Ứng dụng của mạng cảm biến trong lĩnh vực tính toán khắp nơi = b application of sensor network in ubiquitous computing
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.81 MB, 117 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN HỮU THẮNG
ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN TRONG
LĨNH VỰC TÍNH TỐN KHẮP NƠI
APPLICATION OF SENSOR NETWORK IN
UBIQUITOUS COMPUTING
Chun ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS NGUYỄN CHẤN HÙNG
Hà Nội 11– 2010
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .............................................................................3
Danh mục các bảng .............................................................................................................5
Danh mục các hình vẽ, đồ thị .............................................................................................6
Mở đầu .................................................................................................................................9
Phương pháp nghiên cứu............................................................................................................. 10
CHƯƠNG 1
1.1
1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
Giới thiệu về đề tài ......................................................................................................... 11
Hệ thống Agrasys ....................................................................................................................... 11
Hệ thống Mobicon...................................................................................................................... 12
Hệ thống BKCAS........................................................................................................................ 13
Các tính năng của các hệ thống Agrasys, Mobicon, Bkcas và đóng góp của học viên.. 15
Giới thiệu các tính năng của hệ thống Agrasys ........................................................................ 15
Giới thiệu các tính năng của hệ thống Mobicon ....................................................................... 17
Giới thiệu các tính năng của hệ thống BKCAS ......................................................................... 18
Đóng góp của tác giả................................................................................................................. 19
CHƯƠNG 2
2.1
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.5
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.3.5
2.4
2.5
2.5.1
2.5.2
2.5.3
2.5.4
TỔNG QUAN ........................................................................................11
Ubiquitous Computing..........................................................................21
Giới thiệu về Tính tốn khắp nơi (Ubiquitous Computing) .......................................... 21
Một số lĩnh vực liên quan............................................................................................... 23
Wearable Computing ................................................................................................................. 23
Proactive Computing ................................................................................................................. 24
Autonomic Computing ............................................................................................................... 24
Ambient Intelligent..................................................................................................................... 25
So sánh sự khác nhau giữa các lĩnh vực liên quan với lĩnh vực tính tốn khắp nơi ................ 29
Đặc trưng của UbiComp ................................................................................................ 30
Tính di động (Mobility).............................................................................................................. 30
Khả năng kết nối liên mạng (Interconnectivity)........................................................................ 31
Khả năng nhận thức ngữ cảnh (Context-Awareness) ............................................................... 32
Khả năng lưu trữ của hệ thống (Storability) ............................................................................. 32
Tính bảo mật cao (High Security) ............................................................................................. 33
Mơ hình hệ thống tính tốn khắp nơi ............................................................................. 33
Vấn đề nhận thức ngữ cảnh (Context-Aware)................................................................ 37
Khái niệm ngữ cảnh (Context)................................................................................................... 37
Khái niệm về bối cảnh (Situation) ............................................................................................. 38
Nhận thức ngữ cảnh (Context – aware) .................................................................................... 38
Nhận thức vị trí (Location – Aware) ......................................................................................... 43
1
Luận văn thạc sĩ
2.6
2.6.1
2.6.2
2.7
2.7.1
2.8
2.8.1
2.8.2
2.8.3
Ứng dụng và nghiên cứu lĩnh vực UbiComp ................................................................. 44
Trong nước ................................................................................................................................. 44
Ngồi nước ................................................................................................................................. 45
Các cơng nghệ thành phần ............................................................................................. 47
Công nghệ định vị vệ tinh GPS (Global Positioning System)................................................... 47
Ứng dụng của mạng cảm biến (Sensor Network) trong lĩnh vực tính tốn khắp nơi..... 53
Sự khác nhau giữa mạng SN trong lĩnh vực tính tốn khắp nơi và mạng SN thông thường ... 53
Khái niệm mạng cảm biến phát hiện ngữ cảnh (Context-AWARE SENSORS) ........................ 54
Framework cho Context-Aware Sensors ................................................................................... 56
CHƯƠNG 3
NETWORK
3.1
3.2
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.3
3.3.1
3.3.2
3.4
3.4.1
3.4.2
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG SENSOR
64
Đề xuất mơ hình kiến trúc Ubiquitous Sensor Network ................................................ 64
Thiết kế và thực thi hệ thống Mobicon .......................................................................... 69
Khối MOBILE Plug-in M2.1...................................................................................................... 69
Khối điều khiển trình duyệt M1.1 .............................................................................................. 70
Khối thu dữ liệu GPS M1.2........................................................................................................ 71
