Nghiên cứu giao thức MQTT(Message Queue Telemetry Transport) và ứng dụng thu thập dữ liệu cảm biến theo MQTT (tt)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

ĐỖ HUY NAM

NGHIÊN CỨU GIAO THỨC MQTT (MESSAGE QUEUE
TELEMETRY TRANSPORT) VÀ ỨNG DỤNG THU THẬP
DỮ LIỆU CẢM BIẾN THEO MQTT

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60.48.01.01

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2017


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ: Hoàng Lê Minh…

Phản biện 1: …………………………………………………………………
Phản biện 2: …………………………………………………………………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công

nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ...............

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông


1

MỞ ĐẦU
IoT hiện nay đang là một xu hướng mạnh mẽ trên toàn thế giới, mở ra những cơ hội
chưa từng có cho các nền kinh tế, doanh nghiệp, tổ chức và cá nhân để cạnh tranh trong môi
trường mới. Rất nhiều các công ty tập đoàn có giá trị thị trường lớn đang đầu tư vào tỷ đô la
vào nghiên cứu và phát triển lĩnh vực này trên thế giới.
Cha đ của IoT - ông Kevin shton nhà sáng lập Trung tâm uto-ID tại Viện Công
nghệ Massachusetts, M

từng giải thích, IoT được hiểu đơn giản là viễn cảnh mà tất cả đồ

vật trên thế giới, từ chiếc máy bay khổng lồ cho đến những vật d ng bình thường nh b
trong cuộc s ng, đều được kết n i, truyền tải, tương tác và trao đổi dữ liệu với nhau qua
mạng internet. Khi đó, m i đồ vật sẽ được gán một m nhận dạng, gi ng như địa ch IP trên
hệ th ng. Nhờ vậy, người d ng có thể tương tác, điều khiển và kiểm soát mọi thứ trong cuộc
s ng thông qua những thiết bị thông minh, như điện thoại thông minh, máy tính bảng... 12
Phạm vi ứng d ng công nghệ IoT thực sự rộng lớn và đa dạng, từ quản l giao thông,
quản l đô thị, quản l môi trường, ứng phó khẩn cấp đến mua sắm thông minh, các dịch v
y tế chăm sóc sức kh e.
IoT gần đây đ đạt được lực k o rất lớn. IoT thách thức các doanh nghiệp, các công
ty nh , và các nhà phát triển với những vấn đề mới để giải quyết đặc biệt là vấn đề giao tiếp
giữa các thiết bị IoT. Để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau, chúng sẽ cần một hoặc nhiều
giao thức, có thể xem là một thứ ngôn ngữ chuyên biệt để giải quyết một tác v nào đó.
Chắc chắn chúng ta đ ít nhiều sử d ng một trong những giao thức phổ biến nhất thế giới,
đó là HTTP để tải web. Ngoài ra chúng ta còn có SMTP, POP, IM P dành cho email, FTP
d ng để trao đổi file…

Những giao thức như thế này hoạt động ổn bởi các máy chủ web, mail và FTP
thường 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 đương rất
nhiều thứ, phải nói chuyện với nhiều loại máy móc thiết bị khác nhau. Đáng tiếc rằng hiện
người ta chưa có nhiều sự đồng thuận về các giao thức để IoT trao đổi dữ liệu. Nói cách
khác, tình hu ng này gọi là "giao tiếp thất bại", một bên nói nhưng bên kia không mu n và
không thể nghe. Hiện nay có rất nhiều giao thức giao tiếp giữa các thiết bị IoT được đưa ra
như: HTTP, Universal Plug and Play (UPnP), CoAP, XMPP, MQTT.


2

Trong giai đoạn gần đây giao thức MQTT đang nổi lên như là một giao thức được sử
d ng phổ biến d ng cho giao tiếp IoT, rất nhiều h ng công nghệ lớn đ sử d ng, áp d ng và
h trợ giao thức MQTT cho các ứng d ng của mình như: Facebook cho ứng d ng Facebook
Messenger, IBM, Intel, Amazon, WSO2, Microsoft [7].
Đó là l do tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu giao thức MQTT (Message Queue
Telemetry Transport) và ứng dụng thu thập dữ liệu cảm biến theo MQTT” làm luận
văn t t nghiệp.
Cấu trúc của luận văn được chia làm ba chương, với nội dung chính của m i
chương như sau:


Chƣơng 1: Tổng quan về Internet of Things (IoT).



Chƣơng 2: Tìm hiểu giải pháp thu thập dữ liệu cảm biến bằng công nghệ



Chƣơng 3: Xây dựng ứng d ng IoT thu thập dữ liệu cảm biến theo giao

IoT.

thức MQTT.

