Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3 (Luận văn thạc sĩ)

i

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

TRẦN THỊ QUỲNH

MÔ PHỎNG, THỬ NGHIỆM MẠNG CẢM BIẾN IOT
CHO CẢNH BÁO CHÁY RỪNG VỚI PHẦN MỀM NS – 3

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018


ii

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

TRẦN THỊ QUỲNH

MÔ PHỎNG, THỬ NGHIỆM MẠNG CẢM BIẾN IOT
CHO CẢNH BÁO CHÁY RỪNG VỚI PHẦN MỀM NS – 3
CHUYÊN NGÀNH : KHOA HỌC MÁY TÍNH
MÃ SỐ:

8480101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. TRẦN QUÝ NAM

HÀ NỘI - 2018


i

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 dƣới sự hƣớng dẫn của thầy Ts. Trần Quý
Nam. 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.
Học viên

Trần Thị Quỳnh


ii

LỜI CẢM ƠN
Với tất cả lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn tới Thầy
giáo Ts. Trần Quý Nam, ngƣời đã tận tình dạy dỗ và hƣớng dẫn em trong quá trình
hoàn thành luận văn.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy giáo, Cô giáo công tác
tại Học viện Công nghệ bƣu chính viễn thông, những ngƣời đã tận tình giảng dạy,
truyền thụ cho em những kiến thức khoa học căn bản trong quá trình học tập tại
trƣờng.

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, các đồng
nghiệp đã động viên, sát cánh cùng em trong quá trình học tập và thực hiện đề tài.
Hà Nội, ngày 16 tháng 1 năm 2018
Học viên

Trần Thị Quỳnh


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT, ỨNG DỤNG CỦA MẠNG IOT ...................3
1.1. Định nghĩa IoT .....................................................................................................3
1.1.1. Khái niệm IoT ...................................................................................................3
1.1.2. Đặc tính cơ bản và yêu cầu ở mức cao của một hệ thống IoT ..........................4
1.1.3. Cơ sở kỹ thuật của IoT ......................................................................................6
1.1.4. Kiến trúc IoT ...................................................................................................11
1.2. Ứng dụng của IoT ..............................................................................................14
1.2.1.Giải pháp nhà thông minh ................................................................................15
1.2.2. IoT cho lĩnh vực nông nghiệp .........................................................................17
1.2.3.Chăn nuôi chính xác bằng trang trại thông minh .............................................20
1.3. IoT với cảnh báo cháy rừng ...............................................................................21
1.4. Kết luận chƣơng .................................................................................................22

CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MỘT MẠNG CẢM BIẾN IOT CHO
CẢNH BÁO CHÁY RỪNG .....................................................................................23
2.1. Kiến trúc mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng .....................................23
2.1.1. Tổng quan mạng cảm biến ..............................................................................23
2.1.2. Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến .................................................................25
2.1.3. Kiến trúc mạng cảm biến IoT..........................................................................26
2.1.4. Kiến trúc mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng ..................................32
2.2. Kỹ thuật thu thập và truyền dữ liệu về trung tâm ..............................................36
2.2.1. Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu ..........................................................37


iv

2.2.2. Giao thức định tuyến phân cấp........................................................................37
2.2.3. Giao thức định tuyến dựa trên vị trí ................................................................39
2.2.4. Giao thức LEACH và phƣơng pháp chuyển tiếp dữ liệu trong mạng cảm biến
IoT .............................................................................................................................39
2.2.5. Giao thức LEACH-C.......................................................................................48
2.3. Kỹ thuật đo đạc, phân tích, cảnh báo cháy rừng ................................................51
2.3.1. Mùa cháy rừng ................................................................................................51
2.3.2. Xác định khả năng cháy rừng theo chỉ số Angstrom (Thụy Điển) .................52
2.3.3. Dự báo cháy rừng theo chỉ số tổng hợp của V. G. Nesterov ..........................52
2.4. Kết luận chƣơng .................................................................................................55
CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG, THỬ NGHIỆM MỘT MẠNG CẢM BIẾN CẢNH
BÁO CHÁY RỪNG .................................................................................................56
3.1. Phần mềm mô phỏng NS-3 ................................................................................56
3.1.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng NS – 3 .........................................................56
3.1.2. Cài đặt mô phỏng ............................................................................................57
3.2. Kiến trúc mạng mô phỏng thử nghiệm ..............................................................60
3.2.1. Mô hình kiến trúc mạng ..................................................................................60