Khối xử lý ngữ cảnh M1.3.......................................................................................................... 71
Thiết kế và thực thi hệ thống đo đạc, thu thập các tham số môi trường - Agrasys ........ 74
Sơ đồ ghép nối hệ thống............................................................................................................. 76
Hoạt động của hệ thống............................................................................................................. 77
Thiết kế và thực thi hệ thống BKCAS ........................................................................... 94
Thiết kế cơ sở dữ liệu ................................................................................................................. 94
Thiết kế giao diện..................................................................................................................... 103
CHƯƠNG 4
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................104
4.1
Mạng Sensor (Hệ thống Agrasys) ................................................................................ 105
4.2
Ứng dụng tính tốn khắp nơi (Ứng dụng Mobicon) .................................................... 109
4.3
Ứng dụng quản lý vào ra, cung cấp thông tin tùy biến ngữ cảnh trong môi trường cơ
quan, doanh nghiệp ................................................................................................................... 111
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................113
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................................................115
2
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
THUẬT NGỮ
GIẢI NGHĨA
GHI CHÚ
Activity
Biểu đồ hoạt động
diagram
Behavioral
Mơ hình hóa hoạt động
modeling
Context-aware
Nhận thức ngữ cảnh
Computer Physical Interaction hay Tương tác máy – thế giới vật
CPI
Physical World Interaction
lý hay Tương tác với thế giới
vật lý
CSDL hoặc DB
DataBase
Cơ sở dữ liệu
ĐHBKHN
Trường Đại học Bách khoa
Hà nội
Distributed Hash Table
DHT
Bảng băm phân tán
Functional
Mơ hình hóa chức năng
modeling
GPS
Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu
HCI
Human-Computer Interface
Giao diện người dùng- máy
tính
Hypertext Transfer Protocol
HTTP
Giao thức truyền tải siêu văn
bản
Human
Mơi trường con người
Environment
Information
ICT
Communication Kỹ thuật giao tiếp thông tin
Technology
iHCI
hay Implicit
Human
-
Computer Tương tác ẩn giữa người
Implicit HCI
Interaction
dùng và máy tính
LAN
Local area Network
Mạng cục bộ
Location-Aware
Nhận thức vị trí
Location-based
Dịch vụ nhận biết vị trí
3
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
Service
Object diagram
P2P
Biểu đồ đối tượng
Peer-to-Peer
Mạng ngang hàng
Physical
Môi trường vật lý
Environment
Platform
RDLAB
Nền tảng
Research
&
Laboratory
RFID
of
Development Phịng nghiên cứu phát triển
Multimedia cơng nghệ truyền thơng đa
Technology (HUT)
phương tiện
Radio Frequency Identification
Công nghệ định dạng bằng
tần số vô tuyến
RFID
Radio Frequency Identification
Công nghệ nhận dạng bằng
tần số vô tuyến
Sequence
Biểu đồ chuỗi
diagram
SN
Sensor Network
Structural
Mơ hình hóa cấu trúc
modeling
Ubicomp
Ubiquitous Computing
Tính tốn khắp nơi
Use-case
Biểu đồ ca sử dụng
diagram
AGRASYS
Agriculture Automation System
Hệ thống giám sát và điều
khiển tự động trong nơng
nghiệp
Virtual
Mơi trường ảo
Environment
Wearable
Tính tốn mang trên người
Computing
4
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
Danh mục các bảng
Bảng 2-1: Tính đặc trưng của thiết bị thông minh, môi trường thông minh, tương tác thông
minh.....................................................................................................................................36
Bảng 2-2: Bốn loại nhận thức ngữ cảnh..............................................................................41
Bảng 3-1: Bảng dữ liệu chứa thông tin về Room................................................................94
Bảng 3-2: Bảng dữ liệu chứa thông tin về Areas ................................................................95
Bảng 3-3: Bảng dữ liệu chứa thông tin về Zones................................................................95
Bảng 3-4: Bảng dữ liệu chứa thông tin về CommonAlerts .................................................96
Bảng 3-5: Bảng dữ liệu chứa thông tin về Resources .........................................................97
Bảng 3-6: Bảng dữ liệu chứa thông tin về RoomResources ...............................................98
Bảng 3-7: Bảng dữ liệu chứa thông tin về RFIDs...............................................................99
Bảng 3-8: Bảng dữ liệu chứa thông tin về RoomEvents .....................................................99
Bảng 3-9: Bảng dữ liệu chứa thông tin về UserCommonAlerts .......................................100
Bảng 3-10: Bảng dữ liệu chứa thông tin về UserScheduler ..............................................100
Bảng 3-11: Bảng dữ liệu chứa thông tin về ZoneAlerts....................................................102
5
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1-1: Sơ đồ kiến trúc của hệ thống Agrasys ................................................................15
Hình 1-2: Kiên trúc hệ thống Mobicon ...............................................................................17
Hình 1-3: Kiến trúc hệ thống BKCAS ................................................................................18
Hình 2-1: Ứng dụng tính tốn khắp nơi ..............................................................................21
Hình 2-2: Các đối tượng trong mơi trường UbiComp.........................................................22
Hình 2-3: Hình ảnh máy tính ZYPAD từ hệ thống điều khiển Arcom ...............................24
Hình 2-4: Mối quan hệ giữa Tính tốn “tiền hành động” và Tính tốn “tự trị”..................25
Hình 2-5: Các u cầu cho một ứng dụng “Mơi trường thơng minh” ................................27
Hình 2-6: Sự khác nhau giữa các lĩnh vực của thế hệ máy tính sau này.............................30
Hình 2-7: Yếu tố xây dựng hệ thống UbiComp ..................................................................34
Hình 2-8: Mơ hình kiến trúc chung của hệ thống tính tốn khắp nơi .................................35
Hình 2-9: Phân loại nhận thức ngữ cảnh .............................................................................40
Hình 2-10: Mơ hình q trình nhận thức ngữ cảnh .............................................................42
Hình 2-11: So sánh quá trình nhận thức ngữ cảnh của người và máy tính .........................42
Hình 2-12: Hệ thống tồn cầu GPS .....................................................................................48
Hình 2-13: Các phần trong hệ thống GPS...........................................................................49
Hình 2-14: Nguyên lý định vị GPS .....................................................................................51
Hình 2-15: Các thế hệ của mạng ngang hàng P2P phân theo mức độ tập trung ..........Error!
