
hạ tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ
thống lƣu trữ và mạng ảo hóa đƣợc kết nối.
 Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers):
Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (Application
Progmraming Interface) là Mashery* và Aepona* để giúp đƣa các sản phẩm và
giải pháp IoT ra thị trƣờng một cách chóng và tận dụng đƣợc hết giá trị của việc
phân tích các dữ liệu từ hệ thống và tài sản đang có sẵn.

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 16

Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

1.3 Xu hƣớng của Internet of Things
1.3.1

Xu hƣớng chung
IoT không chỉ là những máy "giao tiếp" với nhau mà còn nhiều thứ khác nữa,

gồm khả năng thay đổi hoàn toàn thế giới, cả trong cuộc sống và cách chúng ta cảm
nhận trong thực tế. Tuy nhiên, ngoài cung cấp lợi thế đáng kể cho nhân loại, thế giới
kết nối này cũng có các rủi ro.Ngày nay, trong số nhiều giải pháp đang đƣợc sử dụng
trong nghiệp vụ cảnh sát và cộng đồng, các máy móc tự động ngày càng thông minh
hơn, vì thế một số ngƣời cho rằng những thứ giả tƣởng nhƣ Skynet (hay Terminator)
không chỉ là hình ảnh tƣởng tƣợng.
Vậy, chính xác IoT là gì? Hội đồng - một nhóm chuyên gia cố vấn Internet of
Things định nghĩa rằng: "… Một thế giới nơi mà mọi thứ có thể đƣợc tiếp cận bằng cả
tín hiệu tƣơng tự (analogue) và số (digital) - đó là cách chúng ta trình bày mối quan hệ
giữa các đối tƣợng – cũng nhƣ các đối tƣợng với chính nó. Bất kỳ đối tƣợng nào mang
thẻ RFID (RFID tag) sẽ có liên quan đến không chỉ bạn mà còn đến các đối tƣợng
khác, các quan hệ và các giá trị trong một sơ sở dữ liệu. Trong thế giới này, bạn không
còn lẻ loi, dù ở bất kỳ nơi nào". Ngoài công nghệ RFID (Radio-frequency
dentification), Internet of Things còn có thể sử dụng cảm biến hay smartphone.

Hình 1.4: Con người cũng sẽ trở thành "things" trong thế giới IoT

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 17

Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

Một quan điểm khác lại cho rằng, IoT gồm các đối tƣợng thông minh có thể
điều khiển và tƣơng tác với những đối tƣợng có thể đáp ứng tƣơng tác từ xa, hay có thể
làm việc độc lập nhằm cung cấp các dịch vụ và giải pháp mà không cần sự can thiệp
của con ngƣời. Nicolas Nova, một nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm và truyền
thông của Viện công nghệ Thụy Sĩ và là thành viên sáng lập của hội đồng, kết luận: nói
theo cách đơn giản, IoT là khi các đối tƣợng hàng ngày của bạn đƣợc nhận biết và có
đƣợc "trí thông minh" trong thực tế vì chúng có thể giao tiếp thông tin về bản thân
chúng và truy cập thông tin đã đƣợc tổng hợp bởi những thứ khác. Chẳng hạn, chiếc
đồng hồ báo cho bạn thức dậy sớm để khởi hành vì nó có thể "biết" vấn đề kẹt xe, các
hũ thuốc sẽ cảnh báo khi bạn quên uống thuốc... Dù mô tả công nghệ này nhƣ IoT,
truyền thông M2M hay Tera-play, quá trình phát triển này trong công nghệ và dữ liệu,
kết nối và truyền thông có một tiềm năng rất lớn.
1.3.2

Xu hƣớng về tính chất của Internet of Things

 Thông minh
Sự thông minh và tự động trong điều khiển thực chất không phải là một phần
trong ý tƣởng về IoT. Các máy móc có thể dễ dàng nhận biết và phản hồi lại môi
trƣờng xung quanh (ambient intelligence), chúng cũng có thể tự điều khiển bản thân
(autonomous control) mà không cần đến kết nối mạng. Tuy nhiên, trong thời gian gần
đây ngƣời ta bắt đầu nghiên cứu kết hợp hai khái niệm IoT và autonomous control lại
với nhau. Tƣơng lai của IoT có thể là một mạng lƣới các thực thể thông minh có khả
năng tự tổ chức và hoạt động riêng lẻ tùy theo tình huống, môi trƣờng, đồng thời chúng