3.2.2. Các thành phần của bộ cảm biến sử dụng trong mạng IoT .............................61
3.3. Xây dựng các kịch bản thử nghiệm ....................................................................62
3.4. Mô phỏng hoạt động và đánh giá kết quả ..........................................................62
3.4.1. Mô phỏng hoạt động .......................................................................................62
3.4.2. Đánh giá kết quả mô phỏng ............................................................................66
3.5. Kết luận chƣơng .................................................................................................67
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO


v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
TT

Từ viết tắt

Nghĩa tiếng anh

Nghĩa tiếng việt

1

ADC

Analog to Digital

Chuyển đổi tƣơng tự - số

2

ADV

Advertisement

Nút chủ quảng bá một bản tin

Advanced Message
Queuing Protocol

Một chuẩn mở cho việc truyền
thông điệp kinh doanh giữa các
ứng dụng hoặc tổ chức

Business Process
Management

Quản lý quy trình nghiệp vụ

3

AMQP

4

BPM

5

BRM

6

BS

Basic Station

Trạm (nút) cơ bản

7

BSS

Business Support Systems

Hệ thống hỗ trợ thanh toán

8

CDMA

Code Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

9

CH

Cluster - head

Nút chủ

10

CSMA

Carrier Sense Multiple
Access

Đa truy cập nhận biết sóng mang
phát hiện xung đột

11

D2D

Device - to - device

Thiết bị với thiết bị

12

D2S

Device - to - Server

Thiết bị đến máy chủ

13

DDS

Data Distribution Service

Dịch vụ phân phối dữ liệu

14

HTTP

HyperText Transfer Protoc
ol

Giao thức để trao đổi hoặc
chuyển siêu văn bản

15

IoT

Internet of Thing

Mạng lƣới vạn vật kết nối

16

Ip

Internet Protocol address

Một nhãn số gán cho mỗi thiết bị
kết nối với một mạng máy tính

17

LAN

Local area network

Mạng cục bộ

18

LEACH

Low - Energy Adaptive
Clustering Hierarchy

Giao thức định tuyến phân cấp

19

M2M

Machine - to - Machine

Máy đến máy

20

MAC

Media Access Control

Giao thức điều khiển truy nhập

21

MQTT

Message Queue Telemetry

Giao thức kết nối giữa máy tính

Business Relationship
Manager

Quản lý quan hệ kinh doanh


vi

Transport

với máy (M2M) / "Internet of
Things"

22

OSS

Operational Support
Systems

Hệ thống hỗ trợ hoạt động

23

PAN

Personal area network

Mạng cá nhân

Power- Efficient Gathering
24

PEGASIS

in Sensor Information
Systems

Tập trung hiệu suất năng lƣợng
trong hệ thống thông tin cảm biến

25

QoS

Quanlity of Service

Định tuyến theo chất lƣợng dịch
vụ

26

REQ

Join Request

Yêu cầu kết nối

27

RFID

Radio-frequency
identification

Nhận dạng tần số vô tuyến

28

S2S

Server - to - server

Máy chủ đến máy chủ

29

SMP

30

SQDDP

Sensor Query and Data
Dissemiation

Giao thức phân phối dữ liệu và
truy vấn cảm biến

31

TADAP

Task Assignment and Data
Advertisement

Giao thức quảng bá và chỉ định
nhiệm vụ cho từng sensor

32

TCP

33

TDMA

Time-division multiple
access

Phƣơng pháp truy cập kênh

34

UDP

User Datagram Protocol

Giao thức gói ngƣời dùng

35

WAN

Wide area network

Mạng diện rộng

36

WLAN

Wireless local area network Mạng không dây cục bộ

37

WPAN

Wireless personal area
network

Mạng cá nhân có kết nối không
dây

38

WSNs

Wireless sensor networks

Các mạng cảm biến không dây

39

XMPP

Sensor Management
Protocol

Transmission User
Datagram Protocol

Extensible Messaging
and Presence Protocol

Giao thức quản lý mạng cảm biến

Giao thức điều khiển truyền tải

Một giao thức; một bộ tiêu chuẩn
cho phép các hệ thống nói chuyện
với nhau


vii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: So sánh các chuẩn truyền thông không dây................................................9
Bảng 2.1: Dẫn ra một số suy hao đƣờng truyền do vật liệu nhà theo tần số .............34
Bảng 2.2: Chế độ khô ẩm ở Việt Nam ......................................................................51
Bảng 2.3: Đánh giá khả năng cháy rừng theo chỉ số Angstrom................................52
Bảng 2.4: Cách tính tổng hợp chỉ tiêu P ...................................................................53
Bảng 2.5: Bảng tra điểm sƣơng .................................................................................53
Bảng 2.6: Cấp nguy cơ cháy rừng theo chỉ số P .......................................................54
Bảng 2.7: Hệ số hiệu chỉnh P khi có gió ...................................................................54
Bảng 3.1: Các trƣờng hợp mô phỏng ........................................................................62
Bảng 3.2: Trƣờng hợp mô phỏng về thay đổi số Cluster ..........................................65


viii

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Internet of Thing .........................................................................................3
Hình 1.2: Sự gia tăng nhanh chóng của giao tiếp máy - máy .....................................4

