Giao thức MQTT và ứng dụng trong IOT cho giải pháp ngôi nhà thông minh (LV thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
--------------------------------------LÊ HỮU TUẤN ANH

LÊ HỮU TUẤN ANH

CHUYÊN NGÀNH

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

GIAO THỨC MQTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG IOT CHO
GIẢI PHÁP NGÔI NHÀ THÔNG MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

2015 – 2017
HÀ NỘI
2017

HÀ NỘI - 2017


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

LÊ HỮU TUẤN ANH

GIAO THỨC MQTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG IOT CHO GIẢI PHÁP
NGÔI NHÀ THÔNG MINH

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS. NGUYỄN TIẾN BAN

HÀ NỘI - 2017


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Nội dung của luận
văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên những tạp chí
và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo. Tất cả các tài liệu tham khảo
đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy
định cho lời cam đoan của mình.
Tác giả luận văn

LÊ HỮU TUẤN ANH


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận văn này, tôi đã nhận được sự
hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của gia đình, của thầy cô, các anh chị, các em và các
bạn. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân
thành tới:
Ban giám đốc Học viện, các thầy cô giảng dạy và làm việc tại Khoa Quốc tế

và Đào tạo sau đại học – Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Phó giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Tiến Ban, người thầy kính mến đã hết lòng giúp đỡ,
dạy bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học
tập và hoàn thành luận văn.
Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, anh chị và các em đã ở bên cạnh động viên,
tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt qua trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành
luận văn cao học.

Tác giả luận văn

LÊ HỮU TUẤN ANH


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................. ii
MỤC LỤC ................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ................................... v
DANH SÁCH BẢNG .................................................................................. vi
DANH SÁCH HÌNH VẼ ............................................................................ vii
MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ ỨNG DỤNG ............................... 2
1.1 Giới thiệu chung về IoT ....................................................................... 2
1.1.1 Khái niệm về IoT ......................................................................... 2
1.1.2 Góc nhìn kỹ thuật về IoT ............................................................. 3
1.2 Công nghệ trong IoT............................................................................ 5
1.2.1 Công nghệ trong IoT.................................................................... 5

1.2.2 Đặc điểm của một hệ thống IoT ................................................. 12
1.3 Các ứng dụng trong IoT ..................................................................... 15
1.3.1 Các ứng dụng trong IoT ............................................................. 15
1.3.2 Các thách thức trong việc nghiên cứu, triển khai IoT ................. 20
1.4 Kết luận chương ................................................................................ 22
CHƯƠNG 2: GIAO THỨC MQTT ............................................................ 23
2.1 Giao thức MQTT ............................................................................... 23
2.1.1 Các khái niệm cơ bản ................................................................ 23
2.1.2 Mô hình MQTT ......................................................................... 24
2.2 MQTT v3.1 protocol specification ..................................................... 25
2.2.1 Định dạng của message ............................................................. 25
2.2.2 Câu lệnh của message ................................................................ 31
2.2.3 Quy trình truyền nhận dữ liệu chính trong MQTT ..................... 40
2.3 So sánh những điểm cơ bản giữa hai chuẩn giao thức MQTT và CoAP.44


iv

2.3.1 Điểm giống nhau giữa hai giao thức .......................................... 44
2.3.2 Điểm khác nhau giữa hai giao thức ............................................ 44
2.4 Kết luận chương ................................................................................ 46
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG GIAO THỨC MQTT TRONG IOT CHO NGÔI
NHÀ THÔNG MINH ............................................................................................ 48
3.1 Giới thiệu về arduino IDE.................................................................. 48
3.1.1 Tổng quan về arduino ................................................................ 48
3.1.2 Arduino IDE .............................................................................. 48
3.2 Cài đặt Arduino IDE .......................................................................... 49
3.2.1 Cài đặt chương trình Arduino IDE ............................................. 49
3.2.2 Arduino IDE .............................................................................. 50
3.3 Quá trình mô phỏng dùng giao thức MQTT trong một số ứng dụng cho

ngôi nhà thông minh........................................................................................... 54
3.3.1 Mô tả yêu cầu thiết kế hệ thống ................................................. 54
3.3.2 Lưu đồ thuật toán....................................................................... 56
3.3.3 Phần cứng .................................................................................. 56
3.3.4 Phần mềm .................................................................................. 58
3.3.5 Quá trình mô phỏng ................................................................... 59
3.4 Đánh giá kết quả mô phỏng ............................................................... 64
3.5 Kết luận chương ................................................................................ 64
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................... 66
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................... 67