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS (IoT)
Trong khoảng hai năm trở lại đây, chắc hẳn chúng ta đ không ít lần nghe thoáng qua
về khái niệm IoT, hay bắt gặp tin tức về các sản phẩm được quảng cáo là ph c v cho nhu


3

cầu “smart home” nhà thông minh . Trong đó, những thiết bị gia d ng như lò nướng hay tủ
lạnh có thể "nói chuyện" được với nhau. Nhưng chúng kết n i với nhau như thế nào, và liệu
xu hướng này có thực sự b ng nổ, đưa chúng ta đến một thế giới tương lai như trong game
hay phim ảnh? Trong b i cảnh mà hàng ngày càng nhiều chủng loại thiết bị được gán mác
“thông minh - smart” và thi nhau “lên mây-cloud” như hiện nay, sẽ là không thừa khi chúng
ta tìm hiểu các kiến thức căn bản về hệ sinh thái IoT này.

1.1

Giới thiệu về IoT

Hình 1. 1: Mô hình Internet of Things
(Nguồn: Tham khảo từ internet)

IoT là khái niệm để ch các thiết bị có khả năng kết n i với nhau, kết n i với Internet
và tạo nên một mạng lưới các thiết bị thông minh ph c v cho cuộc s ng người d ng 12 .

4

1.1.1 Định nghĩa về IoT

Hình 1. 2: Sự tăng trƣởng của các thiết bị IoT [12]

IoT là thuật ngữ d ng để ch các đ i tượng có thể được nhận biết cũng như ch sự
tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết n i. C m từ này được đưa ra bởi Kevin
shton vào năm 1999. Ông là một nhà khoa học đ sáng lập ra Trung tâm

uto-ID ở đại

học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID cũng như một s loại cảm biến
khác [14]. Lợi ích và vai trò của IoT
IoT có ảnh hưởng và ứng d ng rất rộng r i trên nhiều lĩnh vực như: quản l hạ tầng,
y tế, xây dựng và tự động hóa, giao thông, quân sự, truyền thông, tài chính…
C thể trong lĩnh vực y tế, các thiết bị IoT có thể được sử d ng để cho ph p theo dõi
sức kh e từ xa và hệ th ng thông báo khẩn cấp. Các thiết bị theo dõi sức kh e như đo huyết
áp, nhịp tim hay các thiết bị tiên tiến có khả năng giám sát cấy gh p đặc biệt như máy điều
hòa nhịp tim, máy trợ thính… đang được đưa vào nghiên cứu, sản xuất để ph c v cho nhu
cầu của con người một cách t i ưu nhất.
Nhờ IoT, có nhiều

tưởng độc đáo đ trở thành hiện thực. Không ch phát huy t t

hơn cho công d ng v n có của thiết bị, IoT còn góp phần đem lại cuộc s ng t t đẹp hơn cho
con người
Có thể nói, lợi ích của IoT đ i với cuộc s ng của con người hiện đại là vô c ng

phong phú. Không những ch quan tâm chăm lo về vấn đề sức kh e, mà còn hướng đến
những lợi ích khác về mặt an ninh, giáo d c.


5

Theo như dự báo của các chuyên gia về tiềm năng của IoT đến năm 2020, họ cho
rằng, IoT sẽ càng ngày càng phát triển mạnh mẽ hơn nữa. IoT đ và đang trở thành chìa
khóa thành công trong tương lai 1 .

1.1.2 Các cơ hội và xu hướng phát triển của IoT
IoT là xu hướng phát triển mạnh mẽ của thế giới và đ bắt đầu xuất hiện tại Việt
Nam như nhà thông minh, giao thông thông minh, đô thị thông minh… Trên nền tảng của
b n tr cột công nghệ là mạng x hội, công nghệ di động, phân tích dữ liệu lớn, điện toán
đám mây, IoT được dự báo sẽ đem lại một kỷ nguyên mới b ng nổ cả về s lượng kết n i
với khoảng 80 tỷ kết n i vào năm 2020 cũng như các dịch v , ứng d ng trên nền Internet,
tạo động lực phát triển kinh tế, đổi mới công nghệ, từ đó tác động đến mọi mặt đời s ng
kinh tế x hội của các qu c gia.
Trên thế giới đ hình thành các liên minh IoT như liên kết qu c tế giữa các khu vực
(EU - Hàn Qu c, EU - Trung Qu c, EU - Nhật Bản… , liên minh các h ng Intel, Samsung,
Dell, Broadcom... . Tại Việt Nam, S.M. .C với Social mạng x hội , Mobility di động ,
nalytics phân tích dữ liệu lớn và Cloud điện toán đám mây đang tạo ra xu thế phát triển
"thông minh" trên mọi lĩnh vực 3 .
Bùng nổ những trang chia sẻ cộng đồng
Việc b ng nổ những trang web chia s cộng động được tích hợp với chức năng chia
s ảnh, âm nhạc hay video nhằm k o mọi người gần lại nhau hơn trong một “thế giới
phẳng” yêu cầu một mạng lưới truyền tải có dung lượng lớn để đảm bảo yêu cầu ngày một
cao hơn của người d ng.
Nhiều hơn những trang tìm kiếm
Ngày càng có nhiều hơn những trang web tìm kiếm, chia s và lưu trữ thông tin,

