IoT và ứng dụng cho nông nghiệp thông minh

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả được trình bày trong đồ án là công trình nghiên
cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả
trong đồ án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình
nào trước đây. Các kết quả được sử dụng để tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ
và theo đúng quy định.
Bắc Ninh, ngày

tháng 05 năm 2019

Tác giả

Bùi Thái Bảo


LỜI CẢM ƠN
Trong toàn bộ quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thiện đồ án “Internet
of Things (IoT) và ứng dụng cho nông nghiệp thông minh”, tôi đã nhận được nhiều
sự giúp đỡ, hỗ trợ cũng như nhận được những những ý kiến đóng góp góp phần
hoàn thiện được đồ án này.
Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn là
TS. Trương Cao Dũng – Giảng viên khoa Điện tử viễn thông, trường Học viện
Công nghệ Bưu chính - Viễn thông. Thầy đã luôn ủng hộ, định hướng, động viên,
tận tình chỉ bảo giúp đỡ và hỗ trợ những điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá
trình từ khi bắt đầu nghiên cứu đến khi hoàn thiện đồ án.
Tôi xin chân thành cảm ơn cơ sở đào tạo là Trường Đại học Kỹ thuật – Hậu
cần CAND đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi để tôi có thể thực hiện được đồ án tốt
nghiệp này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo thuộc khoa Điện tử viễn
thông đã tận tình chỉ dạy, cung cấp cho tôi những kiến thức cơ sở đến chuyên sâu
về lĩnh vực điện tử trong hơn 3 năm qua, những kiến thức đó đã đóng góp một
phần to lớn trong việc thực hiện đồ án. Tôi cũng xin cảm ơn đơn vị phòng Tham

mưu (PV01), Công an tỉnh Lâm Đồng đã tạo nhiều điều kiện cho tác giả được
nghiên cứu, thực hiện ĐATN trong thời gian thực tập tại địa phương.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình, anh em, bạn bè, các
đồng chí, đồng nghiệp đã động viên, ủng hộ, giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian
nghiên cứu để tôi có thể hoàn thiện đồ án theo đúng thời gian quy định.
Xin trân trọng cảm ơn tất cả.


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.............................................................................. v
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................. vii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ IOT ..................................................................... 4
1.1. Giới thiệu và lược sử về IoT ........................................................................... 4
1.1.1. Khái niệm và đặc điểm IoT ....................................................................... 4
1.1.2. Lược sử về IoT ........................................................................................... 5
1.1.3. Cấu tạo cơ bản của IoT ............................................................................. 7
1.1.4. Xu hướng và tính chất của Internet of Things .......................................... 8
1.2. Các thành phần cơ bản của nền tảng IoT ...................................................... 11
1.2.1. Tổng quan về nền tảng IoT (IoT platform): ............................................ 11
1.2.2. Các thành phần cơ bản của nền tảng IoT:.............................................. 13
1.3. Các giao thức cơ bản của IoT........................................................................ 16
1.3.1. Yêu cầu đối với các giao thức trong IoT: ............................................... 16
1.3.2. Các giao thức truyền tải dữ liệu phổ biến: ............................................. 16
1.4. Ứng dụng của IoT ......................................................................................... 23
1.4.1. Quản lý hạ tầng. ...................................................................................... 24
1.4.2. Y tế và chăm sóc sức khỏe. ...................................................................... 25
1.4.3. Thành phố thông minh ............................................................................ 25
1.4.4. Xây dựng và tự động hóa nhà. ................................................................ 26
1.4.5. Giao thông. .............................................................................................. 26

1.4.6. Nông nghiệp thông minh. ........................................................................ 26
1.5. Ưu, nhược điểm và ảnh hưởng của IoT: ....................................................... 27
1.5.1. Ưu điểm: .................................................................................................. 27


1.5.2. Nhược điểm: ............................................................................................ 29
1.5.3. Ảnh hưởng của IoT: ................................................................................ 30
1.5.4. Vấn đề bảo mật trong IoT ....................................................................... 31
1.5.5. Một số tác nhân gây cản trợ sự phát triển của IoT ................................ 32
1.6. Kết luận chương 1 ......................................................................................... 33
Chương 2. INTERNET OF THINGS VÀ ỨNG DỤNG CHO NÔNG NGHIỆP
THÔNG MINH................................................................................................... 34
2.1. Tổng quan về nông nghiệp thông minh ........................................................ 34
2.1.1. Bản chất của nông nghiệp thông minh ................................................... 34
2.1.2 Các đặc trưng cơ bản của nông nghiệp thông minh ................................ 36
2.1.3. Cấu thành của nông nghiệp thông minh ................................................. 37
2.1.4. Các xu hướng công nghệ trong nền nông nghiệp thông minh ................ 39
2.1.5 Lợi ích khi ứng dụng IoT vào nông nghiệp thông minh ........................... 40
2.1.6. Nông nghiệp thông minh tại một số nước trên thế giới .......................... 41
2.2. Thực trạng ứng dụng IoT trong nông nghiệp tại Việt Nam .......................... 43
2.3. Những thuận lợi và khó khăn của việc ứng dụng IoT vào nông nghiệp ....... 45
2.4. Kết luận chương 2 ......................................................................................... 47
Chương 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG IOT GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁC
THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG CHO TRANG TRẠI TRỒNG TRỌT NÔNG
NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO .......................................................................... 48
3.1. Giới thiệu về hệ thống IoT giám sát và điều khiển các thông số môi trường
cho trang trại trồng trọt nông nghiệp công nghệ cao ........................................... 48
3.1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 48
3.1.2. Mục tiêu của hệ thống ............................................................................. 48
3.1.3. Mô hình của hệ thống: ............................................................................ 49