Hình 1.3: Ví dụ về MQTT...........................................................................................7
Hình 1.4: Ví dụ về XMPP ...........................................................................................8
Hình 1.5: Năng lực truyền thông .................................................................................9
Hình 1.6: Một số loại cảm biến hay gặp ...................................................................10
Hình 1.7: Đáp ứng thời gian cho ứng dụng IoT ........................................................10
Hình 1.8: Sơ đồ khối giảm thể của các khối xây dựng cơ bản IoT ...........................11
Hình 1.9: Các khối xây dựng cơ bản của IoT ...........................................................13
Hình 1.10: Các lớp của IoT .......................................................................................14
Hình 1.11: Tổng quan về ứng dụng IoT ....................................................................15
Hình 1.12: Ngôi nhà thông minh...............................................................................15
Hình1.13: Máy móc nông nghiệp khi ứng dụng IoT ................................................17
Hình 1.14: Ứng dụng IoT để tính toán chính xác hiệu quả sử dụng phân bón .........18
và thuốc trừ sâu .........................................................................................................18
Hình 1.15: Dữ liệu về sản lƣợng tại từng vị trí cụ thể trên cánh đồng sẽ giúp xác
định phƣơng án canh tác tối ƣu và hiệu quả nhất......................................................19
Hình 1.16: Chiếc vòng cảm biến có thể đếm bƣớc chân bò liên tục trong 10 năm. .20
Hình 2.1: Các thành phần của một nút cảm biến. .....................................................24
Hình 2.2: Cấu trúc phẳng trong mạng cảm biến IoT ................................................27
Hình 2.3: Cấu trúc tầng trong mạng cảm biến IoT ...................................................27
Hình 2.4: Cấu trúc phân cấp trong mạng cảm biến IoT ............................................28
Hình 2.5: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến. ...................................................30
Hình 2.6: Mô hình truyền sóng .................................................................................33
Hình 2.7: Đồ thị so sánh các giao thức truyền dẫn không dây phổ biến [22] ...........35
Hình 2.8: Mạng đơn bƣớc và mạng đa bƣớc.............................................................36
Hình 2.9: Giao thức LEACH ....................................................................................39


ix

Hình 2.10: Time - line hoạt động của LEACH .........................................................40

Hình 2.11: Trạng thái các phase của LEACH ...........................................................41
Hình 2.12: Lƣu đồ thuật toán pha thiết lập phân bố của LEACH.............................43
Hình 2.13: Sơ đồ thuật toán pha ổn định trong LEACH ...........................................45
Hình 2.14: Hoạt động của pha ổn định trong LEACH..............................................46
Hình 2.15: Nhiễu vô truyến giữa các nút cảm biến ..................................................46
Hình 2.16: Mô hình mạng cảm biến super-cluster ....................................................48
Hình 2.17: Pha thiết lập của LEACH-C ....................................................................49
Hình 3.1: Tổ chức phần mềm của NS3 .....................................................................56
Hình 3.2: Mô hình kiến trúc mạng IoT giám sát và cảnh báo ..................................60
Hình 3.3: Mô hình nút mạng cảm biến .....................................................................61
Hình 3.4: Số nút sống theo thời gian của LEACH trong 3 kịch bản ........................63
Hình 3.5: Dữ liệu gửi tới BS của LEACH trong 3 kịch bản .....................................64
Hình 3.6: Dữ liệu gửi tới BS của LEACH trong 3 kịch bản .....................................65
Hình 3.7: Số nút sống theo thời gian của LEACH trong 3 kịch bản ........................66
Hình 3.8: Biểu đồ so sánh mức gửi dữ liệu của các kịch bản ...................................67