cũng có thể liên lạc với nhau để trao đổi thông tin, dữ liệu.Việc tích hợp trí thông minh
vào IoT còn có thể giúp các thiết bị, máy móc, phần mềm thu thập và phân tích các dấu
vết điện tử của con ngƣời khi chúng ta tƣơng tác với những thứ thông minh, từ đó phát
hiện ra các tri thức mới liên quan tới cuộc sống, môi trƣờng, các mối tƣơng tác xã hội
cũng nhƣ hành vi con ngƣời.

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 18


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

 Kiến trúc dựa trên sự kiện
Các thực thể, máy móc trong IoT sẽ phản hồi dựa theo các sự kiện diễn ra trong
lúc chúng hoạt động theo thời gian thực. Một số nhà nghiên cứu từng nói rằng một
mạng lƣới các sensor chính là một thành phần đơn giản của IoT.
 Là một hệ thống phức tạp
Trong một thế giới mở, IoT sẽ mang tính chất phức tạp bởi nó bao gồm một
lƣợng lớn các đƣờng liên kết giữa những thiết bị, máy móc, dịch vụ với nhau, ngoài ra
còn bởi khả năng thêm vào các nhân tốc mới.
 Kích thƣớc
Một mạng lƣới IoT có thể chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tƣợng đƣợc kết nối
và mạng lƣới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tƣợng. Một con ngƣời sống
trong thành thị có thể bị bao bọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối tƣợng có khả năng
theo dõi.
 Vấn đề không gian, thời gian
Trong IoT, vị trí địa lý chính xác của một vật nào đó là rất quan trọng. Hiện nay,

Internet chủ yếu đƣợc sử dụng để quản lí thông tin đƣợc xử lý bởi con ngƣời. Do đó
những thông tin nhƣ địa điểm, thời gian, không gian của đối tƣợng không mấy quan
trọng bởi ngƣời xử lí thông tin có thể quyết định các thông tin này có cần thiết hay
không, và nếu cần thì họ có thể bổ sung thêm. Trong khi đó, IoT về lý thuyết sẽ thu
thập rất nhiều dữ liệu, trong đó có thể có dữ liệu thừa về địa điểm, và việc xử lí dữ liệu
đó đƣợc xem nhƣ không hiệu quả. Ngoài ra, việc xử lí một khối lƣợng lớn dữ liệu trong
thời gian ngắn đủ để đáp ứng cho hoạt động của các đối tƣợng cũng là một thác thức
hiện nay.

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 19


Luận văn cao học

1.3 .4

Viện Điện tử - Viễn thông

Những vẫn đề ngăn cản IoT phát triển

 Chƣa có một ngôn ngữ chung
Ở mức cơ bản nhất, Internet là một mạng dùng để nối thiết bị này với thiết bị
khác. Nếu chỉ riêng có kết nối không thôi thì không có gì đảm bảo rằng các thiết bị biết
cách nói chuyện nói nhau. Ví dụ, bạn có thể đi từ Việt Nam đến Mỹ, nhƣng không đảm
bảo rằng bạn có thể nói chuyện tới với ngƣời Mỹ.
Để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau, chúng sẽ cần một hoặc nhiều giao thức
(protocols), có thể xem là một thứ ngôn ngữ chuyên biệt để giải quyết một tác vụ nào
đó. Chắc chắn bạn đã ít nhiều sử dụng một trong những giao thức phổ biến nhất thế