3.2. Nguyên tắc và quy trình thiết kế hệ thống .................................................... 51


3.2.1. Nguyên tắc thiết kế hệ thống ................................................................... 51
3.2.2. Thiết kế phần cứng .................................................................................. 51
3.2.3. Thiết kế phần mềm .................................................................................. 69
3.3. Ưu nhược điểm và khả năng ứng dụng của hệ thống ................................... 76
3.3.1. Ưu, nhược điểm của hệ thống ................................................................. 76
3.3.2. Khả năng ứng dụng của hệ thống ........................................................... 77
3.4. Kết luận chương 3 ......................................................................................... 78
Chương 4. MÔ PHỎNG MODULE GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT
ĐỘ CHO TRANG TRẠI TRỒNG TRỌT ....................................................... 79
4.1. Giới thiệu về module giám sát và điều khiển nhiệt độ cho trang trại trồng trọt
nông nghiệp công nghệ cao .................................................................................. 79
4.1.1. Mục tiêu, nhiệm vụ của module giám sát và điểu khiển nhiệt độ ........... 79
4.1.2. Sơ đồ kết nối của module giám sát và điểu khiển nhiệt độ: .................... 80
4.1.3. Ưu điểm và tồn tại của module ............................................................... 83
4.1.4. Hướng mở rộng và phát triển của module. ............................................. 84
4.2. Mô phỏng module giám sát và điều khiển nhiệt độ. ..................................... 85
4.3. Kết luận chương 4 ......................................................................................... 90


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Nghĩa Tiếng Anh

Nghĩa Tiếng Việt

AI

Artificial Intelligence

Trí tuệ nhân tạo
Công nghệ thông tin

CNTT
EPC

Electronic Product Code

Mã sản phẩm điện tử

IOT

Internet of Things

Mạng lưới vạn vật kết nối internet

LAN

Local Area Network

Mạng máy tính cục bộ

M2M

Machine to machine

Kết nối máy - máy

NFC

Near Field Communication

Công nghệ kết nối không
dây phạm vi ngắn

RFID

Radio Frequency Code

Mã tần số vô tuyến

WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng

Wifi

Wireless Fidelity

Mạng không dây sử dụng
sóng vô tuyến


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mô hình liên kết IoT .............................................................................. 4

Hình 1.2. Cấu phần của IoT................................................................................... 7
Hình 1.3. Báo cáo của Gartnet về xu hướng IoT trong 10 năm tới..................... 10
Hình 1.4. Dự đoán về IoT tới năm 2020 ............................................................. 11
Hình 1.5. Kiến trúc mức cao của giao thức MQTT. ........................................... 17
Hình 1.6. Giao thức MQTT ................................................................................. 18
Hình 1.7. Mô hình sử dụng giao thức CoAP và HTTP. ...................................... 19
Hình 1.8. Giao thức AMQP ................................................................................. 20
Hình 1.9. Giao thức XMPP ................................................................................. 21
Hình 1.10. Giao thức DDS .................................................................................. 22
Hình 1.12. IoT trong giao thông .......................................................................... 30
Hình 2.1. Nông nghiệp thông minh.....................................................................36
Hình 2.2. Sản xuất theo mô hình Smart Agri ...................................................... 44
Hình 2.3. Vấn đề về an ninh và bảo mật của các thiết bị. ................................... 46
Hình 3.1. Mô hình hệ thống IoT. ......................................................................... 50
Hình 3.2. Hệ thống cảm biến gửi dữ liệu lên websever. ..................................... 50
Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống IoT .............................................................................. 52
Hình 3.4. Sơ đồ chân ESP8266EX ...................................................................... 53
Hình 3.5. Sơ đồ chân ESP8266 nodeMCU ......................................................... 55
Hình 3.6. Thêm file thông tin board ESP8266 .................................................... 56
Hình 3.7. Cài đặt board ESP8266........................................................................ 57
Hình 3.8. Giao diện chương trình Arduino IDE .................................................. 58
Hình 3.9. Giao diện chương trình mẫu của Arduino IDE ................................... 59
Hình 3.10. Chọn board đang sử dụng .................................................................. 60


Hình 3.11. Giao diện chọn cổng kết nối .............................................................. 60
Hình 3.12. Chọn Programmer ............................................................................. 61
Hình 3.13. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 .................................................... 61
Hình 3.14. Kích thước cảm biến DHT11 ............................................................ 62
Hình 3.15. Sơ đồ kết nối DHT11 với vi xử lý ..................................................... 62

Hình 3.16. Gửi tín hiệu Start trong DHT 11 ....................................................... 63
Hình 3.17. Đọc dữ liệu Bit 0 ............................................................................... 64
Hình 3.18. Đọc dữ liệu Bit 1 ............................................................................... 64
Hình 3.19. Module relay 1 kênh .......................................................................... 65
Hình 3.20. Máy bơm phun sương........................................................................ 66
Hình 3.21. Bóng đèn sợi đốt ................................................................................ 67
Hình 4.1. Sơ đồ phần cứng và kết nối của module ............................................. 80
Hình 4.2. Module thực tế ..................................................................................... 81
Hình 4.3. Giao diện tùy chỉnh nút nhấn điều khiển của Blynk ........................... 82
Hình 4.4. Giao diện channel hiển thị giá trị nhiệt độ và độ ẩm .......................... 82
Hình 4.5. Lưu đồ thuật toán................................................................................. 83
Hình 4.6. Module sau khi kết nối với thiết bị điện .............................................. 86
Hình 4.7. Nút nhấn Blynk ở trạng thái OFF ........................................................ 86
Hình 4.8. Nút nhấn Blynk ở trạng thái ON ......................................................... 87


