Xây dựng và mô phỏng mạng IOT trong ứng dụng trường học thông minh (tt)

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

NGUYỄN THỊ THANH NGA

XÂY DỰNG VÀ MÔ PHỎNG MẠNG IOT
TRONG ỨNG DỤNG TRƢỜNG HỌC THÔNG MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2017


Luận văn đƣợc hoàn thành tại:
HỌC VIỆN BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TSKH. Hoàng Đăng Hải
Phản biện 1:……………………………………………………………………..
Phản biện 2:……………………………………..………………………………

Luận văn sẽ đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công
nghệ bƣu chính viễn thông.
Vào lúc:……….giờ…………ngày………tháng…….năm……….

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thƣ viện của Học viện Công nghệ Bƣu chính Viễn thông

HÀ NỘI - 2017


1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung trình bày trong luận văn là kiến thức do tôi tích
lũy trong quá trình học tập, nghiên cứu. Các nghiên cứu trong luận văn dựa trên
những tổng hợp lí thuyết và mô phỏng thực tế của mình, không sao chép từ bất kì
một luận văn nào khác. Mọi thông tin trích dẫn đều đƣợc tuân theo luật sở hữu trí
tuệ, liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với
những nội dung đƣợc viết trong luận văn này.
Hà Nội, tháng 11 năm 2017
Học viên

Nguyễn Thị Thanh Nga


2

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. 1
DANH SÁCH BẢNG ............................................................................................ 5
DANH SÁCH HÌNH VẼ ....................................................................................... 6
LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 7
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ ỨNG DỤNG CỦA INTERNET OF
THINGS ................................................................................................................ 8
1.1.

Công nghệ IoT ............................................................................................. 8

1.1.1.

Định nghĩa IoT ...................................................................................... 8

1.1.2.

IoT từ góc nhìn kĩ thuật [14] .................................................................. 8

1.1.3.

Đặc tính cơ bản của IoT [2] [7].............................................................. 8

1.1.4.

Kiến trúc hệ thống ................................................................................. 8

1.1.5.

Các giao thức chính trong IoT ............................................................... 9

1.1.6.

Yêu cầu ở mức cao đối với một hệ thống IoT ........................................ 9

1.2.

Các ứng dụng của IoT ................................................................................ 10

1.2.1.

Thành phố thông minh và môi trƣờng thông minh (Smart Cities) ........ 10

1.2.2.

Năng lƣợng và điện lƣới thông minh (Smart Enerry and the Smart Grid)................. 10

1.2.3.

Giao thông thông minh và di động (Smart Transportation and Mobility) ............. 10

1.2.4.

Smart home, Smart Buildings and Infrastructure ................................. 10

1.2.5.

Nhà máy thông minh và sản xuất thông minh (Smart Factory and Smart

Manufacturing) .......................................................................................... 10
1.2.6.

Y tế thông minh ( Smart Health) .......................................................... 10

1.2.7.

Giải trí kết nối (Connectivity) .............................................................. 10

1.2.8.

Trƣờng học thông minh (Smart School) .............................................. 10

1.2.9.

Nông nghiệp thông minh (Smart Agriculture)...................................... 10

1.2.10.
1.3.

Mua sắm thông minh (Smart Shopping) ........................................... 10

Các khả năng ứng dụng IoT trong trƣờng học thông minh. ......................... 10

1.3.1.

Bảng tƣơng tác .................................................................................... 10

1.3.2.

Phát triển tƣ duy và hình thành làm việc nhóm .................................... 10


3

1.3.3.

Giám sát trƣờng học ............................................................................ 10

1.3.4.

Quản lí hiệu quả .................................................................................. 11

1.3.5.

Trƣờng học kết nối .............................................................................. 11

1.4.

Kết luận chƣơng 1 ...................................................................................... 11

CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MẠNG IOT CHO ỨNG DỤNG TRƢỜNG HỌC
THÔNG MINH .................................................................................................... 12
2.1.

Giới thiệu ................................................................................................... 12

2.2.

Kiến trúc mạng IoT cho ứng dụng trƣờng học thông minh ......................... 13

2.2.1.

Một số giả thiết.................................................................................... 13

2.2.2.

Định tuyến trong mạng ........................................................................ 13

2.2.3.

Kiểm soát truy nhập và chuyển tiếp dữ liệu ......................................... 13

2.2.4.

Giao thức vận chuyển dữ liệu .............................................................. 14

2.2.5.

Sơ đồ mạng và hệ thống cho ứng dụng bài toán ................................... 14

2.3.

Mô tả các thành phần chính của hệ thống ................................................... 15

2.3.1.

Mạng cảm biến .................................................................................... 15

2.3.2.

Gateway .............................................................................................. 16

2.4.

Một số vấn đề về quản lí định vị, thu thập dữ liệu và truyền tin .................. 16

2.4.1.

Định vị ................................................................................................ 16

2.4.2.

Thu thập dữ liệu .................................................................................. 17

2.4.3.

Truyền tin ............................................................................................ 17

2.4.4.

Quy mô thử nghiệm ............................................................................. 17

2.5.