thông tin ngày một nhiều lên yêu cầu một hệ th ng lưu trữ có thể th a m n yêu cầu của
người d ng.
Những trang chia sẻ đa phương tiện
Youtube là trang mạng nổi tiếng nhất trong lĩnh vực tạo và chia s video trên mạng,
c ng với đó là các trang chia s âm nhạc và hình ảnh khác. Những trang ứng d ng này yêu
cầu dung lượng lớn cả về vấn đề lưu trữ cũng như truyền tải.
Nguồn lợi mới trong lĩnh vực kinh doanh
IoT mở ra cơ hội đổi mới công nghệ và ước đoán sẽ mang lại các giá trị tương đương
19.000 tỷ USD trong vòng 10 năm tới. Hiện nay có khoảng 8 tỷ các thiết bị kết n i, nhưng


6

đến năm 2020 sẽ lên tới 80 tỷ thiết bị. Một s

tưởng và sản phẩm về IoT đ bắt đầu xuất

hiện như nhà thông minh, các thiết bị điều khiển trong gia đình, giao thông.
Sự phát triển của IoT tạo ra b n bước chuyển dịch trong vai trò của các nhà khai thác
viễn thông. Vai trò đầu tiên là thu thập dữ liệu để nâng cao hiệu quả nội bộ như hệ th ng
báo cáo và roaming. Vai trò thứ hai là phân tích thông tin tương tác của khách hàng, để
cung cấp những dịch v IoT mang tính cá nhân cho các thuê bao của mình. Vai trò thứ ba là
sử d ng cơ sở dữ liệu phân tích là giá trị, kết n i với các công ty cung cấp dịch v ở lĩnh
vực khác tạo ra sản phẩm hiệu quả. Vai trò thứ tư là cung cấp dịch v quản l dữ liệu cho
các kết n i IoT, làm cầu n i giữa các công ty cung cấp ứng d ng IoT với chính các kết n i
IoT có SIM và không có SIM để các bên đều mua được dịch v mình cần và bán được dịch
v mình có một cách hiệu quả 2 .
Để có thể triển khai IoT thành công và bền vững, cần phải cân nhắc đến b n yếu t là
nền tảng phần mềm, hệ sinh thái giữa các ngành, quá trình chuẩn hóa về công nghệ và giải
quyết được những lo lắng của khách hàng liên quan tới đảm bảo tính riêng tư và an toàn.

Mặc d khái niệm IoT được đưa ra từ lâu. Nhưng trong những năm gần đây nó mới
được nhiều doanh nghiệp cũng như các nhà khoa học để

và phát triển mạnh mẽ. Trong các

năm gần đây tại các triển l m công nghệ CES, triễn l m di động toàn cầu... các h ng sản
xuất lớn thay nhau đưa ra các thiết bị thông minh: tivi thông minh, tủ lạnh thông minh và
tưởng về nhà thông minh, giao thông thông minh, thành ph thông minh... liên t c được giới
thiệu. Và khi gây được sự chú

của cộng đồng, IoT đ cho thấy tiềm năng của mình bằng

những con s đáng kinh ngạc.
IoT đang trở thành xu hướng toàn cầu, được dự đoán là sẽ tạo ra sự b ng nổ kinh tế
mới và là thị trường thiết bị lớn nhất trên thế giới. Ước tính đến năm 2019, thị trường này sẽ
gấp đôi quy mô thị trường smartphone, PC, tablet, xe hơi kết n i và thị trường các thiết bị
đeo trên người cộng lại. IoT sẽ mang lại 1,7 nghìn tỷ USD giá trị gia tăng cho nền kinh tế
toàn cầu trong 4 năm tới, bao gồm phần cứng, phần mềm, chi phí lắp đặt, dịch v quản l ,
và giá trị kinh tế tạo ra từ hiệu quả của IoT 2 .

1.1.3 Các công nghệ nền tảng của IoT
Các công nghệ chủ ch t của IoT đó là, RFID, Sensor, Smart, Nano. Sự phát triển của
những công nghệ nói trên cũng có thể coi là xu hướng phát triển của IoT.