Bookmark not defined.
Hình 2-16: Sự khác nhau giữa mạng SN thông thường và mạng SN trong lĩnh vực tính
tốn khắp nơi .......................................................................................................................53
Hình 2-17: Sơ đồ trạng thái máy tiết kiệm năng lượng.......................................................57
Hình 2-18: Kiến trúc Context-Aware Sensor Network .......................................................60
Hình 3-1: Mơ hình kiến trúc Ubiquitous Sensor Network ..................................................65
Hình 3-2: Kiên trúc hệ thống Mobicon ...............................................................................69
Hình 3-3: Mơ hình ứng dụng Xử lý ngữ cảnh (Context Aware).........................................72
Hình 3-4: Biểu đồ tuần tự hoạt động xứ lý ngữ cảnh..........................................................73
Hình 3-5: Sơ đồ kiến trúc của hệ thống Agrasys ................................................................74
6
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
Hình 3-6 : Sơ đồ ghép nối hệ thống ....................................................................................76
Hình 3-7 : Sơ đồ tương tác giữa các khối trong hệ thống ...................................................77
Hình 3-8 : Giản đồ thời gian gửi yêu cầu............................................................................79
Hình 3-9 Cấu trúc file xml .................................................................................................80
Hình 3-10: Lưu đồ thuật tốn hoạt động của hệ thống........................................................82
Hình 3-11: Vị trí của khối thông kê dữ liệu M03.6 trong hệ thống ....................................84
Hình 3-12: Đồ thị thống kê dữ liệu trong quá khứ ..............................................................85
Hình 3-13: Thuật tốn tạo file XML và cơ sở dữ liệu cho ngày (Hình 1) và tháng (Hình 2)
.............................................................................................................................................87
Hình 3-14:Sơ đồ hoạt động trường hợp người sử dụng xem ngày trong quá khứ ..............89
Hình 3-15: Lược đồ hoạt động trường hợp người sử dụng xem N giờ trước......................89
Hình 3-16: Vị trí của khối ứng dụng web,flash M06.2 trong hệ thống...............................90
Hình 3-17 Chức năng khối ứng dụng web-flash M06.2......................................................91
Hình 3-18 Biểu đồ tuần tự hoạt động Giám sát...................................................................92
Hình 3-19 Biểu đồ tuần tự hoạt động Điều khiển ...............................................................93
Hình 3-20 Biểu đồ tuần tự Hoạt động Cấu hình và quản trị hệ thống.................................93
Hình 3-21: Kiến trúc hệ thống BKCAS ..............................................................................94
Hình 3-22: Sơ đồ thực thể liên kết cơ sở dữ liệu...............................................................103
Hình 3-23: Giao diện BKCAS ..........................................................................................104
Hình 4-1: Giao diện chính (Giao diện Desktop PC) .........................................................105
Hình 4-2: Xem dữ liệu tại vị trí 1 sensor trong hệ thống ..................................................106
Hình 4-3: Theo dõi nhiệt độ thơi gian thực.......................................................................106
Hình 4-4: Thống kê dữ liệu theo ngày hiện tại..................................................................106
Hình 4-5: Thống kê dữ liệu theo ngày 2/3/2010 ...............................................................107
Hình 4-6: Thống kê dữ liệu theo tuần từ ngày 15 đến 21 tháng 1/2010 ...........................108
Hình 4-7: Thống kê dữ liệu theo tháng 1/2010 .................................................................109
Hình 4-8: Ứng dụng chạy trên thiết bị đầu cuối là ĐTDD................................................110
Hình 4-9: Hệ thống tự hiển thị thông tin theo ngữ cảnh khi người sử dụng di chuyển trong
mạng SN ............................................................................................................................110
Hình 4-10: Giám sát hình ảnh thời gian thực bằng camera...............................................111
Hình 4-11: Gửi video nhắc việc cho nhân viên.................................................................112
7
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
Hình 4-12: Hệ thống đang thông báo công việc cần làm của nhân viên...........................112
Hình 4-13: Roaming thơng tin giữa các Domain (VD: các phòng ban, khoa viện)..........113
8
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
Mở đầu
UbiComp (Ubiquitous Computing: Tính tốn khắp nơi) là một khái niệm khơng cịn
xa lạ và được nói đến nhiều trong thời gian gần đây, đặc biệt trong các cuộc hội
thảo về IT. Nó được xem như thế hệ tiếp theo của máy tính. Nếu Mainframe là cuộc
cách mạng của một máy và nhiều người dùng, PC là một người một máy thì thời
đại của UbiComp một người nhiều máy. Xu hướng hiện nay, thiết bị máy móc được
liên kết, kết nối chặt chẽ với nhau để phục vụ cho hoạt động sống của nhân tố trung
tâm đó là con người. Hệ thống máy tính sẽ đóng vai trị tự động nhận biết và trả lời
phản hồi, nhận biết sự hiện diện của con người và có những đáp ứng thích hợp.Do
đó, các nhà nghiên cứu đang mong muốn sẽ xây dựng được hệ thống tính tốn khắp
nơi, có khả năng quản lý, cung cấp thông tin cũng như các dịch vụ được tích hợp
chỉ trong một ứng dụng. Hệ thống cần có khả năng tùy biến được ngữ cảnh khác
nhau của đối tượng.