Kết luận chƣơng 2 ...................................................................................... 17

CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG, THỬ NGHIỆM MẠNG IOT TRONG TRƢỜNG
HỌC THÔNG MINH........................................................................................... 18
3.1.

Giới thiệu ................................................................................................... 18

3.2.

Lựa chọn công cụ thử nghiệm .................................................................... 18

3.2.1.Phần mềm contiki [22] ............................................................................. 18
3.2.2.Cấu trúc hệ điều hành Contiki .................................................................. 18
3.2.3.Tích hợp một platform mới vào hệ điều hành contiki [22] ....................... 18


4

3.2.4.Xây dựng môi trƣờng ảo cho thử nghiệm ................................................. 18

3.3. Xây dựng mạng mô phỏng ............................................................................ 18
3.3.1.Mô tả các bài toán ứng dụng IoT trong trƣờng học thông minh ................ 18
3.3.2. Tạo môi trƣờng mô phỏng ...................................................................... 19
3.4. Xây dựng kịch bản thử nghiệm...................................................................... 19
3.4.1 Một số tham số chung cho các kịch bản ................................................... 19
3.4.2. Xác suất trong các điều kiện thử nghiệm ................................................. 20
3.4.3.Một số cấu hình chung khi mô phỏng ...................................................... 20
3.4.4. Quy mô thử nghiệm. ............................................................................... 20
3.5. Kết quả mô phỏng thử nghiệm ...................................................................... 20
3.5.1 Kết quả đầu ra của mô phỏng ................................................................... 20
3.5.2. Kết quả mô phỏng trong điều kiện lí tƣởng ............................................. 20
3.5.3 Kết quả mô phỏng trong điều kiện mạng thực .......................................... 20
3.6. Đánh giá hiệu năng truyền tin trong mạng ..................................................... 21
3.7. Kết luận chƣơng 3 ......................................................................................... 21
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 22
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................. 23


5

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3.1: Bảng quy định thời gian ............................................................... 19
Bảng 3.2: Bảng tiêu đánh giá môi trƣờng phòng học .................................... 19
Bảng 3.3: Xác suất trong các điều kiện thử nghiệm ...................................... 20


6

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1: Thành phần hệ thống IoT cho trƣờng học ..................................... 14

7

LỜI MỞ ĐẦU
Xây dựng trƣờng học thông minh với công nghệ IoT vẫn còn là chủ đề khá
mới không chỉ ở Việt Nam mà cả trên thế giới. Chính vì vậy, đƣợc sự định hƣớng
của PGS.TSKH Hoàng Đăng Hải, tôi đã chọn đề tài: “ Xây dựng và mô phỏng
mạng IoT cho ứng dụng trƣờng học thông minh”.
Mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu về công nghệ IoT, các ứng dụng
của IoT nói chung và các khả năng ứng dụng IoT trong trƣờng học nói riêng, nghiên
cứu ứng dụng mạng IoT vào trƣờng học thông minh.
Luận văn đƣợc bố cục thành ba chƣơng cụ thể nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về IoT và ứng dụng của IoT, các khả năng ứng dụng
IoT trong trƣờng học thông minh.
Chƣơng 2: Xây dựng mạng IoT cho ứng dụng trƣờng học thông minh, trong
đó tập trung vào trình bày kiến trúc mạng, các thành phần hệ thống mạng và
một số vấn đề về thiết kế mạng cho hai bài toán ứng dụng là: quản lý điểm
danh và giám sát điều kiện môi trƣờng lớp học.
Chƣơng 3: Mô phỏng, thử nghiệm hệ thống IoT cho trƣờng học thông minh
với các nội dung: lựa chọn phần mềm mô phỏng, xây dựng mạng mô phỏng,
xây dựng kịch bản mô phỏng thử nghiệm kiến trúc mạng và cơ chế truyền tin.


8

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ ỨNG DỤNG CỦA
INTERNET OF THINGS
1.1.

Công nghệ IoT

1.1.1. Định nghĩa IoT
Intetnet of Things – IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con
ngƣời đƣợc cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền
tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tƣơng
tác trực tiếp giữa ngƣời với ngƣời, hay ngƣời với máy tính. IoT đã phát triển từ sự
hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet.[2] [3] [12]

1.1.2. IoT từ góc nhìn kĩ thuật [14]
“Things” trong IoT có thể là đối tƣợng vật lý (Physical) hoặc là đối tƣợng ảo
(Virtual). Hai loại đối tƣợng này có thể ánh xạ (mapping) qua lại lẫn nhau.
- Truyền thông thiết bị - thiết bị
- Thiết bị mang dữ liệu (Data carrierring device)
- Thiết bị thu thập dữ liệu (Data capturing device)
- Thiết bị cảm biến và thiết bị thực thi (sensing device and actuation device)
- General device

1.1.3. Đặc tính cơ bản của IoT [2] [7]
- Tính kết nối liên thông (interconnectivity)
- Những dịch vụ liên quan đến “Things”
- Tính không đồng nhất
- Thay đổi linh hoạt
- Quy mô lớn

1.1.4. Kiến trúc hệ thống
-

IoT devices: Thiết bị IoT (cảm biến – sensor) thu thập dữ liệu từ xung quanh

(cảm biến) hoặc đƣa ra dữ liệu xung quanh nó (thiết bị truyền động).