1

MỞ ĐẦU
Ở nƣớc ta hiện nay, rừng chiếm một diện tích lãnh thổ lớn, có tác động lớn
đến kinh tế, xã hội và đời sống. Rừng là một tài nguyên quý giá cần đƣợc bảo vệ.
Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, có khả năng xảy ra những vụ cháy
rừng cao trong những mùa khô hanh. Theo thống kê của Cục kiểm lâm (2016) diện
tích rừng hiện có 14.377.682 ha, trong đó rừng tự nhiên là 10.242.141 ha, rừng
trồng là 4.135.541 ha[1]. Sáu tháng đầu năm 2017, cả nƣớc xảy ra 2.364 vụ cháy
rừng, làm 51 ngƣời chết, 95 ngƣời bị thƣơng, thiệt hại về tài sản khoảng 1.173 tỷ
đồng và 806 ha rừng [24]. Vì vậy, Nhiều hệ thống cảnh báo cháy rừng cũng đã đƣợc
nghiên cứu, xây dựng. Mặc dù vậy, việc áp dụng công nghệ mới vào cảnh báo cháy
rừng vẫn còn nhiều hạn chế.

Cảnh báo cháy rừng đóng vai trò rất quan trọng trong công tác bảo vệ rừng.
Nhờ có cảnh báo sớm, chúng ta có thể biết đƣợc mức độ nguy cơ có thể xảy ra cháy
rừng để từ đó chủ động phƣơng án đối phó cũng nhƣ giảm thiểu tối đa những thiệt
hại mà cháy rừng gây ra. Ngày nay, những cuộc cách mạng về công nghệ đóng một
vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi mọi thứ từng ngày, từng giờ theo hƣớng
hiện đại hơn. Đặc biệt là việc áp dụng các thành quả khoa học công nghệ của công
nghệ thông tin, điện tử và truyền thông vào trong thực tiễn cuộc sống con ngƣời.
Công nghệ Internet of Things (IoT) mới ra đời trong thời gian gần đây và đang
đƣợc ứng dụng ngày càng nhiều vào các lĩnh vực đời sống.
Việc nghiên cứu, tìm hiểu công nghệ mới IoT và ứng dụng vào bài toán cảnh
báo cháy rừng vẫn còn là một chủ đề mới, và là chủ đề nghiên cứu của bài luận văn
này. Nội dung chính của luận văn là nghiên cứu, xây dựng và mô phỏng thử nghiệm
bằng phần mềm mô phỏng NS-3 cho một mạng cảm biến IoT phục vụ cho việc cảnh
báo sớm cháy rừng.
Hiện nay, nhiều hệ thống cảnh báo cháy rừng cũng đã đƣợc nghiên cứu, xây
dựng. Nhiều phƣơng pháp đã đƣợc đề xuất, điển hình nhƣ: Nghiên cứu phƣơng
pháp nội suy điều kiện khí tƣợng phục vụ công tác dự báo nguy cơ cháy rừng; Ứng
dụng GIS và viễn thám để thành lập bản đồ nhạy cảm cháy; Ứng dụng ảnh vệ tinh


2

trong cảnh báo nguy cơ cháy rừng và phát hiện sớm điểm cháy rừng, ứng dụng
mạng cảm biến không dây, v.v….Phần mềm ứng dụng phát hiện sớm cháy rừng từ
ảnh vệ tinh MODIS đang đƣợc ứng dụng rộng dãi và cho kết quả nhanh, ổn định.
Phần mềm cho ra: tên vệ tinh, ngày giờ thu nhận ảnh và số điểm cháy toàn quốc và
theo tỉnh. Tuy nhiên chỉ khi có cháy rừng phần mềm mới phát phát huy đƣợc tác
dụng. Mặt khác cuộc cách mạng công nghệ lần thứ tƣ (Fourth Industrial Revolution,
viết tắt là FIR). FIR là sự kết hợp giữa các hệ thống thực - ảo (cyber-physical
system - CPS), Internet kết nối vạn vật (IoT) và hệ thống kết nối Internet (IoS). Vì

vậy việc ứng dụng công nghệ mới IoT là điều tất yếu.
Chính vì những lí do trên học viên đã chọn đề tài: “Mô phỏng, thử nghiệm
mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS - 3”. Hƣớng tiếp
cận chính để học viên giải quyết bài toán là nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới
IoT, thiết kế một mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng và khả năng mô
phỏng, thử nghiệm một mạng cảm biến IoT với phần mềm mô phỏng NS - 3 để biết
đƣợc khả năng truyền nhận dữ liệu trong mạng cảm biến để từ đó đánh giá đƣợc
mức độ, nguy cơ xảy ra cháy rừng trong thực tế.
Bài luận văn gồm 3 chƣơng chính với các nội dung chủ yếu sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về IoT, ứng dụng của mạng IoT
Chƣơng 2: Thiết kế, xây dựng một mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng.
Chƣơng 3: Mô phỏng, thử nghiệm một mạng cảm biến cảnh báo cháy rừng.