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Các thành phần cơ bản của nền tảng IoT ............................................ 14
Bảng 3.1. Một số module ESP8266 ..................................................................... 54


MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Trong thời đại của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, việc ứng dụng công
nghệ vào nhiều lĩnh vực đã chứng minh được hiệu quả rõ rệt của mình. Nông
nghiệp từ trước đến nay luôn nằm trong nhóm những lĩnh vực hạn chế áp dụng
thành tựu khoa học công nghệ nhất, tình trạng này càng đặc biệt ở các quốc gia
chậm phát triển và đang phát triển. Việt Nam là một nước có nền nông nghiệp lâu
đời, người dân đa phần vẫn làm nông nghiệp một cách thủ công, phụ thuộc nhiều
vào các yếu tố như đặc tính cây trồng, thời tiết …Chính vì vậy mà năng suất cũng

như chất lượng sản phẩm thu được chưa đạt được như mong muốn cũng như chất
chưa đảm bảo và độ ổn định chưa cao.
Bên cạnh đấy, hiện tượng biến đổi khí hậu trong những năm gần đây cũng
là một vấn đề đặt ra nhiều thách thức, tình trạng dân số tăng nhanh vô hình chung
tạo nên áp lực lớn cho ngành nông nghiệp. Việc đảm bảo đủ lương thực cũng như
chất lượng nông sản là một trong những vấn đề toàn cầu. Vì những lý do này, để
gia tăng hiệu quả sản xuất, yêu cầu cho ngành nông nghiệp là phải áp dụng những
phương thức mới hơn, tốt hơn. Vận dụng được thời cơ của cuộc cách mạng công
nghiệp 4.0 thì cách hiệu quả nhất là tăng cường áp dụng các biên pháp công nghệ
vào sản xuất.
Bản thân là một sinh viên ngành điện tử - viễn thông, cần phải nắm bắt được
xu thế thay đổi của công nghệ, của khoa học - kỹ thuật, những ý tưởng có thể được
ứng dụng vào thực tế để cuộc sống có chất lượng cao hơn, bên cạnh đó là có thể
phần nào thúc đẩy được sự phát triển của ngành nông nghiệp nước nhà nói chung
và nông nghiệp tiểu canh hộ gia đình cũng như nông nghiệp đô thị nói riêng. Nắm
bắt được xu thế đó, em đã chọn đề tài: “Internet of Things (IoT) và ứng dụng cho
nông nghiệp thông minh” để làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp đại học.
2. Mục đích nghiên cứu
Với đề tài “Internet of Things (IoT) và ứng dụng cho nông nghiệp thông
minh” nhằm mục đích nâng cao hiểu biết về IoT và nông nghiệp thông mình và
ứng dụng của IoT vào nông nghiệp thông minh. Bên cạnh đó là thiết kế một hệ
thống theo dõi, giám sát và điều chỉnh các thông số về môi trường.
1


3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Nhiệm vụ của đề tài bao gồm:
-

Nghiên cứu tổng quan về IoT và tổng quan về nông nghiệp thông minh

Nghiên cứu IoT khi ứng dụng trong nông nghiệp thông minh
Thiết kế hệ thống theo dõi, giám sát và điều khiển các thông số môi trường
Mô phỏng module giám sát và điều khiển nhiệt độ

4. Đối tượng nghiên cứu
- Internet of things, nông nghiệp thông minh
- Ứng dụng của IoT trong nông nghiệp thông minh
- Hệ thống theo dõi, giám sát và điều khiển các thông số môi trường cho mô
hình sản xuất nông nghiệp
- Module giám sát và điều khiển nhiệt độ và hoạt động của nó.
5. Phương pháp nghiên cứu
Để phục vụ quá trình nghiên cứu đồ án tốt nghiệp cần áp dụng các phương
pháp:
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Nghiên cứu tài liệu, sách báo, các đề tài
có liên quan đến đề tài làm cơ sở, tìm kiếm, sử dụng những tài liệu liên quan trên
mạng Internet, thư viện, từ đó trích lọc những thông tin cần thiết phục vụ cho thực
hiện nghiên cứu. Phương pháp này được sử dụng ở chương 1 và chương 2
- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Phương pháp này được sử
dụng trong chương 1 và chương 2. Nghiên cứu, tìm hiểu và phân tích tài liệu, lý
luận từ nhiều nguồn để tìm hiểu sâu sắc về IoT cũng như nông nghiệp thông minh
- Phương pháp chuyên gia: Tham khảo các ý kiến của giáo viên hướng dẫn,
các thầy cô có kinh nghiệm để hoàn thiện nghiên cứu. Trong báo cáo em đã sử
dụng phương pháp này để hoàn thành chương 1, chương 2, chương 3 và chương 4
- Phương pháp thực nghiệm: Phương pháp này được sử dụng ở chương 4 của
báo cáo.
6. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu trong phạm vi IoT và nông nghiệp ở Việt Nam:
2

- Đặc điểm IoT và nông nghiệp thông minh Việt Nam
- Hệ thống theo dõi, giám sát và điều khiển các thông số môi trường cũng
như ứng dụng của hệ thống.
7. Các đóng góp của ĐATN
Bao gồm 2 sản phẩm chính:
- Báo cáo tổng luận về đề tài nghiên cứu – Tài liệu tham khảo phục vụ cho
học viên trường trường Đại học Kỹ thuật – Hậu cần CAND
- Mạch mô phỏng hệ thống IoT theo dõi, giám sát và điều khiển nhiệt độ cho
mô hình nông nghiệp công nghệ cao
8. Bố cục ĐATN
Từ những nội dung nghiên cứu nêu trên, ngoài phần mở đầu và phần kết luận.
Nội dung có nội dung gồm 04 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về IoT
Chương 2: Internet of Things và ứng dụng cho nông nghiệp thông minh
Chương 3 Thiêt kế hệ thống IoT giám sát và điều khiển các thông số môi
trường cho trang trại trồng trọt nông nghiệp công nghệ cao
Chương 4: Mô phỏng module giám sát và điều khiển nhiệt độ cho trang trại
trồng trọt