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
MQTT

Tiếng Anh
Message Queuing Telemetry
Transport

Tiếng Việt
Bản tin hàng đợi truyền từ xa

IOT

Internet of Thing

Internet của vạn vật

HTTP

HyperText Transfer Protocol

Giao thức truyền tải siêu văn bản

SMTP

Simple Mail Transfer Protocol

IMAP

Internet Message Access Protocol

M2M

Mobile to mobile

Thoại với thoại

CoAP

Constrained Application Protocol

Giao thức ứng dụng hạn chế

RFID

Radio Frequency Identification

giao thức truyền tải thư tín đơn
giản
Giao thức truy cập thông điệp
internet

Nhận dạng đối tượng bằng sóng
vô tuyến

Extensible Messaging and Presence

Giao thức hiện diện và nhắn tin

Protocol

mở rộng

Public Switched Telephone

Mạng điện thoại chuyển mạch

Network

công cộng

LTE

Long Term Evolution

Tiến hóa dài hạn

BLE

Bluetooth low energy

Bluetooth năng lượng thấp

WSN

Wireless Sensor Networks

Mạng cảm biến không dây

TCP

Transmission Control Protocol

Giao thức điều khiển truyền

QoS
DSL

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ
Kênh thuê bao số

XMPP

PSTN

IEEE

Digital Subcriber Line
Institute of Electrical and
Electronics Engineers

Viện kỹ thuật điện-điện tử


vi

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2. 1 Header cố định ............................................................................ 26
Bảng 2. 2 Loại message .............................................................................. 26
Bảng 2. 3 Bảng các cờ ................................................................................ 27
Bảng 2. 4 Giá trị QoS ................................................................................. 27
Bảng 2. 5 Bảng miêu tả độ dài ứng với số byte ........................................... 29
Bảng 2. 6 Biểu diễn giá trị của trường Protocol version .............................. 29
Bảng 2. 7 Định dạng header cố định câu lệnh connect ................................ 32
Bảng 2. 8 Định dạng header cố định câu lệnh connack................................ 33
Bảng 2. 9 Ý nghĩa gói CONNACK ............................................................. 33
Bảng 2. 10 Định dạng header cố định câu lệnh publish ............................... 34
Bảng 2. 11 Giá trị mức QoS ........................................................................ 34
Bảng 2. 12 Định dạng header cố định câu lệnh puback ............................... 35
Bảng 2. 13 Định dạng header cố định câu lệnh pubrec(1) ........................... 35
Bảng 2. 14 Định dạng header cố định câu lệnh pubrel(2) ............................ 36
Bảng 2. 15 Định dạng header cố định câu lệnh pubcomp(3)........................ 37
Bảng 2. 16 Định dạng header cố định câu lệnh subscribe ............................ 37
Bảng 2. 17 Định dạng header cố định câu lệnh suback ................................ 38

Bảng 2. 18 Định dạng header cố định câu lệnh unsubcribe ......................... 38
Bảng 2. 19 Định dạng header cố định câu lệnh pingreq ............................... 39
Bảng 2. 20 Định dạng header cố định câu lệnh pingresp ............................. 39
Bảng 2. 21 Định dạng header cố định câu lệnh disconnect .......................... 40


vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1. 1“Internet of Thing” ......................................................................... 2
Hình 1. 2 IoT kết nối vạn vật ........................................................................ 3
Hình 1. 3 Sự gia tăng nhanh chóng của giao tiếp máy-máy ........................... 4
Hình 1. 4 Ứng dụng tủ lạnh trong IoT ........................................................... 5
Hình 1. 5 Ví dụ về MQTT............................................................................. 6
Hình 1. 6 Ví dụ về XMPP ............................................................................. 7
Hình 1. 7 Năng lực truyền thông ................................................................... 8
Hình 1. 8 Mô hình vận hành hệ thống RFID trong thư viện .......................... 9
Hình 1. 9 Mô hình mạng Zigbee ................................................................. 10
Hình 1. 10 Một số loại cảm biến hay gặp .................................................... 11
Hình 1. 11 Đáp ứng thời gian cho ứng dụng IoT ......................................... 11
Hình 1. 12 Tổng quan một mô hình hệ thống IoT ....................................... 13
Hình 1. 13 Tổng quan về ứng dụng của IoT ................................................ 15
Hình 1. 14 Theo dõi lộ trình đi của các xe chở hàng ................................... 16
Hình 1. 15 Theo dõi tình trạng sinh trưởng của cây trồng ........................... 17
Hình 1. 16 Mô hình ứng dụng nhà thông minh ............................................ 18
Hình 1. 17 Thành phố thông minh .............................................................. 19
Hình 1. 18 Mô hình lưới điện thông minh ................................................... 19