Ngày nay dưới sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật nói chung và cơng
nghệ thơng tin nói riêng, mạng cảm biến ra đời là một trong những thành tựu cao
của công nghệ chế tạo và công nghệ thông tin. Sức mạnh của WSN nằm ở chỗ khả
năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ có khả năng tự thiết lập cấu hình
của hệ thống. Sử dụng những thiết bị này để theo dõi thời gian thực, cũng có thể để
giám sát điều kiện mơi trường, theo dõi cấu trúc hoặc tình trạng thiết bị. etc
Một trong những xu hướng của thế giới hiện nay là nghiên cứu ứng dụng mạng cảm
biến vào lĩnh vực tính tốn khắp nơi, nhằm tạo ra nhiều ứng dụng dựa trên sự kết
hợp của việc cảm nhận, tính tốn và truyền thơng vào trong các thiết bị nhỏ gọn,
đáp ứng nhu cầu ngày càng cao cũng như phục vụ ngày một tốt hơn cho lợi ích của
con người.
Nội dung của luận văn sẽ tập trung vào nghiên cứu nền tảng lý thuyết của lĩnh vực
Sensor Network và Ubiquitous Computing, từ đó đề xuất ra kiến trúc chung để xây
dựng nên các ứng dụng tính tốn khắp nơi dựa trên cơ sở Sensor Network. Đồng
9
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
thời trong luận văn cũng tập trung vào mô tả việc phân tích, thiết kế 3 hệ thống dựa
trên kiến trúc đã đề xuất:
1. Hệ thống giám sát, thu thập các thông số môi trường
(AGRASYS-
Agriculture Automation System)
2. Ứng dụng đầu cuối chạy trên các thiết bị di động, PDA để điều khiển thiết bị
gia dụng, công nghiệp , theo dõi môi trường (MOBICON- MOBILE
CONTROL APPLICATION)
3. Hệ thống quản lý vào ra và cung cấp thông tin tùy biến ngữ cảnh trong môi
trường cơ quan, doanh nghiệp (BKCAS – BACH KHOA CONTEXT –
AWARE SYSYEM )
Phương pháp nghiên cứu
Về mặt phát triển phần mềm, tác giả áp dụng quy trình phát triển phần mềm kết hợp
3 phương pháp tiên tiến hiện nay là phát triển xốy trơn ốc (spiral development),
phát triển lặp (iterative development) và phát triển tích luỹ (incremental
development) trong đó các bước trong quy trình phân tích thiết kế được lặp lại
nhiều lần và cải tiến không ngừng cho đến khi đạt được các yêu cầu đặt ra. Kiểu
thiết kế này rất mềm dẻo, cho phép nâng cấp và không ngừng cải tiến hệ thống một
cách dễ dàng. Về thiết kế hệ thống, nhóm thiết kế theo hướng Top-Down.
10
Luận văn thạc sĩ
CHƯƠNG 1
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu về đề tài
Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu nền tảng lý thuyết của Sensor Network và
Ubiquitous Computing, từ đó đề xuất ra mơ hình kiến trúc chung để xây dựng nên
các ứng dụng tính toán khắp nơi trên cơ sở Sensor Network, đồng thời nghiên cứu
và phát triển 1 số ứng dụng dựa trên mơ hình đã đề xuất.
Trong thời gian 2 năm tham gia thực hiện đề tài KC.01.10/06-10: Nghiên cứu và
phát triển một số sản phẩm tính tốn khắp nơi và di động, phần nghiên cứu
chính được đề cập trong luận văn của tác giả nằm trong 3 hệ thống
Agrasys,Mobicon và Bkcas.
1.1.1 Hệ thống Agrasys
Trong mơi trường canh tác nhà kính, nhà lưới cần liên tục thep dõi các tham số môi
trường (đất canh tác, khơng khí) như nhiệt độ, độ ẩm vì các tham số này ảnh hưởng
trực tiếp đến quá trình sinh trưởng của thực vật. Dựa trên các tham số này, người ta
sẽ điều chỉnh quy trình chăm sóc hoặc chủ động điều chỉnh môi trường bằng nhiều
biện pháp (ví dụ tưới nước, che nắng, phun sương, quạt gió, etc)
Tùy theo từng loại cây trơng khác nhau (ví dụ cây cảnh, hoa, rau, cây ăn quả) cần
có các chế độ tưới tiêu và nhiệt độ phù hợp với quá trình phát triển để cho năng suất
cao nhất.
Do việc thực hiện các cơng việc này hồn tồn bằng nhân cơng rất kém hiệu quả và
không đảm bảo theo dõi 24/24 nên cần có hệ thống tự động giám sát và điều khiển.
Hệ thống AGRASYS (Agriculture Automation System) được phát triển bởi phịng
thí nghiệm nghiên cứu phát triển cơng nghệ Multimedia (RDLAB) Khoa Điện tửViễn thông, ĐHBK HN, là một hệ thống hỗ trợ nơng nghiệp có nhiệm vụ đo lường
giám sát thường xuyên (monitor) và thu thập (data logging) các tham số môi trường
chủ yếu như nhiệt độ, độ ẩm, và có thể điều khiển một số tham số thơng qua các
11
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
thiết bị điện như quạt gió, máy bơm. Các thuật tốn điều khiển dựa trên các tri thức
nông nghiệp của các chuyên gia về từng loại cây trồng. Hệ thống chia làm hai phần
chính: phần giám sát mơi trường và phần điều khiển các thiết bị chấp hành.