3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ IOT, ỨNG DỤNG CỦA MẠNG IOT
1.1. Định nghĩa IoT
1.1.1. Khái niệm IoT
Mạng lƣới vạn vật kết nối Internet hoặc là mạng lƣới thiết bị kết nối Internet
viết tắt là IoT (tiếng anh: Internet of Things) 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 với máy tính. IoT đã phát
triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nó
đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và
với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó [34].

Hình 1.1: Internet of Thing

Hay hiểu một cách đơn giản IoT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau .
Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G),
Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy


4

pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị khác. Cisco, nhà cung cấp
giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo: Đến năm 2020, sẽ có khoảng
50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, thậm chí con số này còn gia tăng nhiều hơn nữa.
IoT sẽ là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả con ngƣời và sẽ tồn tại
các mối quan hệ giữa ngƣời và ngƣời, ngƣời và thiết bị, thiết bị và thiết bị. Một
mạng lƣới IoT có thể chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tƣợng đƣợc kết nối và mạng
lƣới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tƣợng. Một con ngƣời sống trong
thành thị có thể bị bao bọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối tƣợng có khả năng
theo dõi [25].

Hình 1.2: Sự gia tăng nhanh chóng của giao tiếp máy - máy

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

1.1.2. Đặc tính cơ bản và yêu cầu ở mức cao của một hệ thống IoT
1.1.2.1. Đặc tính cơ bản
- Tính kết nối liên thông (interconnectivity): Với IoT, bất cứ điều gì cũng có
thể kết nối với nhau thông qua mạng lƣới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể.
- Những dịch vụ liên quan đến “Things”: Hệ thống IoT có khả năng cung cấp
các dịch vụ liên quan đến “Things”, chẳng hạn nhƣ bảo vệ sự riêng tƣ và nhất quán

5

giữa Physical Thing và Virtual Thing. Để cung cấp đƣợc dịch vụ này, cả công nghệ
phần cứng và công nghệ thông tin (phần mềm) sẽ phải thay đổi.
- Tính không đồng nhất: Các thiết bị trong IoT là không đồng nhất vì nó có
phần cứng khác nhau, và network khác nhau. Các thiết bị giữa các network có thể
tƣơng tác với nhau nhờ vào sự liên kết của các network.
- Thay đổi linh hoạt: Trạng thái của các thiết bị tự động thay đổi, ví dụ, ngủ
và thức dậy, kết nối hoặc bị ngắt, vị trí thiết bị đã thay đổi, và tốc độ đã thay đổi…
Hơn nữa, số lƣợng thiết bị có thể tự động thay đổi.
- Quy mô lớn: Sẽ có một số lƣợng rất lớn các thiết bị đƣợc quản lý và giao
tiếp với nhau. Số lƣợng này lớn hơn nhiều so với số lƣợng máy tính kết nối Internet
hiện nay. Số lƣợng các thông tin đƣợc truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều so với
đƣợc truyền bởi con ngƣời [12][21].

1.1.2.2. Yêu cầu ở mức cao 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 “Things” phải có ID riêng biệt.
Hệ thống IoT cần hỗ trợ các kết nối giữa các “Things”, và kết nối đƣợc thiết lập dựa
trên định danh (ID) của Things.
- Khả năng cộng tác: Hệ thống IoT khả năng tƣơng tác qua lại giữa các
network và Things.
- Khả năng tự quản của network: Bao gồm tự quản lý, tự cấu hình, tự chữa
bệnh, tự tối ƣu hóa và tự có cơ chế bảo vệ. Điều này cần thiết để network có thể
thích ứng với các domains ứng dụng khác nhau, môi trƣờng truyền thông khác
nhau, và nhiều loại thiết bị khác nhau.
- Dịch vụ thoả thuận: Dịch vụ này để có thể đƣợc cung cấp bằng cách thu
thập, giao tiếp và xử lý tự động các dữ liệu giữa các “Things” dựa trên các quy tắc
(rules) đƣợc thiết lập bởi ngƣời vận hành hoặc tùy chỉnh bởi các ngƣời dùng.

