Thiết kế mạng không dây kiến trúc MESH sử dụng công nghệ Zigbee ứng dụng trong IOT (Luận văn thạc sĩ)

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

ĐỖ VĂN KHÁNH

THIẾT KẾ MẠNG KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC MESH SỬ DỤNG
CÔNG NGHỆ ZIGBEE ỨNG DỤNG TRONG IOT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2018


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

ĐỖ VĂN KHÁNH

THIẾT KẾ MẠNG KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC MESH SỬ DỤNG
CÔNG NGHỆ ZIGBEE ỨNG DỤNG TRONG IOT

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 85.20.2088

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:TS. NGUYỄN QUỐC UY

HÀ NỘI - 2018

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

ĐỖ VĂN KHÁNH


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.
Tiến sĩ Nguyễn Quốc Uy, 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

ĐỖ VĂN KHÁNH


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 ........................................5
1.1 Giới thiệu chung về IoT ..................................................................................5
1.2 Tình hình phát triển IoT trên thế giới và Việt Nam ....................................6
1.2.1 Xu hướng phát triển của thế giới ...............................................................6
1.2.2 Xu hướng phát triển của Việt Nam ............................................................8
1.3 Công nghệ trong IoT .......................................................................................9
1.3.1 Công nghệ trong IoT ..................................................................................9
1.3.2 Đặc điểm của một hệ thống IoT ...............................................................16
1.4 Các ứng dụng trong IoT ...............................................................................19
1.4.1 Các ứng dụng trong IoT ...........................................................................19
1.4.2 Các thách thức trong việc nghiên cứu, triển khai IoT ..............................24
1.5 Kết luận chương ............................................................................................26
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU MẠNG MESH .........................................................27

2.1 Mạng không dây ............................................................................................27
2.1.1 Các khái niệm cơ bản ...............................................................................27
2.1.2 Phân chia các mạng không dây ................................................................28
2.1.3 Các công nghệ sử dụng trong mạng không dây .......................................28
2.2 Kiến trúc MESH ............................................................................................32


iv

2.3 Tổng kết chương 2 .........................................................................................37
CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ ZIGBEE ..................................................................38
3.1 Công nghệ zigbee ...........................................................................................38
3.1.1 Thành phần mạng Zigbee .........................................................................40
3.1.2 Cấu hình mạng .........................................................................................40
3.1.3 Mô hình chồng giao thức Zigbee .............................................................43
3.2 Các tầng của zigbee .......................................................................................44
3.2.1 Tầng vật lý................................................................................................44
3.2.2 Tầng điều khiển dữ liệu............................................................................48
3.2.3 Tầng mạng của Zigbee .............................................................................50
3.2.4 Tầng ứng dụng của Zigbee .......................................................................51
3.3 Thuật toán định tuyến ..................................................................................52
3.3.1 Cấu hình lưới mesh ..................................................................................52
3.3.2 Khám phá tuyến .......................................................................................53
3.4 Tổng kết chương 3 .........................................................................................55
CHƯƠNG 4: CÁC ỨNG DỤNG VÀ TRIỂN KHAI THIẾT KẾ MÔ HÌNH
MẠNG MESH .........................................................................................................56
4.1 Một số ứng dụng cụ thể ................................................................................56
4.2 Triển khai .......................................................................................................57
4.2.1 Kiến trúc mạng .........................................................................................58
4.2.2 Thiết kế phần cứng ...................................................................................59

4.3 Tổng kết chương 4 .........................................................................................60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................61
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................63