1.1.2 Hệ thống Mobicon
Vài năm gần đây, thế giới đã chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ điện thoại di
động. Xuất hiện từ năm 1983, bắt đầu từ những chiếc điện thoại với màn hình đen
trắng, chức năng đơn giản cho đến hiện nay đã phát triển vô cùng mạnh, sử dụng vi
xử lý tốc độ cao, bộ nhớ trong tăng từ vài lên vài trăm Mb. Bộ nhớ ngồi từ khơng
có tăng lên vài Gb và đa dạng về chủng loại như: SD,MMC, USB. Từ lúc đầu chỉ
có một vài hãng sản xuất như Nokia, Siemens, Motorola, đến nay xuất hiện thêm
rất nhiều như Sam sung, LG, HTC, Apple, Microsoft, Google, Panasonic, Sony
Ecrison.Các thiết bị ngoại vị cũng tăng lên không ngừng: Camera chụp ảnh, quay
video, LCD Graphic,GPS, cảm biến gia tốc, etc. Cơ sở hạ tầng mạng di động phát
triển từ 1G, lên 2G, 2,5G, 3G, CDMA,WiFi (802.11), Wimax(802.16).
Điện thoại di động đã trở thành nhu cầu thiết yếu, không thể tách khỏi cuộc sống
của hàng tỉ người trên thế giới. Bối cảnh đó đã làm nảy sinh ra nhu cầu dùng điện
chính thoại di động để tương tác với các thiết bị gia dụng và cơng nghiệp.
Ví dụ, với 1 điện thoại di động hiện đại với màn hình LCD Graphic độ phân giải
cao, khả năng truyền thông mạnh, tài ngun tính tốn lớn, hồn tồn có khả năng
giám sát hoạt động của 1 hệ thống máy móc, hiển thị dữ liệu,ảnh tĩnh và động.
Thậm chí có thể điều khiển các thiết bị đó từ xa qua mạng di động hoặc mạng
Internet.
Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu về các thiết bị tính tốn di động, nhóm đề tài đã
nghiên cứu phát triển sản phẩm MOBICON-(Mobile Control application) để làm
đầu cuối điều khiển các hệ thống thiết bị qui mô công nghiệp như AGRASYS,
ANIMON và các thiết bị chấp hành công suất lớn khác.
Về mặt khoa học & công nghệ, việc thiết kế và phát triển hệ thống này phải vượt
qua rất nhiều các thách thức như.
12
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
1) Các thiết bị đầu cuối di động hết sức đa dạng : Năng lực tính tốn, loại vi xử lý,
loại thiết bị ngoại vi, ứng dụng (trình duyệt, máy ảo java, khả năng kết nối mạng,
kích thước màn hình) 2)Các hãng sản xuất thiết bị di động để đảm bảo được tính
kinh tế và định hướng cho các lớp người dùng khác nhau ln cố tìm cách tối ưu
hố phần mềm và phần cứng dẫn tới sự khơng tương thích giữa các dòng di động
của các hãng khác nhau, thậm chỉ khơng tương thích giữa các dịng khác nhau của
cùng 1 hãng sản xuất. 3) Do các thiết bị di động đều chạy bằng pin nên các
chương trình phải tối ưu hoá về mặt năng lượng. 4) Tối ưu hoá về mặt lưu lượng
truyền thông, do giá cước truyền thông của di động cao hơn so với các thiết bị cố
định. 5) Giao diện người dùng (bàn phím) hạn chế và đa dạng…
Trong quá trình thiết kế phát triển phát triển hệ thống cũng tuân theo một qui trình
hiện đại là RIPPLE, trong đó tập trung vào thiết kế chức năng của giao diện người
dùng di động dựa trên các yếu tố của ngành lao động học (Ergonomic)
Sản phẩm MOBICON làm giảm chi phí vận hành, mở rộng phạm vi vận hành của
người sử dụng (kể cả tại vùng sâu vùng xa hoặc ngoài phạm vi địa lý của 1 quốc
gia), tiết kiệm năng lượng, loại bỏ thời gian chờ khởi động (do điện thoại di động
luôn trong trạng thái sẵn sàng hoạt động, khác với máy tính để bàn hay laptop) .
1.1.3 Hệ thống BKCAS
Trong điều kiện phát triển mạnh mẽ và ngày càng ứng dụng hiệu quả của công nghệ
thông tin và truyền thông vào cuộc sống, đồng thời nhu cầu xã hội đòi hỏi đối với
các ứng dụng này cũng ngày càng thông minh, đa dạng, phong phú, hấp dẫn và bảo
mật hơn. Thực tế cho thấy, đa số các cơ quan, doanh nghiệp giám sát cán bộ, nhân
viên ra vào cơ quan thông qua các cán bộ làm công tác bảo vệ và tấm thẻ đeo trên
người mỗi cán bộ, nhân viên đó. Các nhà quản lý giám sát tiến độ của công việc
của nhân viên thông qua giấy tờ, các bản báo cáo trên giấy hoặc thông qua mail.