9

-

IoT Geteway: Cổng kết nối đảm bảo hệ thống IoT hoạt động đƣợc trong mọi

tình huống (có mạng hoặc không mạng). Ngoài ra nó còn thiết lập các kết nối dữ
liệu từ các thiết bị IoT đƣa về.
-

Cloud Backend: là nơi nhận dữ liệu từ khắp mọi nơi mà geteway truyền từ

các thiết bị IoT tới.
-

Control Center: Trung tâm điều khiển xử lý dữ liệu thu thập đƣợc bởi các

thiết bị IoT để trích xuất dữ liệu có giá trị từ lƣợng dữ liệu khổng lồ thu thập
đƣợc. Nói cách khác, nó mang lại sự thông minh cho dữ liệu.

1.1.5. Các giao thức chính trong IoT


Các giao thức chính

-

MQTT: Giao thức 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 ngƣời

-

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

-

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



Giao thức truyền thông không dây

-

Zigbee

-

BLE (Bluetooth low energy)

-

RFID



Cảm biến sensor

1.1.6. Yêu cầu ở mức cao đối với một hệ thống IoT
- Kết nối dựa trên sự nhận diện
- Khả năng cộng tác
- Khả năng tự quản của mạng
- Dịch vụ thoả thuận
- Các khả năng dựa vào vị trí (location-based capabilities)
- Bảo mật
- Bảo vệ tính riêng tƣ
- Plug and play
- Khả năng quản lý


10

1.2.

Các ứng dụng của IoT

1.2.1. Thành phố thông minh và môi trường thông minh (Smart Cities)
1.2.2. Năng lượng và điện lưới thông minh (Smart Enerry and the Smart Grid)

1.2.3. Giao thông thông minh và di động (Smart Transportation and Mobility)
1.2.4. Smart home, Smart Buildings and Infrastructure
1.2.5. Nhà máy thông minh và sản xuất thông minh (Smart Factory and
Smart Manufacturing)
1.2.6. Y tế thông minh ( Smart Health)

1.2.7. Giải trí kết nối (Connectivity)
1.2.8. Trường học thông minh (Smart School)
1.2.9. Nông nghiệp thông minh (Smart Agriculture)
1.2.10. Mua sắm thông minh (Smart Shopping)
1.3. Các khả năng ứng dụng IoT trong trƣờng học thông minh.
1.3.1. Bảng tương tác
Ứng dụng này không chỉ lắng nghe mà còn là một ngƣời tham dự chủ động,
sử dụng các phần mềm phân tích thực tế để giúp hƣớng dẫn các cuộc thảo luận, từ
đó các nhóm có thể đƣa ra quyết định nhanh hơn, tốt hơn và thông minh hơn. Ngoài
ra còn tăng khả năng lƣu giữ lại các cuộc thảo luận: trong suốt những tiết học, học
sinh trong lớp còn có thể tổ chức các cuộc đối thoại đƣợc hiển thị trên cùng một
bảng, tăng khả năng tổng hợp và so sánh hiểu biết.

1.3.2. Phát triển tư duy và hình thành làm việc nhóm
1.3.3. Giám sát trường học
Ứng dụng IoT cũng trợ giúp trong hệ thống giám sát trƣờng học, ví dụ nhƣ:
-

Chất lƣợng dạy – học của các tiết học;

-

Tắt, mở và điều chỉnh nhiệt độ, ánh sáng cho phù hợp điều kiện môi trƣờng;

-

Tự động đóng mở cửa;

-

An ninh trƣờng học;

-

Cảnh báo dịch bệnh dựa vào môi trƣờng; khí độc….


11

1.3.4. Quản lí hiệu quả
Ứng dụng IoT hỗ trợ đắc lực cho công tác quản lí nhà trƣờng, ví dụ nhƣ:
-

Quản lí học sinh; Quản lí điểm; Điểm danh; Quản lí môi trƣờng lớp học,
trƣờng học; Quản lí phƣơng tiện dạy, học; Quản lí phòng thực hành;

-

Quản lí thƣ viện;

1.3.5. Trường học kết nối
Trƣờng học kết nối là hệ thống hỗ trợ tổ chức và quản lý các hoạt động
chuyên môn trong lĩnh vực giáo dục và đào tạo qua mạng thông tin trực tuyến với
kho học liệu điện tử; kho bài học minh họa; kho bài học tƣơng tác; ngân hàng câu
hỏi; ngân hàng tri thức đƣợc trao đổi và kết nối.

1.4. Kết luận chƣơng 1
Trong chƣơng này của luận văn đã trình bày tổng quan về IoT cũng nhƣ ứng
dụng của IoT vào cuộc sống nói chung và trƣờng học thông minh nói riêng nhờ sự
hỗ trợ của công nghệ: Tablet (Máy tính bảng) , Smart Card (thẻ thông minh), Smart

Phone (điện thoại thông minh), Smart Interactive panels (bảng tương tác thông
minh) và các phần mềm quản lý lớp học nhằm nâng cao chất lƣợng giảng dạy tƣơng
tác (Interactive Teaching) và Quản lý học tập (Learning Management).