Hình 2. 1 Ví dụ về kết nối trong mạng lưới MQTT ..................................... 24
Hình 2. 2 Mô hình cơ bản của giao thức MQTT.......................................... 25

Hình 2. 3 Session và subscription được thiết lập với clean session flag = 1 . 40
Hình 2. 4 Session và subscription được thiết lập với clean session flag = 0 . 41
Hình 2. 5 QoS mức 0 .................................................................................. 42
Hình 2. 6 QoS mức 1 .................................................................................. 43
Hình 2. 7 QoS mức 2. ................................................................................. 43

Hình 3. 1 Giao diện chương trình tải arduino IDE....................................... 49


viii

Hình 3. 2 Giao diện Arduino IDE ............................................................... 50
Hình 3. 3 Arduino Toolbar .......................................................................... 50
Hình 3. 4 IDE Menu ................................................................................... 51
Hình 3. 5 File menu. ................................................................................... 51
Hình 3. 6 Click Examples ........................................................................... 52
Hình 3. 7 Edit menu .................................................................................... 52
Hình 3. 8 Sketch menu ................................................................................ 53
Hình 3. 9 Tool menu ................................................................................... 53
Hình 3. 10 Chọn Board ............................................................................... 54
Hình 3. 11 Sơ đồ khối của hệ thống ............................................................ 55
Hình 3. 12 Lưu đồ thuật toán chương trình ................................................. 56
Hình 3. 13 NodeMCU Esp8266 .................................................................. 57
Hình 3. 14 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 ............................................. 58
Hình 3. 15 Cài đặt thư viện esp8266 ........................................................... 58
Hình 3. 16 Cài đặt thành công library esp8266............................................ 59
Hình 3. 17 Cài đặt thành công library sensor DHT11 .................................. 59
Hình 3. 18 Cấu hình MQTT broker ............................................................. 60
Hình 3. 19 Quá trình kết nối thành công thiết bị lên webserver ................... 61
Hình 3. 20 Quá trình bật/tắt LED từ webserver truyền về thiết bị ................ 61

Hình 3. 21 Sơ đồ đấu nối cảm biến DHT11 với NodeMCU ........................ 62
Hình 3. 22 Tạo hai trường dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm trên thinkspeak ............. 63
Hình 3. 23 Dữ liệu trường nhiệt độ trên webserver ..................................... 63
Hình 3. 24 Dữ liệu trường độ ẩm trên webserver ........................................ 64


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 các cá
nhân để cạnh tranh trong môi trường mới.
Phạm vi ứng dụng công nghệ IoT thực sự rộng lớn và đa dạng, từ quản lý
giao thông, quản lý đô thị, quản lý môi trường, ứng phó khẩn cấp đến mua sắm
thông minh, các dịch vụ y tế chăm sóc sức khỏe, nhà thông minh và hướng tới nữa
là thành phố thông minh.
Để các thiết bị có thể giao tiếp được với nhau, thiết bị sẽ cần một hoặc nhiều
giao thức, đó là HTTP được dùng phổ biến để tải web hay một số khác như SMTP,
IMAP cho email… Những giao thức này ít khi trao đổi thông tin, khi cần sẽ có một
trung gian đứng ra giải mã cho hai bên hiểu. Còn với các thiết bị IoT, chúng phải
đảm đương nhiều thứ, trao đổi thông tin với nhiều loại thiết bị khác nhau, nhưng
hiện người ta chưa có sự đồng nhất về các giao thức để IoT trao đổi dữ liệu. Nói
cách khác, tình huống này gọi là “communication fail”, một bên nói nhưng bên kia
không tiếp nhận. Hiện nay có rất nhiều giao thức giao tiếp giữa các thiết bị IoT như:
HTTP, UpnP, CoAp, MQTT.
Trong giai đoạn gần đây giao thức MQTT đang nổi lên như một giao thức
được sử dụng phổ biến dùng trong IoT, rất nhiều hãng công nghệ đã áp dụng và hỗ
trợ giao thức MQTT cho các ứng dụng sản phẩm của mình như Facebook cho ứng
dụng facebook message, IBM cho dự án bảo vệ môi trường, Intel, Microsoft.
Luận văn được xây dựng với nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan về IoT và ứng dụng
Chương 2: Giao thức MQTT
Chương 3: Ứng dụng giao thức MQTT trong IoT cho ngôi nhà thông minh.