giới, đó là HyperText Transfer Protocol (HTTP) để tải web. Ngoài ra chúng ta còn có
SMTP, POP, IMAP dành cho email, FTP dùng để trao đổi file, vân vân và vân vân.
Những giao thức nhƣ thế này hoạt động ổn bởi các máy chủ web, mail và FTP
thƣờng không phải nói với nhau nhiều, khi cần, một phần mềm phiên dịch đơn giản sẽ
đứng ra làm trung gian để hai bên hiểu nhau. Còn với các thiết bị IoT, chúng phải đảm
đƣơng rất nhiều thứ, phải nói chuyện với nhiều loại máy móc thiết bị khác nhau. Đáng
tiếc rằng hiện ngƣời ta chƣa có nhiều sự đồng thuận về các giao thức để IoT trao đổi dữ
liệu. Nói cách khác, tình huống này gọi là "giao tiếp thất bại", một bên nói nhƣng bên
kia không thèm (và không thể) nghe.
 Hàng rào subnetwork
Nhƣ 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. Cách này cũng vẫn ổn thôi, những thiết bị vẫn hoàn toàn nói đƣợc với nhau
thông qua chức năng phiên dịch của máy chủ rồi. Thế nhƣng mọi chuyện không đơn
giản nhƣ thế, cứ mỗi một mạng lƣới nhƣ thế tạo thành một subnetwork riêng, và buồn
thay các máy móc nằm trong subnetwork này không thể giao tiếp tốt với subnetwork
khác.

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 20


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

Lấy ví dụ nhƣ xe ô tô chẳng hạn. Một chiếc Ford Focus có thể giao tiếp cực kì
tốt đến các dịch vụ và trung tâm dữ liệu của Ford khi gửi dữ liệu lên mạng. Nếu một bộ
phận nào đó cần thay thế, hệ thống trên xe sẽ thông báo về Ford, từ đó hãng tiếp tục

thông báo đến ngƣời dùng. Nhƣng trong trƣờng hợp chúng ta muốn tạo ra một hệ thống
cảnh báo kẹt xe thì mọi chuyện rắc rối hơn nhiều bởi xe Ford đƣợc thiết lập chỉ để nói
chuyện với server của Ford, không phải với server của Honda, Audi, Mercedes hay
BMW. Lý do cho việc giao tiếp thất bại? Chúng ta thiếu đi một ngôn ngữ chung. Và để
thiết lập cho các hệ thống này nói chuyện đƣợc với nhau thì rất tốn kém, đắt tiền.
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 tƣơng đối dễ khắc phục với công nghệ không dây ngày nay. Còn với các vấn đề về
giao thức thì phức tạp hơn rất nhiều, nó chính là vật vản lớn và trực tiếp trên còn đƣờng
phát triển của Internet of Things.
 Có quá nhiều "ngôn ngữ địa phƣơng"
Bây giờ giả sử nhƣ các nhà sản xuất xe ô tô nhận thấy rằng họ cần một giao thức
chung để xe của nhiều hãng có thể trao đổi dữ liệu cho nhau và họ đã phát triển thành
công giao thức đó. Thế nhƣng vấn đề vẫn chƣa đƣợc giải quyết. Nếu các trạm thu phí
đƣờng bộ, các trạm bơm xăng muốn giao tiếp với xe thì sao? Mỗi một loại thiết bị lại
sử dụng một "ngôn ngữ địa phƣơng" riêng thì mục đích của IoT vẫn chƣa đạt đƣợc đến
mức tối đa. Đồng ý rằng chúng ta vẫn có thể có một trạm kiểm soát trung tâm, thế
nhƣng các thiết bị vẫn chƣa thật sự nói đƣợc với nhau.
 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 để mạnh khiến các nhà sản xuất đồng ý chia sẻ quyền điều khiển cũng nhƣ
dữ liệu mà các thiết bị của họ thu thập đƣợc. Hiện tại, các động lực này không nhiều.
Có thể xét đến ví dụ sau: một công ty thu gom rác muốn kiểm tra xem các thùng rác có
đầy hay chƣa. Khi đó, họ phải gặp nhà sản xuất thùng rác, đảm bảo rằng họ có thể truy