Khi người quản lý muốn nhắc nhở hay thông báo cho các thành viên trong đơn vị
của mình một thơng tin cần thiết thì họ phải gọi điện trực tiếp hoặc đến tận nơi
thông báo cho họ. Với cơng nghệ tính tốn khắp nơi thì tất cả các phòng, ban bộ
phận trong cơ quan/doanh nghiệp đều được kết nối với nhau và nối vào mạng
13
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
Internet và mạng viễn thơng. Người quản lý có thể truy nhập vào mạng và gửi tin
thông tin về công việc, thông tin khẩn cấp đến các thành viên tùy theo ngữ cảnh cụ
thể và khả năng có thể nhận thơng tin của các thành viên. Điểm độc đáo của 1 hệ
thống tính tốn khắp nơi là khả năng tự động nhận dạng ngữ cảnh và định tuyến
thơng tin đó đến người dùng một cách tối ưu nhất, phù hợp với nhu cầu thơng tin
của người đó vào đúng thời điểm. Thông tin gửi đến người dùng không chỉ là văn
bản hay tiếng nói mà có thể dưới nhiều dạng khác như Video.
Các thơng tin gửi đến các thành viên hồn tồn được bảo mật, thơng tin đó thuộc về
những thành viên nào thì chỉ có thành viên đó nhận được thơng qua mã cá nhân của
người đó thể hiện qua thẻ nhận diện cá nhân (ví dụ thẻ RFID).
Hệ thống quản lý vào ra cung cấp thông tin tùy biến ngữ cảnh (context-aware)
trong môi trường cơ quan, doanh nghiệp, gọi tắt là BKCAS – Bach Khoa ContextAware System là một hệ thống tính tốn khắp nơi (Ubiquitous Computing) như
vậy.
Trong hệ thống BKCAS, sự kiện quẹt thẻ RFID của nhân viên kết hợp với yếu tố
thời gian được sử dụng để xác định ngữ cảnh, từ đó kích hoạt các hoạt động định
tuyến thông tin đến người dùng theo các kịch bản (Script) do các quản trị viên đã
chuẩn bị và lưu trữ sẵn trên hệ thống.
14
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
1.2 Các tính năng của các hệ thống Agrasys, Mobicon, Bkcas và đóng góp
của học viên
1.2.1 Giới thiệu các tính năng của hệ thống Agrasys
Hình 1-1: Sơ đồ kiến trúc của hệ thống Agrasys
Truy nhập qua mạng
Hệ thống cho phép truy nhập từ xa qua mạng INTERNET,GPRS,3G hoặc truy nhập
trong nội bộ qua mạng LAN,WIFI. Sử dụng các đầu cuối như: Laptop, PC hoặc
điện thoại di động.
Giám sát qua giao diện web
Người sử dụng sẽ giám sát các tham số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) qua giao diện
Web. Giá trị đo đạc được từ các sensor lắp đặt tại hiện trường sẽ hiển thị chi tiết
dưới dạng số nguyên đối với độ ẩm và số thập phân (chỉ có 1 số sau dấu phẩy ) đối
với nhiệt độ.
Thu thập tham số môi trường
15
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
Giá trị tham số môi trường đo đạc được tại hiện trường sẽ được hệ thống lưu vào bộ
nhớ.
Với bộ nhớ có dung lượng là 4Gb, sẽ lưu được giá trị mơi trường thu thập được
trong vịng 2 năm.
Thống kê và vẽ đồ thị tham số môi trường
Tham số môi trường đo đạc sẽ được thống kê lại và được tính tốn,vẽ đồ thị khi có
u cầu của người sử dụng. Sau đây là 5 chế độ :
1. Hiển thị theo thời gian thực
2. Hiển thị theo ngày hôm nay
3. Hiển thị theo ngày bất kì
4. Hiển thị theo tuần
5. Hiển thị theo tháng
Điều khiển tại chỗ
Người sử dụng tương tác với bộ điều khiển của hệ thống (đặt tại tủ tổng) qua giao
diện phím bấm và hệ thống đèn LED, còi báo hiệu.. để điều khiển TBCH.
Điều khiển qua web
Hệ thống hỗ trợ chế độ điều khiển bằng giao diện Web. Người sử dụng cần có 1
đầu cuối có kết nối mạng (LAN,WLAN,3G,GPRS,INTERNERTA) để truy nhập
vào WEBSERVER của hệ thống.Từ đó sử dụng các chế độ điều khiển được hỗ trợ.
Khả năng kết nối với TBCH và sensor
Hệ thống có khả năng kết nối với ít nhất là 3 sensor và 3 TBCH.
16
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
1.2.2 Giới thiệu các tính năng của hệ thống Mobicon
Hình 1-2: Kiên trúc hệ thống Mobicon
Giám sát, thu thập số liệu từ xa qua mạng bằng thiết bị di động cá nhân
Khi đóng vai trị đầu cuối, kết hợp với các hệ thống ANIMON hoặc AGRASYS,
cho phép truy nhập từ xa qua mạng LAN,WLAN,INTERNET,GPRS,3G để giám
sát, thu thập số liệu môi trường.
Điều khiển từ xa qua mạng bằng thiết bị di động cá nhân
Điều khiển tất cả các TBCH trong các hệ thống ANIMON và AGRASYS như giàn
tưới phun sương, quạt gió, hệ thống tưới tiêu, đèn cực tím, đèn hồng ngoại sưởi
ấm…
Có khả năng xử lý ngữ cảnh (Context Aware)
17
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
Hệ thống tự động cập nhật thơng tin và thuộc tính của các thực thể (VD : Tham số
môi trường đo đạc, loại sensor, tọa độ) khi người sử dụng di chuyển qua các tọa độ
tương ứng với các thực thể này.