2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ ỨNG DỤNG
1.1 Giới thiệu chung về IoT
1.1.1 Khái niệm về IoT
Internet of Things (IoT) là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được
nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối. Đây
là một viễn cảnh trong đó mọi vật, mọi con vật hoặc con người được cung cấp các
định danh và khả năng tự động truyền tải dữ liệu qua một mạng lưới mà không cần
sự tương tác giữa con người-với-con người hoặc con người-với-máy tính.
IoT tiến hoá từ sự hội tụ của các công nghệ không dây, hệ thống vi cơ điện tử
(MEMS) và Internet. Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton 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 phương thức giao tiếp không dây
dùng sóng radio) cũng như một số loại cảm biến khác [13].

Hình 1. 1“Internet of Thing”

IoT có thể được coi là một tầm nhìn sâu rộng của công nghệ và cuộc sống.
Từ quan điểm của tiêu chuẩn kỹ thuật, IoT có thể được xem như là một cơ sở hạ
tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, tạo điều kiện cho các dịch vụ tiên tiến
thông qua sự liên kết các “Things”. IoT dự kiến sẽ tích hợp rất nhiều công nghệ


3

mới, chẳng hạn như các công nghệ thông tin machine-to-machine, mạng tự trị, khai
thác dữ liệu và ra quyết định, bảo vệ sự an ninh và sự riêng tư, điện toán đám mây.
Như hình dưới, một hệ thống thông tin trước đây đã mang đến 2 chiều – “Any
TIME” và “Any PLACE” communication. Giờ IoT đã tạo thêm một chiều mới
trong hệ thống thông tin đó là “Any THING” Communication [2].

Hình 1. 2 IoT kết nối vạn vật [12]

1.1.2 Góc nhìn kỹ thuật về IoT
Internet Of Things là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội
thông tin, mang đến những dịch vụ tiên tiến bằng cách kết nối các “Things” (cả
physical lẫn virtual) dựa trên sự tồn tại của thông tin, dựa trên khả năng tương tác
của các thông tin đó, và dựa trên các công nghệ truyền thông.
Devices là một phần của cả hệ thống với chức năng bắt buộc là truyền thông
và chức năng không bắt buộc là: cảm biến, thực thi,thu thập dữ liệu, lưu trữ và xử lý
dữ liệu.
Things là một đối tượng của thế giới vật chất (physical things) hay thế giới
thông tin ảo(virtual things). “Things” có khả năng được nhận diện, và “Things” có
thể được tích hợp vào trong mạng lưới thong tin liên lạc. Hai loại đối tượng này có
thể ánh xạ (mapping) qua lại lẫn nhau. Một đối tượng vật lý có thể được trình bài


4

hay đại diện bởi một đối tượng thông tin, tuy nhiên một đối tượng thông tin có thể
tồn tại mà không nhất thiết phải được ánh xạ từ một đối tượng vật lý nào [6].
Yêu cầu tối thiểu của các “device” trong IOT là khả năng giao tiếp. Devices
sẽ được phân loại vào các dạng như device mang thông tin, device thu thập dữ liệu,
device cảm nhận(sensor), device thực thi, hay general device.

IoT phải có 2 thuộc tính: một là đó phải là một ứng dụng internet. Hai là, nó
phải lấy được thông tin của vật chủ.

Hình 1. 3 Sự gia tăng nhanh chóng của giao tiếp máy-máy

Một ví dụ điển hình cho IoT là tủ lạnh thông minh, nó có thể là một chiếc tủ
lạnh bình thường nhưng có gắn thêm các cảm biến bên trong giúp kiểm tra được số
lượng các loại thực phẩm có trong tủ lạnh, cảm biến nhiệt độ, cảm biến phát hiện
mở cửa,…và các thông tin này được đưa lên internet. Với một danh mục thực phẩm
được thiết lập trước bởi người dùng, khi mà một trong các loại thực phẩm đó sắp
hết thì nó sẽ thông báo ngay cho chủ nhân nó biết rằng cần phải bổ sung gấp, thậm
chí nếu các loại sản phẩm được gắn mã ID thì nó sẽ tự động trực tiếp gửi thông báo
cần nhập hàng đến siêu thị và nhân viên siêu thị sẽ gửi loại thực phẩm đó đến tận
nhà.


5

Hình 1. 4 Ứng dụng tủ lạnh trong IoT

1.2 Công nghệ trong IoT
1.2.1 Công nghệ trong IoT
1.2.1.1 Giao thức chính
Trong IoT, các thiết bị phải giao tiếp được với nhau (D2D). Dữ liệu sau đó
phải được thu thập và gửi tới máy chủ (D2S). Máy chủ cũng có để chia sẻ dữ liệu
với nhau (S2S), có thể cung cấp lại cho các thiết bị, để phân tích các chương trình,
hoặc cho người dùng. Các giao thức có thể dùng trong IoT là:
-

MQTT: một giao thức cho việc thu thập dữ liệu và giao tiếp cho các máy chủ

(D2S).