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 21

Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

cập vào hệ thống quản lí của từng thùng một. Điều đó khiến chi phí bị đội lên, và công
ty thu gom rác có thể đơn giản chọn giải pháp cho một ngƣời chạy xe kiểm tra từng
thùng một.
 Các "hầm chứa" tập trung hay những "hòn đảo Internet"?
Nếu xu hƣớng hiện nay tiếp tục, dữ liệu đƣợc các thiết bị gửi và nhận sẽ nằm
trong các "hầm chứa" mang tính chất tập trung (centralized silo). Các công ty, nhà sản
xuất có thể kết nối đến các hầm này để thu thập dữ liệu, từ đó tạo ra các bộ giao thức
của riêng mình. Tuy nhiên, nhƣợc điểm của mô hình này đó là dữ liệu sẽ trở nên khó
chia sẻ hơn bởi ngƣời ta cứ phải tạo ra các đƣờng giao tiếp mới giữa các silo. Dữ liệu
sẽ phải di chuyển xa hơn và làm chậm tốc độ kết nối. Chƣa kể đến các nguy cơ bảo mật
và nguy cơ về quyền riêng tƣ của ngƣời dùng nữa.
Trái ngƣợc với hƣớng đi trên, nếu nhƣ các nhà sản xuất có thể thống nhất đƣợc
các bộ giao tiếp chung thì sẽ tạo ra các "hòn đảo Internet" (Internet of Islands). Thiết bị
trong một căn phòng có thể giao tiếp với nhau, giao tiếp với các máy móc khác trong
nhà và thậm chí là cả... nhà hàng xóm. Dữ liệu sẽ đƣợc phân bố trong một khu vực hẹp
hơn nên đảm bảo các vấn đề bảo mật, đồng thời tăng tốc độ hoạt động. Dữ liệu cũng
nhờ đó mà linh hoạt hơn, các thiết bị có thể phản hồi nhanh hơn
1.4 Kết luận chƣơng
Qua chƣơng này, tác giả đã đƣa ra tổng quan lý thuyết về Internet cho vạn vật.
Tóm lại, IoT sẽ là một xu thế tất yếu nhƣng hiện tại nó đang phải đối mặt với không ít
rào cản. Để hƣớng tới một xã hội thông minh, một thành phố thông minh hay một cộng
đồng thông minh thì vai trò của các nhà hoạch định chính sách, các quan chức từ cấp
địa phƣơng đến trung ƣơng, thậm chí cả những ngƣời đứng đầu các quốc gia là cực kỳ
quan trọng. Họ cần phải ý thức đƣợc xu thế phát triển để có những quyết sách quản lý,
phát triển phù hợp với mục tiêu chiến lƣợc phát triển kinh tế-xã hội của mình, sẵn sàng
hội nhập quốc tế một cách chủ động và hiệu quả.

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 22


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

CHƢƠNG 2 : KIẾN TRÚC HỆ THỐNG IOT
2.1 Vì sao cần có kiến trúc tham chiếu cho IoT?
Các nhà kiến trúc hệ thống đƣa ra bốn lý do chính về sự cần thiết nên có kiến trúc tham
chiếu cho IoT nhƣ sau:
 Thiết bị IoT có bản chất kết nối mạng liên tục nên cần có phƣơng thức tƣơng tác
24x7 với các thiết bị này nhƣ qua tƣờng lửa (firewall), NAT và một số cách
khác.
 Đã có hàng tỷ thiết bị IoT xuất hiện trên thế giới và con số này tiếp tục tăng
nhanh nên chúng ta cần kiến trúc có thể mở rộng (scalable).
 Các thiết bị IoT có thể không có giao diện ngƣời dùng (UI), sử dụng hàng ngày
nên cần hỗ trợ cập nhật tự động và quản lý đƣợc từ xa.
 Hầu hết thiết bị IoT dùng để thu thập và phân tích dữ liệu cá nhân. Vì vậy, cần
có mô hình quản lý định danh và điều khiển truy nhập cho các thiết bị IoT cũng
nhƣ cách xuất bản, sử dụng những dữ liệu này.
2.2 Phân loại thiết bị Internet of Things và phƣơng thức kết nối
2.2.1 Mô hình tham chiếu của Internet of Things
Tháng 10 năm 2014, tại diễn đàn Internet của vạn vật thế giới tổ chức tại
Chicago, Cisco, IBM, Intel và trình bày một mô hình tham chiếu Internet của vạn vật.
Mô hình này là một trong nhiều bằng chứng rằng các thành viên công nghiệp lớn đang
kết hợp chặt chẽ với nhau để biến Internet vạn vật trở thành hiện thực. Diễn đàn nhấn

mạnh sự cần thiết của một phƣơng pháp tiếp cận Internet của vạn vật theo tiêu chuẩn
và mở. Mô hình này là sự nỗ lực hợp tác của 28 thành viên của nhóm công tác kiến
trúc, quản lý và phần tích của diễn đàn internet của vạn vật thế giới, với sự tham gia
của Intel, GE, Itron, SAP, Oracle và các thành viên khác