1.2.3 Giới thiệu các tính năng của hệ thống BKCAS
Hình 1-3: Kiến trúc hệ thống BKCAS
Phát hiện vị trí người dùng hoặc đối tượng di chuyển và ngữ cảnh bằng thiết
bị RFID.
Sử dụng thiết bị đọc thẻ RFID để lấy các thông tin của đối tượng sử dụng thẻ RFID
như: vị trí hiện tại , tên, tuổi, số điện thoại ….
Sử dụng Camera để giám sát hình ảnh thời gian thực, theo dõi các hoạt động ra vào
của nhân viên trong các phịng ban, khoa viện
Đưa ra các thơng tin đa phương tiện phù hợp cho người dùng tuỳ theo ngữ
cảnh.
18
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
Sử dụng các thiết bị đầu cuối như màn hình, loa, điện thoại wifi… để diễn giải các
thông tin đa phương tiện như âm thanh, hình ảnh. . cho đối tượng cần truyền đạt.
Tuỳ theo ngữ cảnh hiện tại, gồm có vị trí, tính chất cơng việc, và tuỳ từng người,
từng thời điểm cụ thể, hệ thống sẽ quyết định truyền đạt các thơng tin thích hợp. Ví
dụ: Trong khoảng thời gian buổi sáng từ 9h đến 9h 15, khi người nhân viên bước
vào phòng làm việc, hệ thống sẽ tự động gửi lời chào, chơi 1 bản nhạc để khuyến
khích người có mặt tại cơng ty sớm nhất. Buổi chiều từ 4h đến 4h 30 sẽ tự động
nhắc nhở nhân viên nghỉ giải lao, tham gia góc cafe. Cuối buổi từ 6h đến 6h 30, sẽ
thực hiện lời chào tạm biệt, hẹn gặp lại nhân viên vào sáng hôm sau…
Kết hợp sử dụng Camera quản lý vào ra.
Cho phép theo dõi trực tiếp hoạt động vào/ra của nhân viên hoặc gián tiếp qua các
đoạn video được hệ thống ghi lại ngay tại thời điểm vào ra. Người quản trị sẽ biết
chính xác trong 1 ngày nhân viên của mình vào/ra bao nhiêu lần, nhân viên đi làm
sớm hay muộn, có sử dụng đúng thẻ RFID của chính mình hay khơng? …
Thiết lập kết nối một cách thông minh đến các đầu cuối phù hợp theo ngữ
cảnh.
Hệ thống cho phép mở rộng phạm vi hoạt động bằng cơ chế roaming qua nhiều vị
trí, địa điểm. Với cơ chế định tuyến “thơng minh” này, thông tin ngữ cảnh đa
phương tiện sẽ luôn “đuổi theo” đối tượng sử dụng (ví dụ là nhân viên). Nhờ đó,
khi đối tượng di chuyển đến nhiều vị trí như các phịng ban, hoặc khoa viện… khác
nhau cũng sẽ nhận được các thông tin ngữ cảnh cần thiết .
1.2.4 Đóng góp của tác giả
Luận văn tập trung trình bày các kết quả trong quá trình nghiên cứu mà tác giả đã
tham gia như:
• Hệ thống Agrasys
1. Thiết kế và thực thi phần mềm chạy trên các sensor node để
thu thập nhịêt độ, độ ẩm,etc
19
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
2. Thiết kế và thực thi phần mềm chạy trên Node trung tâm (Base
Station) thực hiện các tính năng:
1. Tổng hợp dữ liệu thu thập từ các sensor node
2. Cung cấp giao diện Web để người dùng truy nhập qua
mạng
3. Cung cấp khả năng xử lý thông tin ngữ cảnh, tracking
sự di chuyển của người dùng để cung cấp thông tin phù
hợp.
• Hệ thống Mobicon
1. Thiết kế và thực thi giao diện người dùng
2. Thiết kế và thực thi modun giao tiếp ngữ cảnh với hệ thống
Agrasys
• Hệ thống BKCAS
Thiết kế và thực thi giao diện tương tác người dùng để nhập dữ
liệu vào kho ngữ cảnh của hệ thống
Thiết kế khối thực thi ngữ cảnh, bao gồm:
• Phát hiện ra sự kiện quẹt thẻ RFID
• Stream Video lên Terminal (Màn hình LCD, Loa) để cung
cấp thơng tin người dùng
20
Luận văn thạc sĩ
CHƯƠNG 2
2.1
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
Ubiquitous Computing
Giới thiệu về Tính tốn khắp nơi (Ubiquitous Computing)
Hệ thống tính tốn khắp nơi hay Ubiquitous Computing System là một lĩnh vực
xuất hiện chưa lâu, do Mark Weiser và các đồng sự đề xuất, ông bắt đầu nghiên cứu
lĩnh vực này từ cuối những năm 1980 ở Xerox PARC. Họ đưa ra cách suy nghĩ mới
về máy tính, đặt máy tính vào trong mơi trường vật lý của con người và biến nó trở
nên “vơ hình”. Khi đó, người dùng tương tác với các thiết bị thông tin với dung
lượng rất nhỏ và nhiệm vụ “tập trung” thay những máy tính cá nhân có mục đích
chung phức tạp, cồng kềnh truyền thống. Ngày nay, tính tốn khắp nơi đã trở thành
hiện thực nhờ sự phát triển không ngừng của cơng nghệ.