3


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ IOT
1.1. Giới thiệu và lược sử về IoT
1.1.1. Khái niệm và đặc điểm IoT
IoT (viết tắt của Interet of Things) là một thuật ngữ được nhắc đến khá nhiều
trong những năm gần đây và nhận được nhiều sự quan tâm của giới công nghệ. Sự
xuất hiện và phát triển của IoT hiện tại và trong tương lai hứa hẹn sẽ đem lại nhiều
tác động tới cuộc sống, công việc và xã hội loài người.
“Mạng lưới vạn vật kết nối Internet là một thuật ngữ để chỉ một kịch bản

của thế giới. Trong đó, mọi đồ vật, con người được cung cấp một định danh riêng
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. 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.” [7, tr.1]
Thực chất IoT là sự phát triển của các thiết bị di động, nhà thông minh và
các thiết bị nhúng, chúng được kết nối qua Internet nhờ đó mà có được sự tăng
cường tính toán lớn hơn, phân tích dữ liệu và truy xuất hàng tỷ thông tin cùng
nhau. Trong tương lai hàng trăm tỉ thiết bị sẽ tạo nên một mạng lưới thông tin
thống nhất và chia sẻ cùng nguồn tài nguyên được lưu trữ trên những đám mây
điện toán.

Hình 1.1. Mô hình liên kết IoT
4


Về cơ bản, IoT cung cấp kết nối chuyên sâu cho các thiết bị, hệ thống và
dịch vụ. Trên nhiều khía cạnh khác nhau, so với truyền tải máy - máy (M2M) thì
điều này sẽ mang lại hiệu quả lớn hơn. IoT hỗ trợ da dạng về giao thức, miền và
các ứng dụng. Với IoT và hệ thống các thiết bị được lập trình nhứng, mang lại hy
vọng sẽ mở ra kỷ nguyên tự động hóa trong hầu hết các ngành, từ những ứng dụng
như điện lưới thông minh tới nhà thông minh, thành phố thông minh, nông nghiệp
thông minh...
Một yếu tố quan trọng và cốt lõi trong IoT đó là các vật thể, đối tượng phải
được định dạng để phân biệt đối tượng đó với các đối tượng khác. Việc quản lý
các đối tượng này được thực hiện thông qua máy tính. Việc đánh dấu này có thể
được thực hiện thông qua các công nghệ như NFC, RFID, mã vạch,…kết nối giữa
các đối tượng có thể thực hiện qua mạng không dây Wifi, Bluetooth, hồng ngoại,
ZigBee, mạng viễn thông 3G,4G LTE…
Bên cạnh việc sử dụng các công nghệ kỹ thuật đã nêu ở trên, chúng ta có

thể sử dụng địa chỉ IP để xác định từng đối tượng, từng vật cụ thể. Cụ thể khi gán
địa chỉ IP thì mỗi thiết bị sẽ có một IP riêng biệt, hay nói cách khác là một định
danh riêng biệt. Trước đây thế hệ địa chỉ IPv4 bị hạn chế về mặt số lượng nên cùng
với sự phát triển của IoT yêu cầu thế hệ địa chỉ mới có số lượng lớn hơn. Thế hệ
địa chỉ mới - IPv6 với không gian địa chỉ rộng lớn hơn hẳn so với thế hệ cũ sẽ
cung cấp đủ cho nhu cầu của IoT, tạo điều kiện lớn cho việc phát triển của IoT.
Bên cạnh đó, một vấn đề nữa là không nhất thiết mọi đối tượng trong IoT
đều phải kết nối vào mạng lưới internet. Các đối tượng này có thể hoạt động trong
các hệ thống riêng lẻ độc lập. Một ví dụ như căn nhà thông minh, các thiết bị của
ngôi nhà này không cần kết nối internet mà chỉ cần kết nối với nhau để hoạt động.
Điều này cũng tương đồng với việc tồn tại các mạng LAN, WAN mà không cần
kết nối vào mạng internet.
1.1.2. Lược sử về IoT
Một trong những ví dụ đầu tiên của IoT là từ đầu những năm 1980, là một
cỗ máy Coca Cola được đặt tại trường đại học Carnegie Melon thuộc bang
Pennsylvania – Hoa Kỳ. Trước khi thực hiện chuyến du lịch của mình, các lập
trình viên địa phương đã kết nối tủ lạnh với internet để kiểm tra lượng đồ uống và
5


độ lạnh của nó. Việc này đã khiến máy Coca Cola này thành đồ vật đầu tiên được
kết nối internet.
Mặc dù đã nhen nhóm xuất hiện từ rất lâu, tuy nhiên đến năm 1999 thì Kevin
Ashton – một nhà tiên phong về công nghệ của Anh mới đưa ra thuật ngữ Internet
of Things.
Tháng 6 năm 2000, khi LG Internet Digital DIOS, tủ lạnh đầu tiên trên thế
giới có kết nối Internet, đã hoạt động với cổng LAN để kết nối IP, đây là một cột
mốc quan trọng của IoT.
Khái niệm Internet of Things trở nên rõ ràng vào năm 2005 khi International
Telecommunications Union – ITU công bố bản báo cáo đầu tiên về chủ đề này.