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt
Bluetooth năng lượng thấp

BLE

Bluetooth low energy

CAN

Controller Area Network

D2D

Device to device

Thiết bị tới thiết bị

HTTP

HyperText Transfer Protocol

Giao thức truyền tải siêu văn bản

IEEE

Giao thức truyền thông bus nối
tiếp

Institute of Electrical and

Viện kỹ thuật điện-điện tử

Electronics Engineers

Giao thức truy cập thông điệp

IMAP

Internet Message Access Protocol

IOT

Internet of Thing

Internet của vạn vật

LTE

Long Term Evolution

Tiến hóa dài hạn

M2M

Mobile to mobile

Thoại với thoại

MAC

Medium Access Control

Kiểm soát truy cập vừa

MQTT

Message

Queuing

Telemetry

Transport

internet

Bản tin hàng đợi truyền từ xa

PAN

Personal Area Network

RFID

Radio Frequency Identification

WMN

Wireless Mesh Networks

Mạng lưới vô tuyến

WPAN
WSN

Wireless Personal Area Network
Wireless Sensor Networks

Mạng cá nhân không dây
Mạng cảm biến không dây

Extensible Messaging and Presence

Giao thức hiện diện và nhắn tin

Protocol

mở rộng

XMPP

Mạng khu vực cá nhân
Nhận dạng đối tượng bằng sóng
vô tuyến


vi

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3. 1 dải tần số khác nhau ..................................................................................45
Bảng 3. 2 Kênh truyền trên các giải tần số ...............................................................45
Bảng 3. 3 Mã hóa dữ liệu ..........................................................................................46
Bảng 3. 4 Mô tả giá trị chip đầu vào .........................................................................47
Bảng 3. 5 Định dạng khung tin PPDU ......................................................................48


vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Internet of Thing ........................................................................................5
Hình 1. 2 Ví dụ về MQTT ........................................................................................10
Hình 1. 3 Ví dụ về XMPP ........................................................................................11
Hình 1. 4 Năng lực truyền thông ..............................................................................12
Hình 1. 5 Mô hình vận hành hệ thống RFID trong thư viện ....................................13
Hình 1. 6 Mô hình mạng Zigbee ..............................................................................14
Hình 1. 7 Một số loại cảm biến hay gặp ..................................................................15
Hình 1. 8 Đáp ứng thời gian cho ứng dụng IoT .......................................................16
Hình 1. 9 Tổng quan một mô hình hệ thống IoT .....................................................17

Hình 1. 10 Tổng quan về ứng dụng của IoT ............................................................20
Hình 1. 11 Theo dõi lộ trình đi của các xe chở hàng ...............................................20
Hình 1. 12 Theo dõi tình trạng sinh trưởng của cây trồng .......................................21
Hình 1. 13 Mô hình ứng dụng nhà thông minh ........................................................22
Hình 1. 14 Thành phố thông minh ...........................................................................23
Hình 1. 15 Mô hình lưới điện thông minh ...............................................................23

Hình 2. 1 Hybrid WMN ............................................................................................33
Hình 2. 2 Khả năng truyền dẫn của khung ................................................................34
Hình 2. 3 Đánh địa chỉ trong mesh network .............................................................36

Hình 3. 1 Các mô hình mạng ....................................................................................42
Hình 3. 2 Mô hình chồng giao thức Zigbee/IEEE 802.15.4 .....................................44
Hình 3. 3 Phân tích path-cost ....................................................................................52
Hình 3. 4 Phân tích path-cost ....................................................................................54

Hình 4. 1 Mô hình nhà thông minh ...........................................................................58
Hình 4. 2 Sơ đồ nguyên lý.........................................................................................59
Hình 4. 3 Mô hình mạch 3D......................................................................................60


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Cách đây một vài năm mọi người đang nói về Internet of Things sẽ thay đổi thế
giới như thế nào. Nhưng tầm nhìn về việc kết nối hàng tỷ thiết bị có những thử
thách nhất định. Các mạng không dây hiện tại như Bluetooth, Bluetooth Low
Energy và WiFi đều không thích hợp cho những ứng dụng tầm xa. Mạng di động
(cellular) càng không thể dùng để các giao tiếp từ xa device-to- device vì quá tốn

năng lượng. Nhìn chung, tất cả các loại mạng đều rất đắt đỏ về phần cứng và dịch
vụ.
Điểm quan trọng của ứng dụng IoT yêu cầu chỉ truyền rất ít bit dữ liệu để theo
dõi (monitor) các thiết bị tầm xa. Hệ thống mạng di động thì không phù hợp với vấn
đề năng lượng pin (battery) và hiệu quả kinh tế khi gửi ít dữ liệu đi. Vì vậy, giao
thức zigbee được đưa ra cho những ứng dụng này. Zigbee thích hợp cho việc gửi
một lượng nhỏ dữ liệu, độ tin cậy cao với kết nối không dây, trong khi thời lượng
pin dài.
Từ những lý do trên, đề tài nghiên cứu của luận văn được chọn là “THIẾT KẾ
MẠNG KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC MESH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE
ỨNG DỤNG TRONG IoT”
2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu:
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.
Có thể thấy Internet of Things (IoT) đã tự chứng minh tiềm năng của mình bằng
những con số đáng kinh ngạc: “3,8 tỷ thiết bị kết nối vào cuối năm 2014, nhanh
chóng tăng lên thành 4,9 tỷ vào tháng 11 năm 2016. Và nếu duy trì được tốc độ tăng