UbiComp là mơ hình tương tác người-máy trong đó thơng tin xử lý được tích hợp
vào từng đối tượng hay hoạt động của đối tượng đó. Khi đó người là chủ thể và có
khả năng “thống trị” các vật dụng xung quanh. Nói cách khác, ứng dụng UbiComp
tạo ra một thế giới ảo mà các nhu cầu, dịch vụ, giao tiếp của con người được đáp
ứng mọi lúc mọi nơi mà không cần quan tâm đến việc thực hiện hay điều khiển như
thế nào.
Hình 2-1: Ứng dụng tính tốn khắp nơi
21
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
Các vật dụng tưởng chừng như vô tri, vô giác như quần áo sẽ tự điều chỉnh nhiệt độ
để người sử dụng thích nghi với mơi trường xung quanh. Điện thoại tự rung hay vô
tuyến tự động bật và cung cấp thơng tin. Cửa tự động đóng mở. Camera tự động
được kích hoạt khi có những chuyển động bất thường, Con người được kết nối với
nhau tự động mà không cần phải để ý tới vị trí, hay phương thức liên lạc… Tất cả
những hoạt động đó được giải thích một cách chi tiết hơn bằng thuật ngữ: tùy biến
ngữ cảnh người dùng.
Trong mơi trường “tính tốn khắp nơi”, mỗi vật dụng, hay một vật thể sống bất kỳ
đều được “quy ước” như một tài nguyên tương đương và giao tiếp với nhau qua
mơi trường Mạng (Network). Nói cách khác mỗi vật dụng đều có khả năng “cất
tiếng nói” của mình để phục vụ vào một mục đích chung là cung cấp thơng tin cho
người sử dụng.
Hình 2-2: Các đối tượng trong môi trường UbiComp
22
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
Tuy nhiên, xây dựng hệ thống UbiComp (hay Pervasive Computing) vẫn là một
thách thức lớn trong ngành truyền thông cũng như công nghệ thông tin.
2.2
Một số lĩnh vực liên quan
2.2.1 Wearable Computing
Tính tốn “mang trên người” (Wearable Computing) là một dạng máy tính được
gắn trên con người. Các ứng dụng trong lĩnh vực này rất hữu ích bởi khả năng hỗ
trợ hành động mà người dùng phải thực hiện bằng tay, mắt, tai, …Sự giao tiếp
người máy hầu như không ảnh hưởng đến các hoạt động bình thường của con người
như đi lại, làm việc bằng tay, nhìn, ... Do đó, máy tính đeo người được coi như
phần mở rộng của cơ thể và trí óc con người. Lĩnh vực nghiên cứu này rất rộng và
liên quan đến rất nhiều ngành và lĩnh vực liên quan như: thiết kế giao diện người sử
dụng, thực tại ảo nâng cao (Augmented Reality), thiết kế phần cứng, toả nhiệt,
mạng khơng dây, ....
Tính chất đặc trưng của wearable computing là tính nhất quán, tính đa nhiệm, tính
di động, tính liên tiếp (ví dụ: tương tác giữa con người và máy tính là liên tục
khơng có sự tham gia của thiết bị bật tắt). Khi xây dựng ứng dụng Wearable
Computing cần nghiên cứu các yếu tố sau: thiết kế giao diện người dùng, công nghệ
tương tác thực với môi trường, nhân dạng mẫu, thiết kế hiển thị text điện tử và kiểu
cách của ứng dụng.
Ứng dụng Wearable Computing phổ biến như: EyeTap (một thiết bị đeo trên mắt,
hoạt động như một camera ghi lại hình ảnh người dùng quan sát), Calculator Watch
(một dạng đồng hồ tích hợp chức năng tính tốn), Zypad (máy tính đeo tay có khả
năng kết nối GPS, Wi-Fi, bluetooth, và có thể chạy được một số ứng dụng)…
23
Luận văn thạc sĩ
Học viên: Nguyễn Hữu Thắng Lớp KTDT2
Hình 2-3: Hình ảnh máy tính ZYPAD từ hệ thống điều khiển Arcom
2.2.2 Proactive Computing
Tennenhouse, 2000, Want et al, 2003 đã đưa ra khái niệm về tính tốn “tiền hoạt
động” (Proactive Computing), đó là sự dự đốn trước nhu cầu và nhận dữ liệu từ
các hoạt động của người dùng. Ý tưởng này là sự kết hợp của các thiết bị máy tính,
cảm biến, … tự động cấu hình, theo dõi mơi trường và đáp ứng hoặc thích ứng với
mơi trường. Tính tốn “tiền hoạt động” đưa ra quyết định sớm hơn tốc độ của người
dùng tác động vào hệ thống hay nói cách khác sự giám sát, tác động của con người
vào hệ thống là rất nhỏ.
2.2.3 Autonomic Computing
Đặc trưng của ứng dụng tính tốn “tự trị” (Autonomic Computing) là khả năng “tự
trị”, tức là tự kết nối, tự cấu hình, tự tối ưu hóa, tự bảo vệ.
• Tự kết nối: là khả năng hệ thống tự động “chuẩn đoán” nghĩa là phát hiện
sai trong quá trình hoạt động, và tự sửa chữa các lỗi cục bộ do phần mềm
hay phần cứng gây ra.
• Tự cấu hình: là khả năng thiết lập cấu hình tự động. Nhờ vào tính chất này
khi có thêm thành phần mới sẽ tự động thiết lập để hệ thống luôn hoạt động
một cách thống nhất.
24