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 23


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

Hình 2.1: Mô hình tham chiếu của internet của vạn vật [10]
Thiết bị gửi và nhận dữ liệu tƣơng tác với các mạng nơi dữ liệu đƣợc truyền đi
qua lớp kết nối, chuẩn hóa và lọc sử dụng tính toán biên trƣớc khi đƣợc lƣu trong cơ sở
dữ liệu, có thể truy cập bởi các ứng dụng xử lý nó và cung cấp nó cho những ngƣời sẽ
thực hiện hoạt động và cộng tác.
Cisco giải thích rằng sử dụng mạng truyền thống, tính toán, ứng dụng và kiến
trúc quản lý dữ liệu sẽ không đủ để hỗ trợ khối lƣợng và nhu cầu kết nối cần cho
Internet của vạn vật. Nó đƣợc dự định nhƣ là "một bƣớc đầu tiên quyết định , giúp
chuẩn hóa các khái niệm và thuật ngữ xung quanh Internet of Things." Mô hình tham
chiếu cung cấp một thuật ngữ phổ biến, mang đến sự rõ ràng đến thế nào các luồng
thông tin và đƣợc xử lý, và tiến triển hƣớng tới một ngành công nghiệp internet của
vạn vật thống nhất.
Mô hiǹ h tham chiế u Internet of Things đóng vai trò nhƣ mô ̣t n ền tảng “mở
”giúp đẩ y nhanh sƣ̣ phát triể nvà triể n khai rô ̣ng raĩ công nghê ̣ này với các thách thƣ́c
đă ̣t ra nhƣ khả năng mở rô ̣ng

(scalability), khả năng tƣơng tác (interoperability), khả

năng tƣơng thić h với cô ng nghê ̣ cũ (agility and legacy compatibility ) khi hê ̣ thố ng
Internet of Things đƣơ ̣c triể n khai tƣ̀ nhiề u tổ chƣ́c, các nhà cung cấp khác nhau.

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 24


Luận văn cao học

Viện Điện tử - Viễn thông

2.2.2 Phân loại thiết bị IoT và phƣơng thức kết nối
Các thiết bị IoT rất đa dạng nhƣng có thể phân thành ba loại chủ yếu, xét theo kích cỡ:
 Những thiết bị IoT có kích thƣớc nhỏ nhất dùng bộ điều khiển 8 bit nhúng, kiểu
cả hệ thống trên chip SoC (System on Chip) và thƣờng không có hệ điều hành.
Ví dụ điển hình là nền tảng phần cứng nguồn mở Arduino 8 bit.
 Mức cao hơn là hệ thống dựa trên chip ARM và Arthero có kiến trúc 32 bit rút
gọn (limited). Những thiết bị này thƣờng là các bộ router nhỏ dành cho gia đình
và những biến thể khác. Hệ thống thƣờng chạy trên nền tảng nhúng Linux rút
gọn hoặc hệ điều hành nhúng dành riêng. Một số trƣờng hợp không sử dụng hệ
điều hành nhƣ Arduino Zero hoặc Arduino Yun.
 Hệ thống IoT lớn nhất là loại sử dụng nền tảng 32 hoặc 64 bit đầy đủ. Những hệ
thống nhƣ Raspberry Pi hay BeagleBone có thể chạy hệ điều hành Linux đầy đủ
hoặc Android. Nhiều trƣờng hợp chính là điện thoại di động hoặc dựa trên công
nghệ điện thoại di động. Những thiết bị này có thể đóng vai trò gateway hoặc
cầu (bridge) cho các thiết bị nhỏ hơn. Ví dụ: thiết bị đeo kết nối qua Bluetooth
công suất thấp với điện thoại di động hay Raspberry Pi, để sau đó làm cầu nối

với mạng Internet.
Có một số giải pháp kết nối giữa thiết bị với Internet hoặc gateway:
 Kết nối Ethernet hoặc Wi-Fi trực tiếp qua giao thức TCP hoặc UDP.
 Bluetooth công suất thấp.
 Kết nối trƣờng gần (NFC).
 Zigbee hoặc các mạng vô tuyến khác.
 SRF và kết nối vô tuyến điểm-điểm.
 UART hoặc kênh nối tiếp (serial lines).
 SPI hoặc kênh I2C (wired buses).

Học viên thực hiện: Dƣơng Anh Sơn

Page 25