-

XMPP: giao thức tốt nhất để kết nối các thiết bị với mọi người, một trường
hợp đặc biệt của mô hình D2S, kể từ khi người được kết nối với các máy
chủ.

-

DDS: giao thức tốc độ cao cho việc tích hợp máy thông minh (D2D).

-

AMQP: hệ thống hàng đợi được thiết kế để kết nối các máy chủ với nhau
(S2S).


6

 MQTT
MQTT (Message Queue Telemetry Transport), mục tiêu thu thập dữ liệu và
giao tiếp D2S. Mục đích là đo đạc từ xa, hoặc giám sát từ xa, thu thập dữ liệu từ
nhiều thiết bị và vận chuyển dữ liệu đó đến máy trạm với ít xung đột nhất. MQTT
nhắm đến các mạng lớn của các thiết bị nhỏ mà cần phải được theo dõi hoặc kiểm
soát từ các đám mây.

Hình 1. 5 Ví dụ về MQTT

MQTT hoạt động đơn giản, cung cấp nhiều lựa chọn điều khiển và QoS.

MQTT không có yêu cầu quá khắt khe về thời gian, tuy nhiên hiều quả của nó là
rất lớn, đáp ứng tính thời gian thực với đơn vị tính bằng giây.
Các giao thức hoạt động trên nền tàng TCP, cung cấp các đáp ứng đơn giản,
đáng tin cậy.

 XMPP
XMPP ban đầu được gọi là "Jabber." Nó được phát triển cho các tin nhắn tức
thời (IM) để kết nối mọi người với những người khác thông qua tin nhắn văn bản.
XMPP là viết tắt của Extensible Messaging và Presence Protocol.


7

Hình 1. 6 Ví dụ về XMPP

XMPP sử dụng định dạng văn bản XML, và cũng tương tự như MQTT chạy,
XMPP chạy trên nền tảng TCP, hoặc có thể qua HTTP trên TCP. Sức mạnh chính
của nó là một chương trình trong mạng Internet
khổng lồ.

1.2.1.2 Năng lực truyền thông
Địa chỉ IP được coi là yếu tố quan trọng trong IoT, khi mà mỗi thiết bị được
gán một địa chỉ IP riêng biệt. Do đó khả năng cấp phát địa chỉ IP sẽ quyết định đến
tương lai của IoT. Hệ thống địa chỉ IPv4 được tạo ra mới mục đích đánh cho mỗi
máy tính kết nối vào mạng internet một con số riêng biệt, giúp cho thông tin có thể
tìm tới đúng nơi cần đến ngay khi nó được chuyển đi từ bất cứ địa điểm nào trên thế
giới. Theo thiết kế, Ipv4 có thể cung cấp 2^32 (tương ứng với khoảng 4,2 tỉ) địa chỉ
IP, một con số lớn không tưởng cách đây 30 năm. Tuy nhiên, sự bùng nổ mạnh mẽ
của Internet đã khiến cho số lượng địa chỉ IP tự do càng ngày càng khan hiếm. Mới
đây, RIPE NCC - Hiệp hội các tổ chức quản lý mạng Internet khu vực châu Âu phải

8

đưa ra tuyên bố rằng họ đã sử dụng đến gói địa chỉ IP chưa cấp phát cuối cùng
(khoảng 1,8 triệu địa chỉ).

Hình 1. 7 Năng lực truyền thông

Và sự ra đời của IPv6 như là một giải pháp cứu sống kịp thời cho sự cạn kiệt
của IPv4. Độ dài bit của là 128. Sự gia tăng mạnh mẽ của IPv6 trong không gian địa
chỉ là một yếu tố quan trọng trong phát triển Internet of Things.