7

1.2

Tổng quan về giao thức thu thập dữ liệu IoT

1.2.1 Giao thức MQTT
1.2.1.1

Giới thiệu về giao thức MQTT

MQTT được tạo ra bởi Tiến sĩ

ndy Standford-Clark của IBM và Arlen Nipper of

Arcom (bây giờ Eurotech in 1999 như một phương thức đáng tin cậy hiệu quả với chi phí
để kết n i các thiết bị giám sát sử d ng trong các ngành công nghiệp dầu m và khí đ t với
các máy chủ doanh nghiệp từ xa. Khi thử thách với việc tìm kiếm một cách để đẩy dữ liệu
từ các cảm biến đường ng trong sa mạc để quản lý hệ th ng SCADA, họ quyết định một
giao thức TCP/IP dựa trên mô hình xuất bản/đăng k

publish/subscribe đó sẽ là sự kiện

hướng tới giảm chi phí giữ liên kết truyền hình vệ tinh [7].

1.2.1.2

Mô hình giao thức MQTT

Hình 1. 5: Mô hình giao thức MQTT [7]

Một phiên làm việc MQTT được chia thành b n giai đoạn: kết n i, xác thực, giao
tiếp và chấm dứt. Một khách hàng bắt đầu bằng cách tạo ra một kết n i TCP/IP cho broker
bằng cách sử d ng một cổng tiêu chuẩn hoặc một cổng tùy ch nh được xác định bởi các nhà
khai thác của nhà môi giới. Khi kết n i, điều quan trọng là nhận ra rằng các máy chủ có thể

tiếp t c một phiên cũ nếu được cung cấp với một danh tính khách hàng tái sử d ng.


8

1.2.1.3

Định dạng thông điệp MQTT

1.2.1.4

Môi trường hoạt động MQTT

Bởi vì MQTT không được thiết kế với an ninh trong tâm trí, giao thức có truyền
th ng được sử d ng trong các mạng lưới an toàn, back-end cho các m c đích ứng d ng c
thể. Cấu trúc đề MQTT có thể dễ dàng tạo thành một cái cây khổng lồ và không có cách nào
rõ ràng làm thế nào để phân chia một cây thành các miền logic nh hơn có thể được liên.
Điều này làm cho nó khó khăn để tạo ra một mạng lưới MQTT khả năng mở rộng trên toàn
cầu, bởi vì như kích thước của các chủ đề cây trồng, độ phức tạp tăng lên.

1.2.2 Giao Thức CoAP
1.2.2.1

Giới thiệu về giao thức CoAP

Các giao thức CoAP là cần thiết vì các giao thức truyền th ng được coi là "quá nặng"
cho các ứng d ng liên quan đến các thiết bị IoT hạn chế. Mạng lưới các nút kết thúc IoT có
xu hướng "nén -lossy", nhưng các thiết bị năng lượng thấp mà dựa vào họ được kỳ vọng sẽ
tiếp t c hoạt động - được trang bị pin hoặc thu năng lượng - trong nhiều năm và cần phải
tiêu hao ít năng lượng càng t t [8].

CoAP là một giao thức phần mềm cho ph p đơn giản ràng buộc nhiều thứ chẳng hạn
như cảm biến năng lượng thấp và cơ cấu chấp hành để giao tiếp tương tác thông qua
internet. Nó chạy trên các thiết bị có h trợ các UDP, và thực hiện một "nhẹ" lớp ứng d ng
có tính năng kích thước nh nhắn, quản lý tin nhắn và trên không nhắn nhẹ l tưởng cho các
thiết bị điện năng thấp, bộ nhớ thấp.

1.2.2.2

Mô hình giao thức CoAP.

1.2.2.3

Định dạng thông điệp CoAP.

1.2.2.4

Môi trường hoạt động CoAP

CoAP là một giao thức sử d ng chủ yếu như là một giao thức một-một cho chuyển
trạng thái thông tin giữa máy khách và máy chủ. Trong khi nó có h trợ cho quan sát tài
nguyên, CoAP là phù hợp nhất với một mô hình chuyển trạng thái, không hoàn toàn là dựa
trên sự kiện.
Thông tin thiết bị, thiết bị điều khiển và thiết bị thông tin liên lạc trong mạng gia đình
thông minh có các ký tự của chi phí thấp và trọng lượng nhẹ. Như vậy, CoAP có thể được
xem là sự lựa chọn giao thức t t nhất cho các mạng truyền thông gia đình thông minh.