- Các khả năng dựa vào vị trí (location-based capabilities): Thông tin liên lạc
và các dịch vụ liên quan đến một cái gì đó sẽ phụ thuộc vào thông tin vị trí của
Things và ngƣời sử dụng. Hệ thống IoT có thể biết và theo dõi vị trí một cách tự


6

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 “Things” đƣợc kết nối với nhau. Chính điều này
làm tăng mối nguy trong bảo mật, chẳng hạn nhƣ bí mật thông tin bị tiết lộ, xác
thực sai, hay dữ liệu bị thay đổi hay làm giả.
- Bảo vệ tính riêng tƣ: Tất cả các “Things” đều có chủ sở hữu và ngƣời sử
dụng của nó. Dữ liệu thu thập đƣợc từ các “Things” có thể chứa thông tin cá nhân
liên quan chủ sở hữu hoặc ngƣời sử dụng nó. Các hệ thống IoT cần bảo vệ sự riêng
tƣ trong quá trình truyền dữ liệu, tập hợp, lƣu trữ, khai thác và xử lý. Bảo vệ sự
riêng tƣ không nên thiết lập một rào cản đối với xác thực nguồn dữ liệu.
- Plug and play: Các Things phải đƣợc 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
“Things” để đảm bảo network hoạt động bình thƣờng. Ứng dụng IoT thƣờng làm
việc tự động mà không cần sự tham gia của con ngƣời, nhƣng toàn bộ quá trình hoạt
động của chúng nên đƣợc quản lý bởi các bên liên quan [15].

1.1.3. Cơ sở kỹ thuật của IoT
1.1.3.1. Giao thức chính
Trong IoT, các thiết bị phải giao tiếp đƣợc với nhau (D2D). Dữ liệu sau đó
phải đƣợc thu thập và gửi tới máy chủ (D2S). Máy chủ cũng có thể chia sẻ dữ liệu
với nhau (S2S), có thể cung cấp lại cho các thiết bị, để phân tích các chƣơng trình,
hoặc cho ngƣời 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 ngƣời, một trƣờng
hợp đặc biệt của mô hình D2S, kể từ khi ngƣời đƣợc kết nối với máy chủ.
- DDS: Giao thức tốc độ cao cho việc tích hợp máy thông minh D2D.
- AMQP: Hệ thống hàng đợi đƣợc thiết kế để kết nối các máy chủ với nhau (S2S)


7

* MQTT (Message Queue Telematry 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 đƣợc theo dõi hoặc kiểm
soát từ các đám mây.

Hình 1.3: 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 hiệu 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 tảng TCP, cung cấp các đáp ứng đơn giản,
đáng tin cậy
* XMPP
XMPP ban đầu đƣợc gọi là “Jabber”. Nó đƣợc phát triển cho các tin nhắn tức
thời (IM) để kết nối mọi ngƣời với những ngƣời khác thông qua tin nhắn văn bản.
XMPP là viết tắt của Extensible Messaging và Presence Protocol.


8

Hình 1.4: Ví dụ về XMPP

XMPP sử dụng định dạng văn bản XML, và cũng tƣơng tự nhƣ MQTT,
XMPP chạy trên nền tảng TCP, hoặc có thể qua HTTP trên TCP. Sức mạnh chính
của nó là một chƣơng trình trong mạng internet
khổng lồ. [26][15].

1.1.3.2. Năng lực truyền thông (Comminication Capabilities)
Địa chỉ IP đƣợc coi là yếu tố quan trọng trong IoT khi mà mỗi thiết bị đƣợc
gán một địa chỉ IP riêng biệt. Do đó khả năng cấp phát địa chỉ IP sẽ quyết định đến
tƣơng lai của IoT. Hệ thống địa chỉ Ipv4 đƣợc tạo ra với mục đích đánh cho mỗi
máy tính kết nối vào mạng Internet một con số riêng biệt, giúp cho thông tin có thể
tìm đến nơi cần đến ngay khi nó đƣợc chuyển đi từ bất cứ địa điểm nào trên thế
giới. Theo thiết kế Ipv4 có thể cung cấp 2^32 (~ 4,2 tỷ) địa chỉ IP, một con số lớn
không tƣởng cách đây 30 năm. Tuy nhiên, sự bùng nổ mạnh mẽ của Internet đã
khiến cho số lƣợng 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 đƣa ra
tuyên bố rằng họ đã sử dụng đến gói địa chỉ IP chƣa cấp phát cuối cùng (khoảng 1,8
triệu địa chỉ).
Và sự ra đời của Ipv6 nhƣ là một giải pháp cứu sống kịp thời cho sự cạn kiệt
của Ipv4. Độ dài bit của nó 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 [26].