2

trưởng như hiện nay, số lượng thiết bị kết nối IoT sẽ tăng lên thành gần 6,4 tỷ vào
cuối năm nay với khoảng 5,5 triệu thiết bị kết nối mới mỗi ngày”. (Telecoms.com)
Sự ra đời của 5G được cho là xu hướng tất yếu để đáp ứng nhu cầu kết nối,
truyền tải dữ liệu của hàng tỉ vật dụng được kết nối trong kỷ nguyên IoT. Tuy nhiên,

đó không phải là giải pháp duy nhất. 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 sử dụng tín hiệu radio có tần số 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. 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 nhà thông minh
công nghệ zigbee hiện nay.
Các tiêu chuẩn ZigBee được bảo trợ bởi 1 nhóm liên minh ZigBee. Liên minh
này có hơn 150 thành viên, một số trong số đó là những bảo trợ chính và có ảnh
hưởng quyết định đến tiêu chuẩn của ZigBee, bao gồm Ember, Honeywell,
Invensys, Mitsubishi, Motorola, Philips, và Samsung. Liên minh ZigBee cân nhắc
đến nhu cầu của người sử dụng, nhà sản xuất và các nhà phát triển hệ thống để nâng
cao tiêu chuẩn ZigBee.
Ngoài ra, nó còn hướng tới mục tiêu giảm thiểu công suất tiêu thụ của các thiết
bị đầu cuối để tăng tuổi thọ pin của thiết bị - một trong những thách thức hiện nay
trong việc đẩy mạnh sự phát triển của D2D. Các Zigbee end device (ZED) có công
suất hoạt động rất thấp, cho phép hoạt động thiết bị hoạt động trong vòng hàng năm
trời chỉ với một pin chuẩn AA.


3

Việc kết nối giữa các thiết bị đầu cuối và gateway được thực hiện ở nhiều kênh
tần số khác nhau ở các băng tần chưa được cấp phép (Unlienced Band) và ở các tốc
độ truyền dẫn dữ liệu khác nhau. Nhờ hai yếu tố này mà khả năng nhiễu giữa các
kênh là rất thấp. Tốc độ dữ liệu truyền dẫn cho phép từ 250kb/s ở dải tần 2.4Ghz

3. Mục đích nghiên cứu:
Luận văn tập trung vào việc giới thiệu, nghiên cứu giao thức mạng không dây
zigbee kết nối các thiết bị tạo thành một mesh network và thiết kế một mạng mesh
mô hình nhỏ. Trong đó chủ yếu nói về kỹ thuật thiết kế một mesh network mô hình
nhỏ ứng dụng trong nhà thông minh (smart home).
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Luận văn đề cập đến việc truyền dẫn tín hiệu vô tuyến công suất thấp thông qua
công nghệ zigbee với vùng phủ vừa phải. Zigbee cũng có một kiến trúc ngăn xếp
nhiều tầng, trong đó tầng vật lý và tầng MAC (Medium Access Control) được định
nghĩa giống chuẩn IEEE 802.15.4. Sau đó zigbee được định nghĩa thêm 4 thành
phần chính: tầng mạng, tầng ứng dụng, đối tượng thiết bị zigbee và các đối tượng
mới cho người dùng (cho phép tùy biến theo từng ứng dụng). Zigbee chú trong vào
những nhu cầu cơ bản của IoT như bảo mật giao tiếp 2 chiều (bidirection
communication), tính di động và tiết kiệm năng lượng. Luận văn tập trung nghiên
cứu thiết kế một mô hình mesh network chạy thực tế. Các thiết bị trong nhà được
kết nối thông qua mesh network sử dụng công nghệ zigbee được điều khiển qua
internet.
Luận văn cũng đưa ra một vài mô hình thực tế đã triển khai ở việt nam cũng như
quốc tế
5. Phương pháp nghiên cứu:
Nhờ sự hướng dẫn cũng như định hướng của thầy hướng dẫn, học viên thực hiện
tìm kiếm và thu thập tài liệu, bài báo đã được công bố để tìm hiểu lý thuyết cơ bản
về mạng mesh cũng như công nghệ zigbee, từ đó tìm hiều và phân tích các kết quả


4

đã có được và thiết kế một mạng mesh mô hình nhỏ chạy thực tế để khảo sát đưa ra
kết quả và định hướng nghiên cứu tiếp sau này.
Luận văn được xây dựng với nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan về IOT và ứng dụng
Chương 2: Giới thiệu mạng MESH
Chương 3: Công nghệ ZIGBEE
Chương 4: Các ứng dụng và triển khai thiết kế mô hình mạng mesh


5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ ỨNG DỤNG
1.1 Giới thiệu chung về IoT
Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới 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 người được 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 tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã
phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và
Internet. Nói 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.
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.