9

Mạng nhà thông minh cung cấp kiểm soát và giám sát năng lượng của các thiết bị

trong nhà. Hệ th ng kiểm soát năng lượng sử d ng quản lý ổ cắm thông minh và thiết bị sử
d ng màn hình điện để cung cấp điện áp, thông tin năng lượng hiện tại và khác. Nó có thể
nhận ra cảnh báo tai nạn, điều khiển từ xa và tiết kiệm năng lượng năng động. Cấu trúc hệ
th ng được thể hiện trong Hình 1.15. M i bộ sưu tập nút dữ liệu với CoAP khách hàng có
thể trao đổi thông tin với các nút khác. CoAP có thể được cài đặt được trong mạng LAN
hoặc Internet. Không gi ng như nhiều giao thức không dây cho các thiết bị, Co P đ thiết
kế không bị hạn chế trong một mạng nội bộ nhưng cung cấp nền tảng cơ bản của trang web.
Trong hệ th ng này, các proxy CoAP-HTTP được sử d ng để cung cấp cho khách hàng kết
n i HTTP đến tài nguyên Co P và ngược lại [8].

Hình 1. 15: Hệ thống kiểm soát năng lƣợng [8]

1.2.3 Một số ưu điểm của MQTT so với các giao thức IoT khác
MQTT là một giao thức truyền thông nhiều-nhiều để truyền các thông điệp giữa
nhiều khách hàng thông qua broker trung tâm. Nó tách riêng người sản suất (producer) và
người tiêu th (consumer) bằng cách cho phép các client gửi bản tin đi và có các broker
quyết định đường đi và sao ch p bản tin. MQTT có một s h trợ để duy trì bản tin, nhưng
nó làm t t nhất nhiệm v là bus truyền dữ liệu trực tiếp.
Giao thức MQTT thì nhẹ nhàng và nhanh hơn. Nó mất rất ít bytes cho việc kết n i
với server và kết n i có thể giữ trạng thái mở xuyên su t.
MQTT hoạt động t t trong môi trường băng thông thấp, độ trễ cao, sử d ng ít năng
lượng.


10

Các định dạng thông điệp của giao thức MQTT phong phú, sử d ng cho được nhiều
m c đích miễn là phía client biết được định dạng bản tin để giao tiếp.
MQTT trong giai đoạn gần đây đang nổi lên như là một giao thức được sử d ng phổ
biến đóng một vai trò quan trọng d ng cho giao tiếp IoT, rất nhiều h ng công nghệ lớn đ sử

d ng, áp d ng và h trợ giao thức MQTT cho các ứng d ng của mình như: Facebook, IBM,
Intel, Amazon, WSO2, Microsoft,… 7

1.3

Kết luận chƣơng 1


11

CHƢƠNG 2: TÌM HIỂU GIẢI PHÁP THU THẬP DỮ LIỆU CẢM
BIẾN BẰNG CÔNG NGHỆ IoT
Dữ liệu cảm biến là trong thành phần không thể thiếu trong thực tế ngày càng tăng
của môi trường IoT. Trong kịch bản IoT, hầu như bất cứ thực thể tưởng tượng có thể được
trang bị với một định danh duy nhất (UID) và khả năng truyền dữ liệu qua mạng. Phần lớn
các dữ liệu được truyền là dữ liệu cảm biến. Kh i lượng lớn các dữ liệu sản xuất và truyền
từ thiết bị cảm biến có thể cung cấp rất nhiều thông tin, nhưng thường được coi là thách
thức lớn tiếp theo dữ liệu cho các doanh nghiệp. Để đ i phó với thách thức, phân tích dữ
liệu cảm biến là một lĩnh vực đang cần rất nhiều n lực để phát triển.

2.1

Mạng cảm biến không dây

2.1.1 Mạng cảm biến là gì?
Mạng cảm biến không dây WSN bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử d ng
các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học để ph i hợp thực hiện nhiệm
v thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ
v ng địa lý nào [4]. Mạng WSN có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp
hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát Sink và môi trường mạng công cộng như

internet hay vệ tinh. Lợi thế chủ yếu của WSN là khả năng triển khai ở bất kỳ loại hình địa
lý nào kể cả môi trường nguy hiểm không như các mạng cảm biến có dây thông thường.
Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đ tạo ra nhiều khả năng
mới cho con người. Các đầu đo với bộ vi xử lý nh và các thiết bị vô tuyến rất nh gọn tạo
nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thước rất nh , tiết kiệm không gian và thời
gian. Chúng có thể hoạt động trong môi trường dày đặc với khả năng xử lý t c độ cao [4].