1.2.1.3 Công suất thiết bị
Các tiêu chí hình thức chính của thiết bị khi triển khai một ứng dụng IoT là
phải giá thành thấp, mỏng, nhẹ…và như vậy phần năng lượng nuôi thiết bị cũng sẽ
trở nên nhỏ gọn lại, năng lượng tích trữ cũng sẽ trở nên ít đi. Do đó đòi hỏi thiết bị
phải tiêu tốn một công suất cực nhỏ (Ultra Low Power) để sử dụng nguồn năng
lượng có hạn đó. Bên cạnh đó yêu cầu có những giao thức truyền thông không dây
gọn nhẹ hơn, đơn giản hơn, đòi hỏi ít công suất hơn (Low Energy Wireless
Technologies) như Zigbee, BLE (Bluetooth low energy), RFID, …
 RFID
Trong đó RFID là một trong các công nghệ chủ chốt của IoT trong môi
trường truyền thông tỏa khắp mọi nơi (ubiquitius), là kỹ thuật nhận dạng bằng song


9

vô tuyến sử dụng song radio để truyền dữ liệu từ một thiết bị điện tử gắn liền với
một đối tượng (hoặc một sản phẩm hàng hóa) đến một hệ thống trung tâm thông

qua một đầu đọc với mục đích xác định và theo dõi các đối tượng.

Hình 1. 8 Mô hình vận hành hệ thống RFID trong thư viện

Kỹ thuật RFID có liên quan đến hệ thống không dây cho phép một thiết bị
đọc thông tin được chứa trong một chip không tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa,
mà không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào hoặc yêu cầu một sự nhìn thấy giữa
hai cái. Nó cho ta phương pháp truyền và nhận dữ liệu từ một điểm đến điểm khác.
RFID đã có trong thương mại trong một số hình thức từ những năm 1970. Bây giờ
nó là một phần trong cuộc sống hàng ngày, có thể thấy trong những chìa khóa xe
hơi, thẻ lệ phí quốc lộ và các loại thẻ truy cập an toàn, cũng như trong môi trường
mà nơi đó việc đánh nhãn bằng mã số vạch trên hàng hóa là không thực tế hoặc
không hiệu quả lắm.
 ZigBee
Công nghệ ZigBee được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4 của tổ chức
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Tiêu chuẩn 802.15.4 này


10

sử dụng tín hiệu radio có tần sóng ngắn, và cấu trúc của 802.15.4 có 2 tầng là tầng
vật lý và tầng MAC (medicum Access Control). Công nghệ ZigBee vì thế cũng
dùng sóng radio và có 2 tầng. Hơn thế nữa ZigBee còn thiết lập các tầng khác nhờ
thế mà các thiết bị của các nhà sản xuất dù khác nhau nhưng cùng tiêu chuẩn có thể
kết nối với nhau và vận hành trong vùng bảo mật của hệ thống.

Hình 1. 9 Mô hình mạng Zigbee

Nhờ chức năng điều khiển từ xa không dây, truyền dữ liệu ổn định, tiêu thụ
năng lượng cực thấp, công nghệ mở đã giúp công nghệ ZigBee trở nên hấp dẫn sử

dụng cho các ứng dụng, đặc biệt là ứng dụng trong IoT hiện nay.
Tín hiệu công nghệ ZigBee có thể truyền xa đến 75m tính từ trạm phát, và
khoảng cách có thể xa hơn rất nhiều nếu được tiếp tục phát từ nút liên kết tiếp theo
trong cùng hệ thống.
Các dữ liệu được truyền theo gói, gói tối đa là 128bytes cho phép tải xuống
tối đa 104 bytes.
Tiêu chuẩn này hỗ trợ địa chỉ 64bit cũng như địa chỉ ngắn 16bit. Loại địa chỉ
64bit chỉ xác đinh được mỗi thiết bị có cùng 1 địa chỉ IP duy nhất. Khi mạng được
thiết lập, những địa chỉ ngắn có thể được sử dụng và cho phép hơn 65000 nút được
liên kết.

1.2.1.4 Công nghệ cảm biến
Trong Internet of Things, cảm biến đóng vai trò then chốt, nó đo đạt cảm
nhận giá trị từ môi trường xung quanh rồi gửi đến bộ vi xử lý sau đó được gửi lên
mạng. Chúng ta có thể bắt gặp một số loại cảm biến về cảnh báo cháy rừng, cảnh


11

báo động đất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm,..Để giúp cho thiết bị kéo dài được
thời gian sống hơn thì đòi hỏi cảm biến cũng phải tiêu hao một lượng năng lượng
cực kỳ thấp. Bên cạnh đó độ chính xác và thời gian đáp ứng của cảm biến cũng phải
nhanh. Để giá thành của thiết bị thấp thì đòi hỏi giá cảm biến cũng phải thấp [1].