Báo cáo nêu rõ IoT sẽ kết nối các vật thể theo cả 2 cách thông minh và có cảm
nhận. Trong báo cáo ITU cũng đã đưa các thử thách quan trọng cần giải quyết để
khai thác hết tiềm năng của IoT và đưa ra các tiêu chuẩn hóa về sự kết hợp, bảo
mật cũng như các vấn đề đạo đức và xã hội.
Năm 2008, hội nghị IoT Châu Âu lần đầu tiên được tổ chức sau khi IoT
được sự công nhận của EU. Khoảng năm 2008 đến 2009, IoT ra đời theo nhóm
giải pháp kinh doanh của Cisco.
Năm 2011, sự ra đời của thế hệ địa chỉ mới IPv6 tạo tiền đề phát triển cho
IoT khi không gian của thế hệ địa chỉ Ipv4 trở nên hạn chế. Năm 2013, Internet of
Things đã phát triển thành một hệ thống sử dụng nhiều công nghệ, từ internet đến
giao tiếp không dây và từ các hệ thống cơ điện tử cho đến các hệ thống nhúng.
Các lĩnh vực tự động động hóa truyền thông, GPS, hệ thống cảm biến không dây,
và các lĩnh vực khác, tất cả đều hỗ trợ IoT. Như là một phần của toàn cầu hóa, sớm
hay muộn tất cả những gì con người có thể làm đều có thể thực hiện một cách
thuận tiện với sự trợ giúp của các công nghệ hiện đại nhờ vào các ý tưởng IoT.
Ngày nay với khoảng 1,5 tỷ máy tính và trên 1 tỷ điện thoại có kết nối
internet. Sự hiện diện “Internet of PCs” sẽ được chuyển sang IoT trong đó 50-100
tỷ thiết bị kết nối Internet trong năm 2020. Một vài nghiên cứu còn chỉ ra trong
cùng năm đó, số lượng máy móc di động sẽ tăng gấp 30 lần so với hiện nay. Nếu
không chỉ xem xét các kết nối máy với máy mà là các kết nối giữa tất cả các vật
thể thì số lượng kết nối có thể tăng lên tới 100.000 tỷ.
6


1.1.3. Cấu tạo cơ bản của IoT
Kiến trúc IoT về cơ bản được cấu thành bởi các phần như sau:
+
+
+
+

Vạn vật (Things)
Cổng kết nối (Gateways)
Điện toán đám mây và hạ tầng mạng (Network and Cloud)
Các lớp tạo và giải pháp dịch vụ (Services-creation and Solutions Layers)
Vạn vật (Things):

Cùng với sự phát triển của sản xuất công nghiệp, đồ vật ngày càng nhiều
bao gồm cả các đồ vật thông minh và các đồ vật khác. Các đồ vật thông minh có
thể kết nối trực tiếp tới internet còn các đồ vật khác có thể thông qua các cổng kết
nối và hệ thông các cảm biến để có thể kết nối vào mạng internet toàn cầu. Các đồ
vật này là cơ sở, thành phần cơ bản nhất của IoT.
Cổng kết nối (Gateways):
Như đã nêu, bên cạnh các đồ vật thông minh được tích hợp khả năng kết
nối internet thì hâu hết các đồ vật khác lại không như vậy. Theo thông kê, gần 85%
các vật dụng hiện tại không thể kết nới với internet cũng như chia sẻ dữ liệu với
điện toán đám mây. Khi này, các cổng kết nối sẽ là cầu nối trung gian, thực hiện
nhiệm vụ kết nối các đồ vật này với mạng internet hoặc điện toán đám mây. Điều
này sẽ giải quyết được vấn đề về bảo mật cho kết nối cũng như tạo thuận lợi cho
quản lý các thiết bị.

Hình 1.2. Cấu phần của IoT
7


Điện toán đám mây và hạ tầng mạng (Network and Cloud):
+ Hạ tầng mạng:
Hạ tầng mạng là các mạng IP, các mạng này được kết nối, liên kết với các
máy tính tạo thành hệ thống mạng toàn cầu Internet. Hạ tầng mạng thường do
các nhà cung ứng dịch vụ cung cấp.

+ Điện toán đám mây và trung tâm dữ liệu:
Điện toán đám mây và các trung tâm dữ liệu được hiểu là một hệ thống máy
chủ lớn, thực hiện lưu trữ dữ liệu. Dữ liệu khổng lồ từ các hệ thống IoT đòi hỏi
cần có điện toán đám mây để lưu trữ vì vậy đây sẽ là nơi lưu trữ và xử lý dữ liệu
của hệ thống IoT.
Giải pháp và giao diện lập trình ứng dụng:
Hiện tại, hai phần mềm quản lý giao diện lập trình ứng dụng phổ biến hiện
nay là Mashery và Aepona. Intel đã kết hợp chúng lại để đưa các sản phẩm và giải
pháp IoT ra thị trường một cách thuận tiện hơn. Điều này đảm bảo sẽ tận dụng
được giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ tài nguyên và hệ thống.
1.1.4. Xu hướng và tính chất của Internet of Things
Về cơ bản, một hệ thống IoT có các tính chất sau:
- Thông minh:
Về thực chất, ý tưởng về IoT không phải thiết kế hệ thống mà các thiết bị
trong đó có sự thông minh và có thể điều khiển tự động hay còn gọi là tự động
hóa. Vì với trình độ hiện tại của con người, máy móc có thể được thiết kế để nhận
biết đáp và trả lại môi trường một cách thông minh và cũng không cần đền kết nối
mạng để thực hiện tự động hóa cho các thiết bị ấy. Tuy nhiên việc nghiên cứu và
kết hợp IoT và tự động hóa lại đem đến khả năng lợi ích cao. Hai khái niệm nay
khi kết hợp sẽ là nơi mà IoT gồm các vật thể, thực thể thông minh có khả năng tự
hoạt động theo mọi tình huống, môi trường và với kết nối internet chúng cũng có
thể đổi thông tin, dữ liệu.
Bên cạnh đó, IoT được tích hợp trí thông minh sẽ giúp các thiết bị có khả
năng nhận biết những trí thức, phát hiện mới về cuộc sống hay hành vi con người.
8