9

Hình 1.5: Năng lực truyền thông

1.1.3.3. Công suất thiết bị (Device Power)

Các tiêu chí hình thức chính của thiết bị khi triển khai một ứng dụng IoT là
phải giá thành thấp, mỏng, nhẹ…và nhƣ vậy phần năng lƣợng nuôi thiết bị cũng sẽ
trở nên nhỏ gọn lại, năng lƣợng 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
lƣợng 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) nhƣ Zigbee, BLE (Bluetooth low energy), ANT/ANT+, NIKE+,…
Bảng 1.1: So sánh các chuẩn truyền thông không dây

Application
Focus
System
Resource
Battery Life
(days)
Node Per
Network
Bandwidth
(kbps)
Range
(meters)
Key
Attributes

ZigBeeTM
802.15.4
Monitoring &
Control

BluetoothTM

802.15.1
Cable
Replacement

Wi-FiTM
802.11b
Web,
Video, Email

GPRS/GSM
1XRTT/CDMA
WAN,
Voice/Data

4KB - 32KB

250KB+

1MB+

16MB+

100-1000+

1-7

1-5

1-7

255/65K

7

30

1,000

20-250

720

11,000+

64-128

1-75+

1-10+

1-100

1,000+

Reliable,
Low Power,
Cost
Effective

Cost,

Convenience

Speed,
Flexibility

Reach, Quality


10

1.1.3.4. Công nghệ cảm biến (Sensor Technology)
Trong Internet of Thing, cảm biến đóng vai trò then chốt, nó đo đạc cảm nhận
giá trị từ môi trƣờng xung quanh rồi gửi đến bộ vi xử lý sau đó đƣợc gửi lên mạng.
Chúng ta có thể bắt gặp một số loại cảm biến về cảnh báo cháy rừng, cảnh báo động
đất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm…Để giúp cho thiết bị kéo dài đƣợc thời gian
sống hơn thì đòi hỏi cảm biến cũng phải tiêu hao một lƣợng năng lƣợng 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 [15].

Hình 1.6: Một số loại cảm biến hay gặp

1.1.3.5. Thời gian đáp ứng

Hình 1.7: Đáp ứng thời gian cho ứng dụng IoT


11

Thời gian đáp ứng phải đảm bảo tính thời gian thực, sao cho hàng ngàn các
nút mạng có thể truy cập vào hệ thống mà không xảy ra hiện tƣợng nghẽn mạng.

Với các ứng dụng D2D, thời gian đáp ứng trong khoảng 10µs 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 thƣờng yêu cầu từ 3s đến 5s [26]

1.1.4. Kiến trúc IoT

Hình 1.8: Sơ đồ khối giảm thể của các khối xây dựng cơ bản IoT

Sensors:
Đây là những đầu cuối của các thiết bị IoT. Đây là những cái gọi là "Mọi
thứ" của hệ thống. Mục đích chính của chúng là thu thập dữ liệu từ xung quanh
(cảm biến) hoặc đƣa ra dữ liệu xung quanh nó (thiết bị truyền động).
Đây phải là những thiết bị nhận diện duy nhất với một địa chỉ IP duy nhất để
chúng có thể nhận dạng một cách dễ dàng qua một mạng lớn.
Đây phải là hoạt động trong tự nhiên có nghĩa là họ có thể thu thập dữ liệu
theo thời gian thực. 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 của họ (ngƣời sử dụng
kiểm soát).


12

Ví dụ về cảm biến: cảm biến khí, cảm biến chất lƣợng nƣớc, cảm biến độ ẩm ...
Processors:
Bộ xử lý là bộ não của hệ thống IoT. Chức năng chính của chúng là xử lý dữ
liệu thu thập đƣợc bởi các cảm biến và xử lý chúng để trích xuất dữ liệu có giá trị từ
lƣợng dữ liệu khổng lồ thu thập đƣợc. Nói cách khác, chúng ta có thể nói rằng nó
mang lại sự thông minh cho dữ liệu.
Bộ vi xử lý hầu hết hoạt động trên cơ sở thời gian thực và có thể dễ dàng
kiểm soát bởi các ứng dụng.

Chúng cũng chịu trách nhiệm đảm bảo dữ liệu - đang thực hiện việc mã hoá
và giải mã dữ liệu.
Các thiết bị phần cứng nhúng, vi điều khiển…vv là những thiết bị xử lý dữ
liệu vì chúng có bộ vi xử lý gắn vào nó.
Gateways:
Cổng có trách nhiệm định tuyến dữ liệu đã đƣợc xử lý và gửi đến các vị trí
thích hợp để sử dụng đúng (dữ liệu) của nó.
Nói cách khác, chúng ta có thể nói gateway giúp truyền thông dữ liệu. Nó
cung cấp kết nối mạng với dữ liệu. Kết nối mạng là cần thiết cho bất kỳ hệ thống
IoT để giao tiếp.
LAN, WAN, PAN vv là những ví dụ về cổng mạng.
Applications:
Các ứng dụng tạo thành một kết thúc của một hệ thống IoT. Các ứng dụng
rất cần thiết cho việc sử dụng đúng các dữ liệu thu thập đƣợc.
Các ứng dụng dựa trên đám mây này có trách nhiệm tạo ra ý nghĩa hiệu quả
cho dữ liệu đƣợc thu thập. Ứng dụng đƣợc kiểm soát bởi ngƣời dùng và là điểm
phân phối của các dịch vụ cụ thể.