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
pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị khác. Cisco, nhà cung cấp

6

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 người và sẽ tồn tại
các mối quan hệ giữa người và người, người và thiết bị, thiết bị và thiết bị. Một
mạng lưới IoT có thể chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và mạng
lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng. Một con người sống trong
thành thị có thể bị bao bọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối tượng có khả năng
theo dõi
“Thing” – sự vật – trong Internet of Things, có thể là một con người với
màn hình cấy ghép tim, một động vật trang trại với bộ tiếp sóng chip sinh học, một
chiếc xe ô tô tích hợp các cảm biến để cảnh báo lái xe khi lốp quá non – hoặc bất kỳ
đồ vật nào đó tự nhiên sinh ra hoặc do con người sản xuất ra mà có thể được gắn
với một địa chỉ IP và được cung cấp khả năng truyền tải dữ liệu qua mạng lưới.
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
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.

1.2 Tình hình phát triển IoT trên thế giới và Việt Nam
1.2.1 Xu hướng phát triển của thế giới
Theo báo cáo Ericsson Mobility Report, tới năm 2021, dự kiến sẽ có 28 tỉ
thiết bị kết nối trong đó có 15 tỉ thiết bị kết nối IoT bao gồm thiết bị M2M
(machine-to-machine) như đồng hồ đo thông minh, cảm biến trên đường, địa điểm
bán lẻ, các thiết bị điện tử tiêu dùng như ti vi, đầu DVR, thiết bị đeo. 13 tỉ còn lại là
điện thoại di động, máy tính xách tay PC, máy tính bảng.

IDC dự kiến năm 2019, tòan cầu sẽ chi 1.300 tỉ đô la Mỹ cho IoT. Tới năm
2020, theo dự đoán của Gartner thì giá trị gia tăng do IoT mang lại sẽ là 1.900 tỉ đô
la Mỹ. Và theo McKinsey, tới năm 2025 IoT sẽ đóng góp vào nền kinh tế toàn cầu


7

là 11.000 tỉ đô la Mỹ. Tới năm 2021, dự kiến số thuê bao sẽ lên tới 9,1 tỉ. Số thuê
bao này cao hơn số dân bởi mỗi người có thể sở hữu nhiều thiết bị. Trong các kết
nối IoT như vậy, sẽ có bao gồm cả những có đăng ký thuê bao SIM/eSIM được gắn
ngay trong thiết bị và cả những thiết bị như điện tử tiêu dùng không cần dùng SIM
(Non-SIM). IoT đang diễn ra một cách mạnh mẽ. 50% doanh nghiệp đã bắt đầu
triển khai những dự án về IoT. IoT mang lại một cơ hội doanh thu cho rất nhiều
ngành và những giải pháp đó bắt đầu thương mại hóa với tốc độ rất nhanh. Ngành
dịch vụ tiện ích, giao thông, tòa nhà thông minh và các ngành bán lẻ là những ngành
đi đầu trong việc ứng dụng IoT.
IoT sẽ có tác động trực tiếp lên các nhà khai thác viễn thông. Các nhà khai
thác viễn thông hiện giờ thường chia thành 3 nhóm phụ thuộc vào chiến lược của
họ. IoT có ảnh hưởng khác nhau tới từng nhóm đó.
-

Với các công ty đặt chiến lược vào hệ thống mạng tối ưu (Network
Developer), họ sẽ thu lợi nhuận từ việc cung cấp mạng như dịch vụ tiện ích
cho các nhà cung cấp dịch vụ khác khai thác.

-

Nhóm hai là các công ty thúc đẩy nền tảng cung cấp dịch vụ (Services
Enabler), họ tập trung vào việc quản lý mạng mang tính linh hoạt cao, với hệ
thống giám sát và quản lý vận hành rất tốt để tích hợp giải pháp hiệu quả và

hợp tác với các doanh nghiệp IT khác để cung cấp các dịch vụ sáng tạo.