- Nền tảng dựa trên các sự kiện:
IoT là một nền tảng dựa trên các sự kiện. Nói cách khác các thì trong lúc
các thực thể trong IoT hoạt động, chúng sẽ phản hồi lại dựa theo các sự kiện diễn

ra. Điều này có thể được thực hiện thông qua các cảm biến – linh kiện hoạt động
theo sự thay đổi của các sự kiện. Với hệ thống cảm biến, IoT sẽ là nền tảng hoạt
động dựa trên sự thay đổi của các sự kiện.
- Là một hệ thống có kích thước lớn và tính phức tạp cao:
Liên kết giữa các thiết bị và máy móc được dự báo sẽ tăng lên một cách
nhanh chóng theo như tốc độ phát triển của IoT hiện tại. Với IPv6, IoT có thể có
đến 100 nghìn tỉ kết nối giữa các đối tượng. Do đó IoT sẽ là hệ thống rất lớn và
phức tạp nếu chứa nhiều kết nối như vậy. Cùng với sự tăng trưởng về mặt số lượng
của các liên kết này sẽ làm IoT trở thành một hệ thống càng lúc càng phức tạp và
rộng lớn.
- Vấn đề không gian lưu trữ và thời gian xử lý:
Các thiết bị trong IoT sẽ thu thập rất nhiều thông tin dữ liệu, trong đó sẽ có
nhiều dữ liệu thừa. Nếu như việc xử lý dữ liệu thủ công bởi con người có thể chủ
động trong việc chọn lọc dữ liệu, thông tin cần thiết thì máy móc lại không. Dữ
liệu được thu thập liên tục và gửi về để lưu trữ kể cả dữ liệu dư thừa hoặc sai sót.
Việc này sẽ tạo ra một khối dữ liệu khổng lồ, khó khăn cho lưu trữ. Bên cạnh đó,
việc xử lí khối dữ liệu lớn sẽ gặp khó khăn cũng như dữ liệu thừa được xử lý sẽ
không đem lại lợi ích cho con người. Ngoài ra, yêu cầu về thời gian xử lý cũng sẽ
tăng lên cùng theo kích thước của khối dữ liệu, đây sẽ là một thách thức đối với
IoT.
Xu hướng của IoT:
“Theo dự báo Gartner, đến năm 2020, sẽ có khoảng 20 tỷ thiết bị sử dụng
IoT trên thế giới cùng với doanh số dự kiến sẽ là 437 tỷ USD. Các thiết bị này
phần lớn sẽ chạy các thuật toán thông minh (AI), kết nối tự động với các hệ thống
IT/ERP, quản lý sản xuất và mô hình kinh doanh mới. Theo đó, các hãng cũng
thay đổi hình thức kinh doanh từ bán sản phẩm sang tính phí sử dụng theo năm
trên từng thiết bị.” [7, tr.1].
9

Trong tương lai, Internet of Things có thể kết nối mọi thứ, điều này sẽ đưa
cuộc sống con người trở nên thuận tiện, dễ dàng hơn. Khí đó mọi việc và các vấn
đề có thể được tìm kiếm, giải quyết nhanh chóng cũng như hàng tỷ thông tin có
thể được chia sẻ thông qua một chiếc thoại thông minh có kết nối mạng. IoT có
thể sẽ được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các ngành nghề trong tương lai. IoT
theo dự đoán trong 5 năm tới sẽ trở nên phổ biến không thua kém các mạng xã hội
hiện tại.
IoT được dự doán sẽ trở thành xu thế của công nghệ trong tương lai gần với
doanh thu ước tính trong năm 2020 sẽ là hơn 4 ngàn tỷ USD. Với sự phổ biến của
mình, việc thiết kế các mô hình IoT hay các ứng dụng IoT đang trở thành công
việc thu hút được sự quan tâm lớn của giới công nghệ cũng như starup.
Những con số dự đoán IoT về IoT trong năm 2020:
+
+
+
+
+

4 tỷ người được kết nối với nhau.
Doanh thu tạo ra hơn 4 ngàn tỷ USD
Số lượng ứng dụng về IoT được phát hành được dự đoán hơn hơn 25 triệu
Số lượng hệ thống nhúng và hệ thống thông minh dự đoán hơn 25 tỷ
Dữ liệu được tạo ra dự doán khoảng 50 ngàn tỷ Gigabytes

Hình 1.3. Báo cáo của Gartnet về xu hướng IoT trong 10 năm tới.
10


Hình 1.4. Dự đoán về IoT tới năm 2020
1.2. Các thành phần cơ bản của nền tảng IoT