2.1.2 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây
Một mạng WSN bao gồm s lượng lớn các n t được triển khai dày đặc bên trong
hoặc rất gần đ i tượng cần thăm dò, thu thập thông tin dữ liệu. Vị trí các cảm biến không
cần định trước vì nó cho phép triển khai ngẫu nhiên trong các vùng không thể tiếp cận hoặc
các khu vực nguy hiểm. Khả năng tự tổ chức mạng và cộng tác làm việc của các cảm biến
không dây là những đặc trưng rất cơ bản của mạng này.


12

Với s lượng lớn các cảm biến không dây triển khai gần nhau thì truyền thông đa liên
kết được lựa chọn để công suất tiêu th là nho nhất (so với truyền thông đơn liên kết) và
mang lại hiệu quả truyền tín hiệu t t hơn so với truyền khoảng cách xa [4].

Hình 2. 1: Cấu trúc cơ bản của mạng WSN [4]

2.1.3 Ứng dụng và xu hướng phát triển của WSN
WSN cung cấp rất nhiều các ứng d ng hữu ích ở nhiều lĩnh vực trong cuộc s ng [4].
Các ứng d ng trong bảo vệ môi trường
 Giám sát lũ l t, b o, gió, mưa, cháy rừng,..
 Phát hiện hoạt động núi lửa, động đất, sóng thần, ô nhiễm, chất thải, chất độc
trong môi trường.
Các ứng d ng trong y tế.

Các ứng d ng trong gia đình.
Hệ th ng giao thông thông minh
Ứng d ng trong quân sự, an ninh
Ứng d ng trong thương mại
Để WSN thực sự trở lên rộng khắp trong các ứng d ng, một s
trở ngại cần vượt qua:

thách thức và


13

2.2

Tổng quan về IoT Gateway

2.2.1 Giới thiệu về IoT Gateway
Với sự phát triển của IoT và hàng tỷ thiết bị cần kết n i với thế giới, một trong những
thành phần quan trọng nhất của của các hệ th ng IoT đó một thiết bị được gọi là một "IoT
Gateway". Một IoT Gateway tổng hợp dữ liệu cảm biến, chuyển giữa các giao thức cảm
biến, xử lý dữ liệu cảm biến trước khi gửi nó trở đi và còn nhiều hơn nữa [17].
Tầm quan trọng của IoT Gateway là điều dễ hiểu khi chúng ta xem xét sự bùng nổ
trong "Vạn vật - Things" kết n i đ xảy ra trong vài năm qua. Với điểm s của các giao
thức, các mô hình kết n i và hồ sơ năng lượng và các tính chất phân tán cao của hệ th ng
IoT, các Gateway là thiết để quản lý và kiểm soát các môi trường phức tạp.
IoT Gateway thực hiện một s chức năng quan trọng như kết n i thiết bị, chuyển
tiếp, lọc dữ liệu và biến đổi, bảo mật, cập nhật, quản lý và nhiều hơn nữa. IoT Gateway mới
hơn cũng hoạt động như là nền tảng cho mã ứng d ng xử lý dữ liệu và trở thành một phần
thông minh của một hệ th ng thiết bị kích hoạt [16].

Hình 2. 3: Mô hình IoT Gateway [16]


14
Bảng 2. 1: Một số nền tảng IoT Gateway phổ biến trên thế giới [16]

Tên sản phẩm

Ngôn ngữ

Giao thức thông

Website

điệp
Bluemix by IBM

Java, Node.js, Go, MQTT

ibm.com/bluemix

PHP, Python,
Ruby
on Rails
Ngôn ngữ độc lập

MQTT

oncloudone.com

AirVantage M2M

Java, Python,

sierrawireless.com

Cloud

JavaScript, Ruby

MQTT, AMQP,
OMA

EVRYTHNG
Engine

Tất cả các ngôn
ngữ phổ biến

MQTT,
WebSockets

evrythng.com

Microsoft Azure

JavaScript,
Python, .NET,
PHP, Java,

AMQP

azure.microsoft.com

CloudOne IoT
Platform

Lightweight M2M,
HTTP

Node.js
Amazon IoT
Platform

JavaScript,
Python,Ruby,
.NET, PHP, Java,

MQTT, HTTP,
hoặc WebSockets

aws.amazon.com

Oracle Internet of

Java

HTTP, MQTT

oracle.com

Salesforce1

Java, JavaScript,

REST, SOAP

salesforce.com

Platform

Apex, ObjectiveC, Ruby

ThingWorx, a
PTC

Giao diện kéo thả

MQTT, AMQP,
XMPP, CoAP,
DDS, WebSockets

thingworx.com

Things Platform

Business


15

2.2.2 Đặc điểm và lợi ích của IoT Gateway
IoT Gateway được đặt tại giao điểm của các hệ th ng - thiết bị, điều khiển và cảm
biến - và đám mây.