-

Nhóm thứ ba là các công ty tạo ra các dịch vụ và ứng dụng sáng tạo mới
(Services Creator) – nhóm công ty này rất tích cực trong việc tạo ra hệ sinh
thái, xây dựng hệ thống mạng chất lượng cao, trải nghiệm tốt để cung cấp
các dịch vụ sáng tạo trong các lĩnh vực như giao thông, dịch vụ tiện ích, tài
chính, y tế, truyền thông.
Sự phát triển của IoT tạo ra bốn bước chuyển dịch trong vai trò của các nhà

khai thác viễn thông. Vai trò đầu tiên là thu thập dữ liệu để nâng cao hiệu quả nội
bộ như hệ thống báo cáo và roaming. Vai trò thứ hai là phân tích thông tin tương tác
của khách hàng, để cung cấp những dịch vụ IoT mang tính cá nhân cho các thuê bao
của mình. Vai trò thứ ba là sử dụng cơ sở dữ liệu phân tích là giá trị, kết nối với các


8

công ty cung cấp dịch vụ ở lĩnh vực khác tạo ra sản phẩm hiệu quả. Vai trò thứ tư là
cung cấp dịch vụ quản lý dữ liệu cho các kết nối IoT, làm cầu nối giữa các công ty
cung cấp ứng dụng IoT với chính các kết nối IoT có SIM và không có SIM để các
bên đều mua được dịch vụ mình cần và bán được dịch vụ mình có một cách hiệu
quả.
3 thách thức được đề cập lâu nay là giá thành thiết bị, năng lượng pin, vùng
phủ kết nối. Mới đây nổi trội hai thách thức mới là yêu cầu về độ linh hoạt và tính
đa dạng. Tính linh hoạt là rất cần thiết bởi khi có nhiều thiết bị IoT kết nối thì tốc độ
kết nối diễn ra nhanh hơn tốc độ kết nối của băng rộng di động hiện tại. Mật độ kết
nối thiết bị IoT không đồng bộ tạo ra lưu lượng lớn đột ngột đối với một số cells. Sự
đa dạng cũng đặc biệt quan trọng. Hiện tại, người dùng smartphone có chung sự kỳ

vọng về vùng phủ và dung lượng và họ thỏa mãn khi ứng dụng họ dùng hoạt động
tốt bất cứ lúc nào và ở đâu khi họ muốn sử dụng. Nhưng đối với các kết nối IoT thì
mọi yêu cầu trở nên phức tạp hơn, đa dạng hơn, công suất và cường độ lớn hơn, đòi
hỏi các nhà mạng phải nâng cao nỗ lực quản lý và vận hành.

1.2.2 Xu hướng phát triển của Việt Nam
Hiện các nhà mạng Việt Nam đã bắt đầu thử nghiệm triển khai 4G, các dịch
vụ IoT cũng có tiềm năng phát triển và triển khai tại Việt Nam trên nền tảng này.
Việt Nam nên quan tâm đến dịch vụ IoT tiếp cận số đông đại chúng như các giải
pháp giao thông và an toàn an ninh cần được ưu tiên hơn. Tuy nhiên, Việt Nam
cũng cần linh hoạt cao, bởi giải pháp mới sẽ mang lại cơ hội để đạt đến tính hiệu
quả cao.
Việt Nam cũng đã có những cuộc thi khởi nghiệp, cộng đồng mở IoT. Đã có
nhiều ứng dụng IoT ở Việt Nam trong lĩnh vực nông nghiệp, giám sát chất lượng
nước, giao thông, thực phẩm… Việt Nam khuyến khích các doanh nghiệp khởi
nghiệp triển khai trồng trọt rau hữu cơ, làm nông thông minh. Thủ tướng Chính phủ
đã yêu cầu Ngân hàng Trung ương tăng giá trị gói tín dụng ưu đãi cho các công ty
nông nghiệp công nghệ cao. Giới trẻ sẽ tham gia vào 3 viễn cảnh mà IoT có thể


9

mang lại: Nhà thông minh nơi các ứng dụng chính có thể “giao tiếp” với nhau
(36%); Các tòa nhà thông minh có thể tối ưu sử dụng năng lượng theo các thay đổi
về thời tiết và số người sở hữu (29%); Hệ thống giao thông có thể điều chỉnh thời
gian thực để giảm thiểu tình trạng đường xá (23%).

1.3 Công nghệ trong IoT
1.3.1 Công nghệ trong IoT
1.3.1.1 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).

 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.

10

Hình 1. 2 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.


11

Hình 1. 3 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.

1.3.1.2 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


12

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. 4 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.

1.3.1.3 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


13

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. 5 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


14

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. 6 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.

1.3.1.4 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


15

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. 7 Một số loại cảm biến hay gặp

1.3.1.5 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


16

Hình 1. 8 Đáp ứng thời gian cho ứng dụng IoT

1.3.2 Đặc điểm của một hệ thống IoT
1.3.2.1 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