12

CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MẠNG IOT CHO ỨNG DỤNG
TRƢỜNG HỌC THÔNG MINH
2.1. Giới thiệu
Bài toán 1: Quản lý điểm danh
Kiểm tra sĩ số (điểm danh): Ngƣời quản lý có thể trực tiếp kiểm tra và nắm
bắt sĩ số giáo viên, học sinh của trƣờng, lớp theo thời gian biểu.
Để ứng dụng là khả thi, luận văn giả thiết mỗi giảng viên, học sinh khi vào
lớp đều đƣợc trang bị một cảm biến (ví dụ có thể là một phần mềm cài đặt trên máy
Smartphone, hoặc một thẻ Chip) mang theo ngƣời. Thẻ Chip là một thiết bị tƣơng
đối phổ biến đƣợc áp dụng cho các trƣờng học ở các nƣớc tiên tiến hiện nay, dùng
cho giảng viên/sinh viên/học sinh để mở cửa ra vào phòng học/phòng thí nghiệm.
Các cảm biến đƣợc kết nối không dây với nhau và với mạng cục bộ (qua
đƣờng truyền WiFi hoặc ZigBee), qua đó trao đổi dữ liệu và tƣơng tác với nhau,
truyền dữ liệu về trung tâm quản lý.
Dữ liệu thu đƣợc từ cảm biến, truyền về trung tâm quản lý trong bài toán này
thực chất chỉ cần định danh (ID) của ngƣời mang Chip (cảm biến), vị trí cảm biến,
thời gian thực tế.
Bài toán 2: Giám sát điều kiện môi trƣờng lớp học
Giám sát điều kiện môi trường trong lớp học: Mỗi phòng học đƣợc gắn các
cảm biến đo thông số nhƣ nhiệt độ, ánh sáng, tiếng ồn, độ ẩm, khói, CO2,…
Các cảm biến này đƣợc kết nối không dây với nhau và với mạng cục bộ (qua
đƣờng truyền WiFi hoặc ZigBee), qua đó trao đổi dữ liệu và tƣơng tác với nhau,
truyền dữ liệu về trung tâm quản lý, tƣơng tự với bài toán trên.

Dữ liệu thu đƣợc từ cảm biến, truyền về trung tâm quản lý trong bài toán này
bao gồm: nhiệt độ, ánh sáng, tiếng ồn, độ ẩm, khói, CO2,… Trên cơ sở dữ liệu thu
đƣợc, hệ thống điều khiển trung tâm có thể tăng giảm điều hòa (nếu nhiệt độ trong
phòng học quá cao hoặc quá thấp), tăng/giảm ánh sáng đèn (để tiết kiệm năng
lƣợng) tùy vào độ chiếu sáng của ánh nắng, tăng/giảm quạt gió (tùy độ ẩm, lƣợng
khí CO2 trong phòng học), cảnh báo tiếng ồn,…
Đối với hai bài toán ứng dụng điển hình nêu trên, một số vấn đề cơ bản đặt ra
khi xây dựng mạng IoT cho ứng dụng trƣờng học thông minh cho cả hai bài toán là:
- Kiến trúc tổng thể mạng gồm: các cảm biến, cổng kết nối, kênh truyền tin, hệ
thống trung tâm.
- Một số giao thức mạng điển hình, kiểm soát truy nhập, định tuyến,....


13

-

Các cảm biến tạo thành mạng cảm biến, có sự chuyển tiếp dữ liệu giữa các
cảm biến và giữa cảm biến về trung tâm.
Một số thành phần khác của mạng, ví dụ Gateway.
Một số vấn đề về định vị, thu thập dữ liệu của cảm biến, truyền dữ liệu.

2.2. Kiến trúc mạng IoT cho ứng dụng trƣờng học thông minh
2.2.1. Một số giả thiết
- Định tuyến trong mạng IoT dựa trên một giao thức định tuyến phân cấp điển
hình cho mạng cảm biến, có khả năng tập trung dữ liệu để chuyển tiếp. Chiến lƣợc
định tuyến phổ biến của mạng cảm biến.
- Điều khiển truy nhập và chuyển tiếp dữ liệu sử dụng phƣơng thức cho mạng
cảm biến điển hình.
- Vận chuyển dữ liệu sử dụng giao thức điển hình của mạng IoT theo chuẩn, ví

dụ MQTT.