Hình 2. 4: Vị trí của IoT Gateway trong hệ sinh thái IoT [17]

Các Gateway truyền th ng thực hiện chủ yếu là giao thức chuyển tiếp và chức năng
quản lý thiết bị, chúng không phải là thông minh, để có thể thiết bị lập trình thực hiện trong
chiều sâu và chế biến phức tạp trên dữ liệu IoT. Ngày nay các IoT Gateway "thông minh" phân ph i bởi các công ty như IBM, Dell, Wind River/Intel, NEXCOM và những hãng
khác, là nền tảng điện toán chính thức chạy hệ điều hành hiện đại (ví d , Linux hoặc
Windows).
IoT Gateway cần phải h trợ các chức năng sau đây:
Độ tin cậy kết nối và an ninh - bảo đảm tính toàn vẹn của mạng và hệ th ng trong cả
hai hướng
Giao thức và cầu nối dữ liệu - được dịch và chuyển giao dữ liệu giữa và trong các hệ
điều hành với giao thức truyền thông khác nhau và các định dạng dữ liệu
Lưu trữ và phân tích – Việc lưu trữ và phân tích dữ liệu sẽ giúp cho việc điều khiển
và ra quyết đinh gần gũi hơn với các thiết bị.
Quản lý - khả năng cung cấp, cập nhật và kiểm soát truy cập các thiết bị vào hệ th ng
cũng như quyền dựa trên chính sách.


16

2.2.3 Ứng dụng của IoT Gateway
IoT Gateway được thiết kế để h trợ một s trường hợp sử d ng trên các lĩnh vực
khác nhau như nhà thông minh, năng lượng thông minh, tự động hóa công nghiệp, xây dựng
tự động hóa và đưa ra PI REST dựa SDK để phát triển ứng d ng 17 .
IoT Gateway là ph hợp với đặc điểm k thuật một M2M và sử d ng một M2M giao

diện REST được xác định để kết n i với các ứng d ng Cloud. Nó ph hợp với các thủ t c an
ninh xác định bởi một M2M.

2.3

Thu thập dữ liệu cảm biến bằng công nghệ IoT

2.3.1 Đặc điểm của dữ liệu cảm biến trong IoT
Dữ liệu cảm biến là dữ liệu đầu ra của một thiết bị mà nó được phát hiện và phản hồi
với một s kiểu đầu vào vào từ môi trường vật l . Các dữ liệu cảm biến đầu ra có thể được
sử d ng để cung cấp thông tin hoặc đưa vào các hệ th ng khác hoặc để hướng dẫn một quá
trình.
Dữ liệu cảm biến trong IoT có một s cấu trúc cho các tin nhắn được gửi từ WSN
được định nghĩa ở đây. Đầu tiên là dữ liệu bản tin kiểu Json, và thứ hai là XML và thứ ba,
một cấu trúc nh gọn hơn là CSV 12 . Sự kiện cũng có thể được truyền đi với các định
dạng.

2.3.1.1

Định dạng JSON (JavaScript Object Notation)

JSON là dạng định dạn chúng ta hay sử d ng nhất. JSON là một chuẩn mở dựa trên
văn bản có nguồn g c từ các dạng được sử d ng để đại diện cho các cấu trúc dữ liệu đơn
giản trong JavaScript. Mặc d nó được bắt nguồn từ JavaScript, nó là ngôn ngữ độc lập và
phân tích cú pháp tồn tại cho tất cả ngôn ngữ phổ biến 18].

2.3.1.2

Định dạng XML

2.3.1.3

Định dạng CSV

M c tiêu của các đại diện CSV là để được như nh gọn càng t t có chứa d tất cả các
thông tin tương tự như các đại diện XML 12 .

2.3.2 Ứng dụng của dữ liệu cảm biến trong IoT
2.4

Kết luận chƣơng 2


17

CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG IOT THU THẬP DỮ LIỆU
CẢM BIẾN THEO GIAO THỨC MQTT
Với việc phát triển ngày càng lớn mạnh của IoT thì việc thu thập dữ liệu và quản
quản lý dữ liệu này là một thách thức đ i với chúng ta.

3.1

Giới thiệu về bài toán thu thập dữ liệu IoT và dữ liệu cảm biến
Mặt trái của IoT là việc sử d ng hầu hết các thiết bị đều được d ng để thu thập dữ

liệu và gửi qua mạng kết n i. Các vòng đeo tay thu thập dữ liệu hoạt động và phân tích trên
website, từ đó người dùng có thể đặt m c tiêu hoặc cạnh tranh với những người dùng khác.
Các sản phẩm nhà thông minh ghi lại mức năng lượng sử d ng, cho phép chủ nhà sử d ng
gas và điện hiệu quả hơn bằng cách kiểm soát lượng nhiệt. Biển báo thông minh theo dõi
lưu lượng xe cộ qua lại, từ đó những con đường có thể được sử d ng hiệu quả hơn. Lượng

dữ liệu trực tuyến đ sắp tới mức bùng nổ.