Hình 1. 10 Một số loại cảm biến hay gặp

1.2.1.5 Thời gian đáp ứng
Thời gian đáp ứng phải đảm bảo tính thời gian thực, sao cho hàng ngàn các
node mạng có thể truy cập vào hệ thống mà không xảy ra hiện tượng nghẽn mạng.
Với các ứng dụng D2D, thời gian đáp ứng trong khoảng 10us đến 10ms,

trong khi ứng dụng D2S, thời gian này là 10ms đến 1s. Với các ứng dụng S2S,
không có yêu cầu khắt khe về thời gian đáp ứng, tuy nhiên thông thường yêu cầu từ
3 đến 5s

Hình 1. 11 Đáp ứng thời gian cho ứng dụng IoT


12

1.2.2 Đặc điểm của một hệ thống IoT
1.2.2.1 Yêu cầu cần có đối với một hệ thống IoT
Một hệ thống IOT phải thoả mãn các yêu cầu sau:
-

Kết nối dựa trên sự nhận diện: Nghĩa là các thiết bị phải có ID riêng biệt. Hệ
thống IOT cần hỗ trợ các kết nối giữa các thiết bị, và kết nối được thiết lập
dựa trên định danh (ID) của thiết bị.

-

Khả năng cộng tác: hệ thống IoT khả năng tương tác qua lại giữa các mạng
và thiết bị.

-

Khả năng tự quản của network: Bao gồm tự quản lý, tự cấu hình, tự
recovery, tự tối ưu hóa và tự có cơ chế bảo vệ. Điều này cần thiết để mạng có
thể thích ứng với các lĩnh vực ứng dụng khác nhau, môi trường truyền thông
khác nhau, và nhiều loại thiết bị khác nhau.

-

Dịch vụ thoả thuận: dịch vụ này để có thể được cung cấp bằng cách thu thập,
giao tiếp và xử lý tự động các dữ liệu giữa các thiết bị dựa trên các quy tắc
(rules) được thiết lập bởi người vận hành hoặc tùy chỉnh bởi các người dùng.

-

Các khả năng dựa vào vị trí: Thông tin liên lạc và các dịch vụ liên quan đến
một cái gì đó sẽ phụ thuộc vào thông tin vị trí của thiết bị và người sử dụng.
Hệ thống IoT có thể biết và theo dõi vị trí một cách tự động. Các dịch vụ dựa
trên vị trí có thể bị hạn chế bởi luật pháp hay quy định, và phải tuân thủ các
yêu cầu an ninh.

-

Bảo mật: Trong IoT, nhiều thiết bị được kết nối với nhau. Chính điều này
làm tăng mối nguy trong bảo mật, chẳng hạn như bí mật thông tin bị tiết lộ,
xác thực sai, hay dữ liệu bị thay đổi hay làm giả.

-

Bảo vệ tính riêng tư: tất cả các thiết bị đều có chủ sở hữu và người sử dụng của
nó. Dữ liệu thu thập được từ các thiết bị có thể chứa thông tin cá nhân liên
quan chủ sở hữu hoặc người sử dụng nó. Các hệ thống IoT cần bảo vệ sự riêng
tư trong quá trình truyền dữ liệu, tập hợp, lưu trữ, khai thác và xử lý. Bảo vệ sự
riêng tư không nên thiết lập một rào cản đối với xác thực nguồn dữ liệu.


13

-

Plug and play: các thiết bị phải được plug-and-play một cách dễ dàng và tiện
dụng.

-

Khả năng quản lý: hệ thống IoT cần phải hỗ trợ tính năng quản lý các thiết bị
để đảm bảo mạng hoạt động bình thường. Ứng dụng IoT thường làm việc
tự động mà không cần sự tham gia của con người, nhưng toàn bộ quá trình
hoạt động của họ nên được quản lí bởi các bên liên quan.

1.2.2.2 Mô hình hệ thống IoT

Hình 1. 12 Tổng quan một mô hình hệ thống IoT

Bất kỳ một hệ thống IOT nào cũng được xây dựng lên từ sự kết hợp của 4
layer sau [9]:
-

Lớp ứng dụng (Application Layer): Lớp ứng dụng cũng tương tự như trong
mô hình OSI 7 lớp, lớp này tương tác trực tiếp với người dùng để cung cấp
một chức năng hay một dịch vụ cụ thể của một hệ thống IOT.

-

Lớp Hỗ trợ dịch vụ và hỗ trợ ứng dụng (Service support and application
support layer):
+ Nhóm dịch vụ chung: Các dịch vụ hỗ trợ chung, phổ biến mà hầu hết các

ứng dụng IOT đều cần, ví dụ như xử lý dữ liệu hoặc lưu trữ dữ liệu.
+ Nhóm dịch vụ cụ thể, riêng biệt: Những ứng dụng IOT khác nhau sẽ có
nhóm dịch phụ hỗ trợ khác nhau và đặc thù. Trong thực tế, nhóm dịch vụ cụ
thể riêng biệt là tính toán độ tăng trưởng của cây mà đưa ra quyết định tưới
nước hoặc bón phân.