2.2.2. Định tuyến trong mạng
 Chiến lƣợc định tuyến
Định tuyến theo vị trí các node trong mạng dùng thông tin về vị trí để tìm ra
đƣờng đi tốt nhất từ nguồn đến đích.[27].
 Các kỹ thuật định tuyến
- Giao thức dùng cho mạng phẳng
- Giao thức dùng cho kiến trúc tiết kiệm năng lƣợng, ổn định và khả nawg mở rộng
- Dùng phƣơng pháp data-centric để phân bổ yêu cầu trong mạng
- Dùng vị trí để chỉ ra một node cảm biến
 Giải thuật định tuyến [27]
- Proactive ( Khởi tạo trƣớc)
- Reative (phản ứng)
- Hybirid ( hỗn hợp)
 Một số giao thức định tuyến điển hình
* Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu:
* Giao thức định tuyến phân cấp:
* Giao thức định tuyến LEACH:
* Giao thức định tuyến PEGASIS:
* Giao thức định tuyến dựa trên vị trí:

2.2.3. Kiểm soát truy nhập và chuyển tiếp dữ liệu
* Kiểm soát truy nhập:
* Chuyển thông điệp ( Message passing):


14

* Chuyển tiếp gói

2.2.4. Giao thức vận chuyển dữ liệu

-

* Giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport):
Các thành phần chính của MQTT là:
MQTT client (publisher, subscriber)
MQTT server (broker)
Topic
Session
Subscription
Message

2.2.5. Sơ đồ mạng và hệ thống cho ứng dụng bài toán

Hình 2.1: Thành phần hệ thống IoT cho trƣờng học



Đối với bài toán 1: Kiểm tra sĩ số (điểm danh):
Mỗi giảng viên, học sinh khi vào lớp đều đƣợc trang bị một cảm biến (ví dụ
có thể là một phần mềm cài đặt trên máy Smartphone, hoặc một thẻ Chip) mang
theo ngƣời.
Cảm biến (sensor) định kỳ thu thập định danh (ID) của ngƣời mang cảm
biến, vị trí cảm biến và gửi về trung tâm giám sát qua bộ thu thập dữ liệu.
Dữ liệu đƣợc lƣu trữ tại cơ sở dữ liệu trung tâm, phục vụ cho mục đích quản
lý, thống kê.
Trung tâm điều khiển, xử lý dữ liệu thực hiện điểm danh (có thể định kỳ theo
các khoảng thời gian 5 phút, 10 phút, 15 phút,… tùy theo đặt chế độ từ ngƣời quản

lý điểm danh).


15

Hệ thống có thể đặt chế độ tƣơng tác, ví dụ nhắc nhở giảng viên, học sinh thông
qua các cảnh báo về số phút đến muộn, số tiết bỏ học, số buổi học không đủ,…


Đối với bài toán 2: Giám sát điều kiện môi trường trong lớp học
Mỗi phòng học đƣợc gắn các cảm biến đo thông số nhƣ nhiệt độ, ánh sáng,
tiếng ồn, độ ẩm, khói, CO2,…
Cảm biến (sensor) định kỳ thu thập các dữ liệu nêu trên và gửi về trung tâm
giám sát qua bộ thu thập dữ liệu.
Dữ liệu đƣợc lƣu trữ tại cơ sở dữ liệu trung tâm, phục vụ cho mục đích quản
lý, thống kê.
Trung tâm điều khiển, xử lý dữ liệu thực hiện xử lý, điều khiển tăng giảm
điều hòa (nếu nhiệt độ trong phòng học quá cao hoặc quá thấp), tăng/giảm ánh sáng
đèn (để tiết kiệm năng lƣợng) tùy vào độ chiếu sáng của ánh nắng, tăng/giảm quạt
gió (tùy độ ẩm, lƣợng khí CO2 trong phòng học), cảnh báo tiếng ồn,…
Hệ thống có thể đặt chế độ tƣơng tác, ví dụ cảnh báo về điều kiện môi
trƣờng, báo động khi có khói,…
Mỗi thiết bị nhận diện (cảm biến) duy nhất với một địa chỉ IP duy nhất để
chúng có thể nhận dạng một cách dễ dàng qua hệ thống mạng. Các hoạt động này
có thể hoạt động tự động (tự quản) hoặc có thể đƣợc thực hiện bởi ngƣời sử dụng
tùy thuộc vào nhu cầu ngƣời sử dụng. Từ đó tổng hợp dữ liệu hoặc tự động điều
chỉnh dữ liệu về dạng chuẩn theo chuẩn.
- Bộ thu dữ liệu: Thu thập dữ liệu từ các thiết bị IoT trong lớp học để lƣu trữ
thống kê hoặc gửi về trung tâm.
- Cloud: là nơi nhận dữ liệu từ khắp mọi nơi mà bộ thu truyền từ các thiết bị

IoT trong lớp học tới.
- Trung tâm điều khiển và xử lí dữ liệu: Xử lí thông tin phòng học gửi về sau
đó phân tích, xử lí và gửi phản hồi ngƣợc lại cho sensor.

2.3. Mô tả các thành phần chính của hệ thống
2.3.1. Mạng cảm biến
* Có 4 thành phần cơ bản cấu tạo nên một mạng cảm biến [2]:
- Các cảm biến đƣợc phân bố theo mô hình tập trung hay phân bố rải.
- Mạng lƣới liên kết giữa các cảm biến( có dây hay vô tuyến)
- Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (Clustering)
- Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm [4]
* Một vài đặc điểm của mạng cảm biến:
- Các node phân bố dày đặc.