13

Sensing and/or
Smart Devices

Layers of Embedded
Processing Nodes

Connectivity
Nodes

S

P

C

S

P

C

S

P

C

P

Connectivity
Nodes

C

Remode Cloud-based
Processing

P

Application/Action

Users actions via
screened devices,
or automatically
drive action
based on data
parameters

Insights/Big Data
Software in All Nodes

S Sensing

P Embedded Processing

C Communications

Data analytics
for business
intelligence

Hình 1.9: Các khối xây dựng cơ bản của IoT

Tóm lại, chúng ta có thể xác định rằng thông tin thu thập đƣợc bởi nút cảm
biến (nút cuối) đƣợc xử lý đầu tiên sau đó thông qua kết nối đến các nút xử lý
nhúng có thể là bất kỳ thiết bị phần cứng nhúng và cũng đƣợc xử lý ở đó. Sau đó nó
đi qua các nút kết nối một lần nữa và tiến tới xử lý dựa trên đám mây từ xa có thể là
bất kỳ phần mềm nào và đƣợc gửi đến nút ứng dụng để áp dụng đúng cách các dữ
liệu đã thu thập và cũng để phân tích dữ liệu thông qua dữ liệu lớn.

* Hoạt động của IoT
Thứ nhất, nó thu thập thông tin liên quan đến các tài nguyên cơ bản (tên, địa
chỉ ...) và các thuộc tính liên quan của vật thể bằng các công nghệ nhận diện và
nhận dạng tự động nhƣ RFID, cảm biến không dây và định vị vệ tinh, nói cách khác
là cảm biến, thẻ RFID và tất cả các đối tƣợng có thể nhận diện duy nhất khác hoặc
"những điều" có đƣợc thông tin thời gian thực (dữ liệu) với đặc điểm của một trung
tâm nhƣ điện thoại thông minh.
Thứ hai, nhờ vào nhiều loại công nghệ truyền thông, nó tích hợp thông tin
liên quan đến đối tƣợng vào mạng thông tin và thực hiện việc lập chỉ mục thông
minh và tích hợp thông tin liên quan đến các đối tƣợng bằng cách sử dụng các dịch
vụ tài nguyên cơ bản (tƣơng tự nhƣ độ phân giải, địa chỉ và phát hiện ra internet).
Cuối cùng, sử dụng các công nghệ máy tính thông minh nhƣ điện toán đám
mây, nhận dạng mờ, khai thác dữ liệu và phân tích ngữ nghĩa, nó phân tích và xử lý
thông tin liên quan đến khối lƣợng của các đối tƣợng để cuối cùng nhận ra quyết
định và kiểm soát thông minh trong thế giới vật lý.


14

Hình 1.10: Các lớp của IoT

Trong lớp Vật lý, tất cả dữ liệu đƣợc thu thập bởi hệ thống truy cập (những
thứ "nhận dạng duy nhất") thu thập dữ liệu và đi đến các thiết bị internet (nhƣ điện
thoại thông minh). Sau đó, thông qua đƣờng truyền (nhƣ cáp quang) nó đi đến tầng
quản lý mà tất cả dữ liệu đƣợc quản lý riêng (phân tích luồng và phân tích dữ liệu)
từ dữ liệu thô. Sau đó, tất cả các thông tin đƣợc quản lý đƣợc phát hành cho lớp ứng
dụng để sử dụng đúng các dữ liệu thu thập đƣợc [26][15].

1.2. Ứng dụng của IoT
Với những hiệu quả thông minh rất thiết thực mà IoT đem đến cho con

ngƣời, IoT đã và đang đƣợc tích hợp trên khắp mọi thứ, mọi nơi xung quanh thế
giới mà con ngƣời đang sống. Từ chiếc vòng đeo tay, những đồ gia dụng trong nhà,
những mảnh vƣờn đang ƣơm hạt giống, cho đến những sinh vật sống nhƣ động vật
hay con ngƣời…đều có sử dụng giải pháp IoT [32].