3.2

Xây dựng một ứng dụng IoT thử nghiệm thu thập dữ liệu cảm biến với

IoT Gateway và giao thức MQTT.
3.2.1 Giới thiệu về nền tảng IBM Bluemix
IBM Bluemix: Là sản phẩm được tạo ra bởi IBM sử d ng nền tảng điện toán đám
mây kết hợp nền tảng như một dịch v
một dịch v

platform as a service - PaaS với cơ sở hạ tầng như

infrastructure as a service - IaaS . Ngoài ra, Bluemix có một danh m c phong

phú các dịch v điện toán đám mây có thể dễ dàng tích hợp với PaaS và IaaS để xây dựng
các ứng d ng kinh doanh nhanh chóng 11 .

3.2.2 Giới thiệu về ứng dụng
Ứng d ng IoT này cho phép chúng ta dễ dàng truy cập cảm biến của thiết bị di động
và lấy thông tin như là thiết bị của IoT và gửi thông tin tới nền tảng IoT Gateway là IBM
Bluemix thông qua internet.
Ứng d ng sẽ đọc dữ liệu cảm biến chuyển động từ thiết bị điện thoại và gửi về
Gateway của IBM.


18

Hình 3. 7: Mô hình ứng dụng IoT thử nghiệm

3.2.3 Cài đặt và sử dụng ứng dụng
Bƣớc 1: Thiết lập và cài đặt ứng dụng IBM Bluemix
Bƣớc 2: Sử dụng nền tảng IBM Bluemix IoT
Bƣớc 3: Cài đặt và sử dụng ứng dụng

Hình 3. 12: Màn hình khởi động ứng dụng sử dụng iPhone

Sau khi truy cập cảm biến thì ứng d ng sẽ:
- Tự động gửi các dữ liệu gia t c chuyển động về IoT Gateway.


19

Hình 3. 13: Màn hình gửi dữ liệu cảm biến gia tốc

-

Cho ph p gửi thông điệp và nhận thông tới IoT Gateway

Hình 3. 14: Màn hình gửi dữ liệu thông điệp lên IoT Gateway

Chúng ta có thể vào ứng trên ứng d ng đ khai báo trên IoT Gateway để theo dõi
thông tin các thiết bị kết n i và dữ liệu truyền lên từ thiết bị


20

Hình 3. 16: Màn hình xem thông tin tổng hợp các thiết bị gửi lên IoT Gateway [11]

3.3

Kết luận chƣơng 3


21

KẾT LUẬN
1. Kết quả đạt đƣợc của luận văn
Sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu đến nay luận văn đ được hoàn thành. Về cơ
bản nội dung của luận văn đáp ứng được các nội dung đ đăng k trong đề cương. C thể
luận văn đ đạt được một s kết quả chính sau:
 Đ tìm hiểu giới thiệu tổng quan về IoT, về lợi ích vai trò xu hướng phát triển
những thách thức của IoT cùng với đó là những công nghệ nền tảng của IoT.
 Đ giới thiệu về giao thức thu thập dữ liệu IoT và giao thức MQTT là giao
thức IoT đang là xu hướng và được áp d ng rất nhiều trong các ứng d ng của
IoT hiện nay.
 Luận văn cũng đ tìm hiểu về các giải pháp thu thập dữ liệu cảm biến của IoT
đồng thời giới thiệu về IoT Gateway (một thành phần đóng vai trò quan trọng
bậc nhất trong mô hình kiến trúc của IoT).
 Xây dựng được ứng d ng thử nghiệm thu thập dữ liệu cảm biến gia t c từ điện
thoại di động dựa trên giao thức MQTT, công nghệ IoT Gateway và trên nền
tảng IoT cloud của hãng IBM.

2. Hƣớng phát triển tiếp theo
 Áp d ng xây dựng ứng d ng thu thập dữ liệu cảm biến bằng công nghệ IoT
vào việc thu thập nhiều loại dữ liệu cảm biến, từ nhiều loại thiết bị.
 Từ những dữ liệu cảm biến thu được từ các nguồn dữ liệu thông qua các ứng
d ng thu thập dữ liệu, sẽ cung cấp và đưa ra được các kết quả đánh giá, phân
tích và từ đó sẽ có thể sử d ng cho nhiều m c đích khác nhau.