16

- Các node dễ hỏng.
- Giao thức mạng thay đổi thƣờng xuyên.
- Node bị giới hạn về khả năng tính toán, công suất, bộ nhớ.
* Kĩ thuật xây dựng mạng cảm biến
Các thành phần cấu tạo nên một node cảm biến [4]
- Một cảm biến (1 hay một dãy cảm biến).
- Đơn vị xử lý.
- Đơn vị liên lạc bằng vô tuyến.
- Nguồn cung cấp.
- Các phần ứng dụng khác.
* Kiến trúc giao thức mạng cảm biến IoT
 Lớp ứng dụng:
 Lớp truyền tải

 Lớp mạng
 Lớp kết nối dữ liệu
 Lớp vật lý
 Phần quản lý công suất
 Phần quản lý di động
 Phần quản lý nhiệm vụ.

2.3.2. Gateway
Gateway là cổng liên lạc giữa thiết bị và network, hỗ trợ 2 chức năng sau:
Có nhiều chuẩn giao tiếp
Chức năng chuyển đổi giao thức, cần thiết
Thiết kế một IoT Gateway
Kết nối Node
Kết nối Backend
Server Quản lý
Local intelligence
Cân nhắc về năng lƣợng
Bảo mật
Bảo trì

2.4. Một số vấn đề về quản lí định vị, thu thập dữ liệu và truyền tin
2.4.1. Định vị
Có nhiều vấn đề liên quan đến quản lí mạng cảm biến IoT, trong đó quan
trọng nhất là đặt tên (naming), sự định vị (localization).


17

2.4.2. Thu thập dữ liệu
Các cảm biến IoT thu thập thông tin xung quanh nó nhƣ: ID, nhiệt độ, độ ẩm,

ánh sáng gửi về thông qua nút chủ, sau đó nút chủ có chức năng tập hợp dữ liệu gửi
về trung tâm phân tích dữ liệu đƣợc lƣu trữ trên máy chủ của trƣờng để phân tích xử
lý và gửi phản hồi tùy theo từng bài toán.
Để thu thập dữ liệu trong mạng cảm biến IoT ta sử dụng các giao thức
MQTT, MAC,….đã nêu ở 2.3.1

2.4.3. Truyền tin
TCP cung cấp sự tin cậy và truyền có thứ bậc của thông tin giữa bên gửi và
bên nhận.
Tham chiếu vào bài toán thông tin thu đƣợc từ các cảm biến IoT đặt trong
phòng học cũng nhƣ định danh của học sinh sẽ đƣợc truyền về trung tâm với tần
suất truyền tin là 5 phút một lần.
2.4.4. Quy mô thử nghiệm
Xây dựng chạy mô phỏng với số nút với số lƣợng từ ít (5 node – 8 node) đến
nhiều (100 node – 200 node).
Các node nhóm thành cluster ( nhƣ mô tả bài toán hình 2.11), các cluster
ngang hàng nhận thông tin của các node của mình và gửi về trung tâm xử lí. Chính
vì vậy có thể tăng số lƣợng các node lên tới hàng nghìn, tới vài nghìn nude trong địa
bàn trƣờng học, đáp ứng nhu cầu quản lí của nhà trƣờng tƣơng ứng với số lƣợng
học sinh, sinh viên, thiết bị cần giám sát và điều chỉnh tự động.

2.5.

Kết luận chƣơng 2

Trong chƣơng này luận văn giới thiệu về kiến trúc hệ thống, các thành phần
chính của hệ thống IoT trong ứng dụng trƣờng học thông minh. Tác giả đƣa vào
ứng dụng cho lớp học cùng khả năng định vị, thu thập và truyền tin trong mô hình
IoT với bài toán cụ thể.

18

CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG, THỬ NGHIỆM MẠNG IOT
TRONG TRƢỜNG HỌC THÔNG MINH
3.1. Giới thiệu
3.2. Lựa chọn công cụ thử nghiệm
Dựa trên điều kiện và những lợi ích mà những phần mềm mã nguồn mở
mang lại nên trong luận văn này tôi chọn phần mềm mô phỏng là Contiki.
3.2.1.Phần mềm contiki [22]
Hệ điều hành Contiki đƣợc lập trình bằng ngôn ngữ C, hoạt động dựa trên cơ
chế event - driven và có những đặc điểm phù hợp với các hệ thống nhúng và mạng
cảm biến không dây

3.2.2.Cấu trúc hệ điều hành Contiki
Bất kỳ bản Contiki nào cũng gồm 7 thƣ mục: apps, core, cpu, docs, example,
platform và tools.

3.2.3.Tích hợp một platform mới vào hệ điều hành contiki [22]
“Platform native” là platform chuẩn đƣợc xây dựng để việc tích hợp một
platform mới vào hệ điều hành contiki trở nên thuận tiện hơn.
Phần mềm Contiki bao gồm các thư mục và các file sau đây:
- Thƣ mục: Dev
- File: Cfs-coffee-arch.h; Clock.c; Contiki-conf.h; Contiki-main.c;
Makefile.native

3.2.4.Xây dựng môi trường ảo cho thử nghiệm
Để thực hiện ứng dụng bài toán đã nêu luận văn sẽ xây dựng môi trƣờng ảo
cho thử nghiệm với mô phỏng Cooja chạy trên phần mềm contiki sử dụng phần
mềm ảo VMWare.