1.2.1. Tổng quan về nền tảng IoT (IoT platform):
Dựa trên các đặc điểm của mình, IoT có thể đem lại cho con người rất nhiều
lợi ích, giá trị thiết thực. Tuy nhiên những lợi ích đó muốn khai thác được thì con
người cần có một nền tảng để thông qua đó thực hiện việc quản lý, lưu trữ và phân
tích dữ liệu cũng như đảm bảo độ an toàn thông tin dữ liệu trong IoT.Xét về sự
tương đồng, nền tảng IoT sẽ có những chức năng đặc điểm tương tự như một hệ
điều hành dành cho máy tính. Thông qua nền tảng IoT, các nhà quản lý, nhà phát
triển hay người dùng cơ bản sẽ dễ dàng hơn trong việc sử dụng, quản lý IoT và
đem lại hiệu quả cao hơn.
Để một hệ thống IoT có thể hoạt động thì cần rất nhiều yếu tố, về cơ bản
các yếu tốt đó bao gồm:
+ Phần cứng: Chẳng hạn như các cảm biến.
+ Kết nối: Để đảm bảo việc truyền tải dữ liệu.
+ Phần mềm: Thực hiện nhiệm vụ xử lý dữ liệu được cảm biến hay thiết bị
thu thập được.
11


+ Giao diện người dùng: Để tận dụng được những điều hữu ích từ IoT mang
lại, người dùng cần có một cách giao tiếp để tương tác với hệ thống IoT.
Vậy có thể hiểu nền tảng IoT là phần mềm hỗ trợ kết nối mọi thứ trong IoT.
Nền tảng IoT sẽ là nơi tạo điều kiện giao tiếp giữa các thiết bị, quản lý thiết bị.
Bên cạnh đó còn hỗ trờ quản lý dữ liệu và chức năng của các ứng dụng.
Nền tảng IoT có các chức năng cơ bản sau:
+
+
mềm
+
+
+

Thực hiện kết nối các phần cứng trong hệ thống lại với nhau
Thực hiện xử lý các giao thức truyền tải dữ liệu giữa phần cứng và phần
Đảm bảo bảo mật và việc xác thực thiết bị của người dùng.
Thu thập dữ liệu từ các cảm biến và thiết bị để phân tích dữ liệu
Tích hợp các tính năng trên tới các dịch vụ web khác.
Các loại nền tảng IoT:
Hiện nay trên thế giới có 4 loại nền tảng IoT phổ biến:

- Nền tảng kết nối máy – máy (M2M):
Kết nối M2M là kết nối giữa máy và máy. Do đó, nền tảng này chủ yếu tập
trung vào việc kết nối các thiết bị IoT kết nối thông qua mạng viễn thông. Tuy
nhiên lại hạn chế về xử lý thông tin và làm giàu dữ liệu.
- Nền tảng cơ sở hạ tầng dịch vụ:
Đây là nền tảng cung cấp không gian lưu trữ và xử lý dữ liệu. Mặc dù, những
cơ sở hạ tầng dịch vụ này được tối ưu hóa cho các ứng dụng dành cho máy tính,
tuy nhiên hiện tại nó vẫn được coi là một nền tảng IoT tập trung.
- Nền tảng phần mềm cho phần cứng chuyên biệt:
Một số nhà sản xuất các thiết bị phần cứng, khi kinh doanh các thiết bị của
mình, họ đã xây dựng phần mềm độc quyền của riêng mình kèm theo. Các phần
mềm này được coi như một nền tảng IoT. Các nền tảng này đa phần có tính đóng,
nên việc xác định nó như nền tảng IoT còn gây nhiều tranh cãi.
- Phần mềm mở rộng dành cho người tiêu dùng, doanh nghiệp:

12


Các gói phần mềm doanh nghiệp hiện tại và các hệ điều hành như Microsoft
Windows ngày càng cho phép mở rộng, tích hợp các thiết bị IoT. Hiện tại, các tiện
ích mở rộng này tuy chưa đủ để coi là một nền tảng IoT đầy đủ, tuy nhiên trong

tương lai, các tiện ích này có thể trở thành một nền tảng IoT.
Để đảm bảo lưu trữ, xử lý dữ liệu thì thông thường các nền tảng IoT lớn
được các nhà cung cấp cung cấp kèm theo phần cứng riêng biệt cũng như điện
toán đám mây riêng của họ. Còn các nền tảng IoT nhỏ thường cung cấp phần mềm
dựa trên các dịch vụ điện toán đám mây lớn.
Bên cạnh đó, một thành phần nữa không thể thiếu trong các hệ thống IoT là
các công nghệ được sử dụng. Hiện nay các công nghệ được sử dụng phổ biến trong
IoT là:
+ RFID (Radio Frequency Code) và EPC (Electronic Product Code): Mã tần
số vô tuyến và mã sản phẩm điện tử
+ NFC (Near Field Communication) là công nghệ kích hoạt tương tác hai
chiều giữa các thiết bị thông qua một chạm duy nhất. NFC chủ yếu dùng cho điện
thoại thông mình và chủ yếu được dùng để thực hiện giao dịch thanh toán.
+ Bluetooth: Đây là một công nghệ được dùng để truyền tải thông tin trong
phạm vi ngắn, thường được sử dụng trong các thiết bị đeo.
+ Z-Wave: Là công nghệ tần số vô tuyến công suất thấp. Công nghệ này chủ
yếu được sử dụng cho nhà tự động, kiểm soát hệ thống chiếu sáng…
+ Wifi: Là kết nối thông dụng nhất trong IoT, nó giúp truyền các thư mục, dữ
liệu và các gói thông tin bằng kết nối không dây.
1.2.2. Các thành phần cơ bản của nền tảng IoT:
Ở hình thức đơn giản, một nền tảng IoT chỉ cho phép kết nối giữa vật hoặc
thiết bị. Hoặc hơn nữa là có thể bao gồm một nền tảng phần mềm, một nền tảng
phát triển ứng dụng hoặc một nền tảng phân tích. Trong một hình thức phức tạp
hơn, một nền tảng IoT đầu cuối đích thực bao gồm tám khối kiến trúc quan trọng.
Kiến trúc của nền tảng IoT hiện đại có thể được miêu tả gồm 8 phần như
sau:
13