14

-

Lớp mạng (Network Layer): có hai chức năng
+ Chức năng Networking: cung cấp chức năng điều khiển các kết nối kết nối
mạng, chẳng hạn như tiếp cận được ngu n tài nguyên thông tin và chuyển tài
nguyên đó đến nơi cần thiết, hay chứng thực, uỷ quyền…
+ Chức năng Transporting: tập trung vào việc cung cấp kết nối cho việc
truyền thông tin của dịch vụ/ứng dụng IOT.

-

Lớp thiết bị (Device Layer): Lớp Device chính là các phần cứng vật lý trong
hệ thống IOT. Device có thể phân thành hai loại như sau
+ Thiết bị thông thường: Device này sẽ tương tác trực tiếp với network: Các
thiết bị có khả năng thu thập và tải lên thông tin trực tiếp (nghĩa là không
phải sử dụng gateway) và có thể trực tiếp nhận thông tin (ví dụ, lệnh) từ các
network. Device này cũng có thể tương tác gián tiếp với network: Các thiết
bị có thể thu thập và tải network gián tiếp thông qua khả năng gateway.
Ngược lại, các thiết bị có thể gián tiếp nhận thông tin (ví dụ, lệnh) từ
network. Trong thực tế, các Thiết bị thông thường bao g m các cảm biến, các
phần cứng điều khiển motor, đèn,…

+ Thiết bị Gateway: Gateway là cổng liên lạc giữa device và network. Một
Gateway hỗ trợ 2 chức năng: Một là có nhiều chuẩn giao tiếp: Vì các Things
khác nhau có kiểu kết nối khác nhau, nên Gateway phải hỗ trợ đa dạng từ có
dây đến không dây, chẳng hạn CAN bus, ZigBee, Bluetooth hoặc Wi-Fi. Tại
Network layer, gateway có thể giao tiếp thông qua các công nghệ khác nhau
như PSTN, mạng 2G và 3G, LTE, Ethernet hay DSL. Hai là chức năng
chuyển đổi giao thức: Chức năng này cần thiết trong hai tình huống là: (1)
khi truyền thông ở lớp Device, nhiều device khác nhau sử dụng giao thức
khác nhau, ví dụ, ZigBee với Bluetooth, và (2) là khi truyền thông giữa các
Device và Network, device dùng giao thức khác, network dùng giao thức
khác, ví dụ, device dùng ZigBee còn tầng network thì lại dùng công nghệ
3G.


15

Trong thực tế, Gateway có thể được build từ các board như Raspberry Pi hay
Arduino, hoặc Gateway được sản xuất công nghiệp bởi các tập đoàn lớn như Intel
hay Texas Instrument.

1.3 Các ứng dụng trong IoT
1.3.1 Các ứng dụng trong IoT
Với những hiệu quả thông minh rất thiết thực mà IoT đem đến cho con
người, IoT đã và đang được tích hợp trên khắp mọi thứ, mọi nơi xung quanh thế
giới mà con người đang sống. Từ chiếc vòng đeo tay, những đồ gia dụng trong nhà,
những mảnh vườn đang ươm hạt giống, cho đến những sinh vật sống như động vật
hay con người…đều có sử dụng giải pháp IoT.Một trong những ứng dụng phổ biến
nhất của IoT là ứng dụng nhà thông minh, hay thiết bị có thể mang theo như đồng
hồ thông minh. Các ứng dụng của IoT được xếp hạng dựa trên 3 tiêu chí: sự tìm
kiếm về IoT trên Google, điều được nói đến về IoT trên Twitter, điều được viết về

IoT trên LinkedIn [5].

Hình 1. 13 Tổng quan về ứng dụng của IoT

1.3.1.1 Ứng dụng trong lĩnh vực vận tải
Ứng dụng điển hình nhất trong lĩnh vực này là gắn chíp lấy tọa độ GPS lên
xe chở hàng, nhằm kiểm soát lộ trình, tốc độ, thời gian đi đến của các xe chở hàng.
Ứng dụng này giúp quản lý tốt khâu vận chuyển, có những xử lý kịp thời khi xe đi
không đúng lộ trình hoạt bị hỏng hóc trên những lộ trình mà ở đó mạng di động
không phủ sóng tới được, kiểm soát được lượng nhiên liệu tiêu hao ứng với lộ trình
đã được vạch trước…