 Cài đặt VMWare
 Cài đặt Contiki
 Cài đặt Cooja

3.3. Xây dựng mạng mô phỏng
3.3.1.Mô tả các bài toán ứng dụng IoT trong trường học thông minh
Bài toán 1: Quản lí điểm danh.
Trong phạm trƣờng học có nhiều phòng học riêng cho từng chức năng lý
thuyết, thực hành…Để quản lý điểm danh mỗi phòng gắn 1 sensor (nút chủ cấp 1)
mỗi học sinh đƣợc gắn định danh (ID) từ đó nắm bắt thông tin học sinh:
- Vào muộn;
- Bỏ giờ;
- Ra sớm;
- Tích trữ giờ thực hành;


19

Thu thông tin từ những chíp đã định vị gửi về trung tâm qua các gói tin
thông báo Broadcast, với tần suất 10 phút một lần.
Bảng 3.1: Bảng quy định thời gian

ID
HS1
HS2
…

Tên môn học
Toán
Văn

…

Tần suất gửi tin
<10 phút
10 phút
…

Tình trạng
Muộn
Bỏ giờ
…

Mỗi học sinh có một ID riêng, mỗi phòng học có 1 Sink node thu tin
broatcard để biết đƣợc học sinh đang ngồi học tại phòng đó.
- Nếu học sinh đến sau khi vào lớp <10 phút thì ghi muộn.
- Nếu học sinh đến sau khi vào lớp 10 phút thì ghi bỏ giờ.
Từ đó thống kê số lƣợng học sinh bỏ học, bỏ tiết, vào muộn, thời gian muộn
để đánh giá chuyên cần, số môn học, thực hành, thời gian tích lũy học thực hành…
Bài toán 2: Giám sát điều kiện môi trường lớp học
Trong phạm vi phòng học (phòng thực hành, thí nghiệm) có gắn các cảm
biến (sensor) từ đó thu thập thông tin:
- Nhiệt độ;
- Khí thải;
- Độ ẩm;
- Tiếng ồn…
- Ánh sáng;
Bảng 3.2: Bảng tiêu đánh giá môi trƣờng phòng học

Sensor

Độ chuẩn

Phi chuẩn

Nhiệt độ
Ánh sáng
Nồng độ khí
…

260C - 280C
Độ rọi 300 - 500 lux
0,5%
…

Ngoài ngƣỡng chuẩn
Ngoài ngƣỡng chuẩn
Ngoài ngƣỡng chuẩn
…

3.3.2. Tạo môi trường mô phỏng
3.4. Xây dựng kịch bản thử nghiệm
3.4.1 Một số tham số chung cho các kịch bản
-

Kích thƣớc mạng
Hình trạng mạng
Số lƣợng hàng xóm
Phạm vi truyền sóng
Số lƣợng gói tin đƣợc truyền
Tốc độ di chuyển của các node mạng.

Điều chỉnh
tự động
Điều hòa
Đèn điện
Thông gió
…


20

3.4.2. Xác suất trong các điều kiện thử nghiệm
Các kịch bản thử nghiệm sử dụng các tham số sau đây.
Bảng 3.3: Xác suất trong các điều kiện thử nghiệm

Đặc điểm

Lí tƣởng

Thực tế

Hình trạng mạng

Lƣới vuông:
5x5; 10x10;
15x15

Ngẫu nhiên trong phạm vi:
500x500;
1000x1000

Kích thƣớc mạng

25; 100; 225

9; 25; 100

Tần suất truyền phát gói tin

5 gói/s

20 gói/s đối với 9 và 25 nút;
5-8 gói/s đối với 100 nút

Tốc độ di chuyển

0 m/s

0-5 m/s

Số lƣợng giá trị thử trong
đoạn [0,1]

200

10

Tính xung đột gói tin

không

có

3.4.3.Một số cấu hình chung khi mô phỏng
3.4.4. Quy mô thử nghiệm.
3.5. Kết quả mô phỏng thử nghiệm
3.5.1 Kết quả đầu ra của mô phỏng
Tỷ lệ thành công SR là tỷ lệ giữa số node trung bình nhận đƣợc gói tin với
tổng số node trong mạng trong mỗi lần thử, đƣợc tính theo công thức:
n

n
i 1

SR 

-

i

n
N

Với điều kiện: 0 SR 1
n: số gói tin broadcast đƣợc tạo ra của lần thử hiện tại.
ni: số node nhận đƣợc gói tin broadcast tại lần broadcast gói tin thứ i.
N: tổng số node trong mạng của lần thử hiện tại.

3.5.2. Kết quả mô phỏng trong điều kiện lí tưởng
Hiện tƣợng chuyển pha có thể xảy ra trong điều kiện lý tƣởng (các node nằm

trên các mắt lƣới của lƣới vuông và không có hiện tƣợng xung đột gói tin). Ngoài
ra, có hai yếu tố ảnh hƣởng đến kết quả này là kích thƣớc mạng và số lƣợng hàng
xóm trung bình của mỗi node.