Bảng 1.1. Các thành phần cơ bản của nền tảng IoT

+ Kết nối và đồng bộ:
Các giao thức khác nhau và các định dạng dữ liệu được thành phần này đồng
bộ và tích hợp vào một giao diện phần mềm. Điều này sẽ đảm bảo cho việc truyền
dữ liệu chính xác và tương tác được với tất cả các thiết bị của hệ thống.
+ Quản lý thiết bị:
Đây là thành phần đảm bảo kết nối và hoạt động của các thành phần khác
trong hệ thống. Là nơi cập nhật các bản vá và cập nhật phần mềm cũng như ứng
dụng đang chạy trên thiết bị hoặc các cổng kết nối ngoại biên.
+ Cơ sở dữ liệu:
Đối với một nền tảng IoT thì đây là thành phần đóng vai trò vô cùng quan
trọng. Bênh cạnh nhiệm vụ lưu trữ dữ liệu nó còn phải có khả năng mở rộng để
14


đáp ứng các yêu cầu cho cơ sở dữ liệu dựa trên đám mây. Thành phần này phải
đảm bảo có sự mở rộng khối lượng, sự đa dạng, tốc độ và độ tin cậy của dữ liệu.
+ Quản lý và xử lý hoạt động:
Chức năng đưa dữ liệu vào hoạt động cho phép thực thi các hoạt động thông
minh dựa trên dữ liệu từ cảm biến cụ thể. Toàn bộ các hoạt động của hệ thống sẽ
do khối này quản lý và xử lý.
+ Phân tích:
Phân tích được coi là bộ não của nền tảng IoT. Thành phần này có chức
năng thực hiện hàng loạt các phân tích phức tạp từ việc phân cụm dữ liệu cơ bản
và khả năng tự học để xử lý những dữ liệu có giá trị trong luồng dữ liệu của IoT.
+ Biểu thị dữ liệu:
Là nơi cho phép con người xem xét các mẫu và quan sát các xu hướng từ
bảng điều khiển trực quan, nơi dữ liệu được miêu tả sinh động qua biểu đồ đường
thẳng hoặc hình họa mô phỏng.
+ Công cụ bổ sung:

Thành phần này cho phép các nhà phát triển IoT thử nghiệm và trước khi
đưa sản phẩm ra thị trường với các trường hợp sử dụng được biểu diễn trên hệ sinh
thái mô phỏng. Thông qua các công cụ này nhà phát triển sẽ quản lý và kiểm soát
các thiết bị kết nối.
+ Các giao diện ngoài:
Đây là nơi cho phép tích hợp với các hệ thống của bên thứ ba và phần còn
lại của hệ thống thông qua các giao diện lập trình ứng dụng, các bộ phát triển phần
mềm và các cửa cổng kết nối.
Một nền tảng có nhiệm vụ điều phối rất nhiều khía cạnh cơ bản khác nhau
để tạo thành một giải pháp IoT. Chúng xác định việc kết nối thiết bị đầu với mạng
cũng như phương pháp và vị trí thu thập dữ liệu…như thế nào.
Cuối cùng, điều quan trọng nhất là làm thế nào dữ liệu đó có thể được sử
dụng để tạo ra các giá trị cốt lõi, phục vụ được cho mục đích của con người chính
là nhiệm vụ quan trọng nhất của nền tảng IoT.
15


1.3. Các giao thức cơ bản của IoT
1.3.1. Yêu cầu đối với các giao thức trong IoT:
Khái niệm đã chỉ ra IoT là hệ thống gồm các thực thể có thể trao đổi thông
tin dữ liệu. Điều này yêu cầu cần có các giao thức để truyền tải, trao đổi thông tin
dữ liệu giữa các thiết bị cũng như khả năng kết nối tới internet để thực hiện công
việc nào đó. Để thực hiện được như vậy cũng như để tối ưu được mô hình IoT,
các thiết bị phải giao tiếp với nhau bằng các giao thức đảm bảo được các tiêu chí
của một hệ thống IoT. Các giao thức này yêu cầu phải thỏa mãn được 2 tiêu chí
sau:
+ Năng lượng tiêu thụ thấp:
Đây có thể hiểu là nói về mặt vật lý, cách thức để truyền dữ liệu giữa hai
thiết bị truyền thông phải tiêu tốn một lượng năng lượng nhỏ. Một vài ví dụ như
chuẩn Zigbee, LoRa, LoRaWAN, Wifi,...

+ Dung lượng bản tin nhỏ:
Để không làm tiêu tốn quá nhiều tài nguyên, ta cần dung lượng của các bản
tin truyền tải càng nhỏ càng tốt. Tuy nhiên vẫn phải đảm bảo hệ thống hoạt động
ổn định. Nói cách khác sau khi có đường truyền kết nối vật lý, ta sẽ cần một
phương thức giao tiếp giữa các thiết bị mà nói ít nhưng vẫn hiểu đủ, hiểu đúng.
1.3.2. Các giao thức truyền tải dữ liệu phổ biến:
Dựa theo hai tiêu chí về năng lượng tiêu thụ thấp cũng như dung lượng bản
tin truyền dẫn gọn nhẹ. Theo đó, các giao thức truyền tải dữ liệu được sử dụng phổ
biến trong các mô hình IoT hiện tại là:
- MQTT (Message Queue Telemetry Transport)
MQTT là một giao thức sử dụng băng thông thấp với độ tin cậy cao và có
khả năng hoạt động trong điều kiện đường truyền không ổn định. MQTT truyền
thông tin theo mô hình xuất bản – thuê bao.
Kiến trúc mức cao (high-level) của MQTT gồm 2 phần chính là Broker và
Clients.

16