3.5.3 Kết quả mô phỏng trong điều kiện mạng thực


21

3.6. Đánh giá hiệu năng truyền tin trong mạng
Đối với các mạng có mật độ thấp
Đối với các mạng có mật độ cao
Dựa vào các kết quả đo đƣợc, chúng ta có đƣa ra một số yếu tố làm ảnh
hƣởng đến việc chọn xác suất trong điều kiện mạng thực nhƣ sau:
Mật độ mạng
Tốc độ di động
Tần suất phát tin

3.7. Kết luận chƣơng 3
- Lựa chọn công cụ mô phỏng bài toán ứng dụng Iinternet of Things cho
trƣờng học thông minh.
- Xây dựng môi trƣờng mô phỏng với bộ công cụ Contiki.
- Xây dựng kịch bản thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của ứng dụng bài toán.


22

KẾT LUẬN
IoT đang trở thành một công nghệ tiềm năng để xây dựng các ứng dụng
thông minh. Một trong số các ứng dụng đƣợc nghiên cứu đề cập trong bài luận văn

là trƣờng học thông minh (Smart School).
Luận văn đã nghiên cứu tổng quan về IoT, khả năng ứng dụng IoT trong
trƣờng học thông minh. Luận văn đã đƣa ra mô hình mạng IoT cho ứng dụng
trƣờng học thông minh, nghiên cứu xây dựng mạng mô phỏng trong nhà trƣờng, cụ
thể với hai bài toán ứng dụng là quản lý điểm danh và giám sát điều kiện môi
trƣờng lớp học.
Các kết quả chính của luận văn đạt đƣợc gồm:
-

Nghiên cứu tổng quan IoT, ứng dụng IoT và đặc biệt là các khả năng ứng

dụng trong trƣờng học thông minh.
-

Nghiên cứu xây dựng mạng IoT cho ứng dụng trƣờng học thông minh, trong

đó tập trung vào trình bày kiến trúc mạng, các thành phần hệ thống mạng và một số
vấn đề thiết kế mạng: định vị, kiểm soát, thu thập dữ liệu, truyền dữ liệu cho hai bài
toán ứng dụng là: quản lý điểm danh và giám sát điều kiện môi trƣờng lớp học.
-

Xây dựng mạng mô phỏng thử nghiệm với phần mềm mô phỏng Contiki.

-

Thực hiện mô phỏng thử nghiệm và đánh giá hiệu năng với quá trình giám

sát các sensor đồng thời thử nghiệm quá trình truyền tin giữa các nút mạng IoT với
trung tâm. Kết quả mô phỏng thử nghiệm cho thấy tính khả thi trong ứng dụng
mạng IoT cho trƣờng học thông minh.

Do khả năng ứng dụng mạng IoT cho trƣờng học thông minh khá đa dạng,
trong khuôn khổ có hạn của luận văn, bài luận văn mới chỉ đƣa ra hai ứng dụng điển
hình là bài toán quản lý điểm danh và bài toán quản lý, giám sát điều kiện môi
trƣờng lớp học. Trong mô phỏng thử nghiệm, do thời gian và số lƣợng các cảm biến
hạn chế, chƣơng trình chƣa chạy thử nghiệm với ứng dụng trên các thiết bị cảm
biến, vì vậy chƣa đánh giá hết đƣợc một số vấn đề nhƣ: việc truyền nhận dữ liệu từ
thiết bị cảm biến đến các node mạng cảm biến, vấn đề xung đột dữ liệu… Đây cũng
là một trong những hƣớng nghiên cứu, phát triển tiếp theo của luận văn.


23

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Amir R. Atabekov. Internet of Thing based Smart Classroom Environment.
Master’s Thesis. Kennesaw State University, 2016.
[2]. Dr. Ovidiu Vermesan, Peter Friess, Patrick GuillTôiin. Internet of Things
Strategic Research Roadmap, 2009 Strategic Research Agenda, The IoT European
Research Cluster -European Research Cluster on the Internet of Things (IERC)
[3]. Everton Cavalcante, Marcelo Pitanga Alves, An Analysis of Reference
Architectures for the Internet of Things, Corba 2015.
[4]. Feng-Cheng Chang, Duen-Kai Chen, Hsiang-Che Huang: Future Classroom
with the Internet of Things: A Service-Oriented Framework. Journal of Information
Hiding and Multimedia Signal Processing. Volume 6, No.5, Sept. 2015.
[5]. Gerd KortuTôi, Arosha K. Bandara, Neil Smith, Mike Richards, Marian Pet.
Educating the Internet of Things Generation. Computer, 46(2) 2013. pp. 53–61.
[6]. Anna Ha’c, Wireliss Sensor network Designs, University of Hawaii at Manoa,
Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd, copyright 2003
[7]. Luigi Atzori, Antonio Iera, Giacomo Morabito. Internet of Things: A survey,
Computer Networks 54 (2010) 2787–2805.
[8]. Parmesh V. Simple Applications of Smart-Classroom. International Journal of

Combined Research & Development (IJCRD). Vol. 1, Issue 2, June 2013.
[9]. Hoàng Xuân Dậu. Bài giảng môn hệ điều hành mạng: Internet of Things. Học
viện công nghệ Bƣu chính viễn thông.
[10]. />[11]. />[12].
[13].
[14].
[15].
[16].
[17]. />