Thiết kế iot gateway sử dụng máy tính nhúng cho lưới điện thông minh trong hộ gia đình

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN ĐẮC THỊNH

THIẾT KẾ IoT GATEWAY SỬ DỤNG MÁY TÍNH
NHÚNG CHO LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH TRONG
HỘ GIA ĐÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng - Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN ĐẮC THỊNH

THIẾT KẾ IoT GATEWAY SỬ DỤNG MÁY TÍNH
NHÚNG CHO LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH TRONG
HỘ GIA ĐÌNH

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 852 02 16

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Ngô Đình Thanh

Đà Nẵng – Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn

Nguyễn Đắc Thịnh


THIẾT KẾ IoT GATEWAY SỬ DỤNG MÁY TÍNH NHÚNG CHO LƯỚI ĐIỆN
THÔNG MINH TRONG HỘ GIA ĐÌNH
Ngày nay, cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đã lan tỏa và đi sâu vào đời sống xã hội,
gắn liền với sự phát triển như vũ bão của các giải pháp Internet of Things (IoT) trong mọi lĩnh
vực của công nghiệp và đời sống. Đây là một viễn cảnh trong đó mọi vật 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. Nhờ IoT mà tất cả các thiết bị
điện thông minh đều được nâng lên một tầm cao mới, thông qua việc được điều khiển và giám
sát dễ dàng và trực quan bằng các thiết bị thông minh qua internet.
Tuy nhiên các thiết bị điện thông minh trong hộ gia đình sử dụng rất nhiều giao thức
truyền thông riêng biệt như sóng vô tuyến, MQTT, Zigbee, Bluetooth của các hãng sản xuất
khác nhau, tạo ra khoảng cách rất lớn trong việc giao tiếp các thiết bị với nhau. Từ đó, giải
pháp được đề ra là thiết kế bộ IoT gateway cho phép kết nối giữa nhiều giao thức khác nhau
của các thiết bị điện thông minh trong hộ gia đình.
Từ khóa: Cách mạng công nghiệp 4.0, IoT gateway, thiết bị điện thông minh, giao
thức truyền thông, sóng vô tuyến, MQTT, Zigbee, Bluetooth, giao tiếp các thiết bị với
nhau, giải pháp.

IoT DESIGN GATEWAY USING EMBOSSING MACHINE FOR SMART
ELECTRIC NETWORK IN THE HOUSE
Nowadays, Industry 4.0 has spread and deepened into social life, associated with the
stormy development of Internet of Things’s solutions in all areas of industry and life. This is a
scenario in which everything is provided with identifiers and the ability to automatically
transmit data across a network without the need for human interaction with people or people
with computers. With IoT, all smart electrical devices are raised to new heights, through easy
and intuitive control and monitoring by smart devices over the internet.
However, smart electrical appliances in households use a lot of separate communication
protocols such as radio frequency, MQTT, Zigbee, Bluetooth of different manufacturers,
creating a huge gap in communicating devices with each other. Since then, the proposed
solution is to design a IoT gateway to allow connections between many different protocols of
smart electrical devices in the household.

Keywords: Industry 4.0, IoT gateway, smart electrical devices, communication
protocols, radio frequency, MQTT, Zigbee, Bluetooth, communicating devices, solution.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .....................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...........................................................................2
6. Cấu trúc của luận văn......................................................................................... 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH HỘ GIA ĐÌNH ....4
1.1. Lưới điện thông minh hộ gia đình ............................................................................4
1.2. Internet Of Things ....................................................................................................5

1.2.1. Định nghĩa.....................................................................................................5
1.2.2. Khái niệm ......................................................................................................6
1.2.3. Đặc tính cơ bản của IoT [1], [2] ...................................................................6
1.2.4. Yêu cầu đối với một hệ thống IoT ................................................................ 7
1.3. Công tơ điện tử .........................................................................................................7
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ IoT GATEWAY ............................................................... 12
2.1. Thiết kế phần cứng .................................................................................................12
2.1.1. Module RF ..................................................................................................12
2.1.2. Module Zigbee ............................................................................................ 12
2.1.3. Module MQTT ............................................................................................ 13
2.1.4. Máy tính nhúng ........................................................................................... 13
2.1.5. Ưu điểm của máy tính nhúng......................................................................14
2.1.6. Giới thiệu về Raspberry Pi 3.......................................................................18
2.1.7. Mô hình tổng quan thiết kế phần cứng của hệ thống ..................................21
2.2. Thiết kế phần mềm .................................................................................................22
2.2.1. Nền tảng Linux ........................................................................................... 22
2.2.2. Hệ điều hành Raspbian ...............................................................................23
2.2.3. Mã nguồn mở OpenHAB Framework ........................................................ 25
2.2.4. Xây dựng chương trình trên nến OpenHAB Framework ........................... 27
CHƯƠNG 3. TÍCH HỢP CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÁC NHAU .......29
3.1. Zigbee ..................................................................................................................... 29
3.1.1. Thuật toán mã hoá và giải mã của giao thức ZigBee .................................33
3.1.2. Kiểm soát truy cập. .................................................................................... 39
3.1.3. Bảo mật của ZigBee .................................................................................... 40


3.2. MQTT ..................................................................................................................... 42
3.3. RF-Mesh .................................................................................................................44
3.4. Giải pháp tích hợp các chuẩn truyền thông khác nhau ...........................................45
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................47

4.1. Kiến trúc của IoT gateway ..................................................................................... 47
4.2. Các tính năng của IoT gateway ..............................................................................51
4.3. Hướng phát triển của đề tài .................................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

1.1.

Bảng mã OBIS của công tơ điện tử

9

1.2.

Bảng mã OBIS lỗi của công tơ điện tử

11

2.1.

So sánh máy tính nhúng và vi điều khiển

16

2.2.

So sánh thông số các máy tính nhúng thông dụng

17

2.3.

Chức năng 40 pinout của Raspberry Pi 3

20

2.4.

Trạng thái LED trên Raspberry Pi 3

20

3.1.

Cấu trúc khung truyền dữ liệu giao thức Zigbee

33

3.2.

Mức bảo mật và khoá bảo mật

38

3.3.

Cấu trúc khung truyền dữ liệu giao thức Zigbee

43


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

1.1.

Lưới điện thông minh

4

1.2.

Sơ đồ khối của hệ thống

9

2.1.

Raspberry Pi 3 Model B

19

2.2.

Mô hình tổng quan thiết kế phần cứng hệ thống

21

2.3.

Linux

23

2.4.

Hệ điều hành Raspbian

23

2.5.

Giao diện LXDE trên hệ điều hành Raspbian

24

2.6.

Đa dạng giao thức trong IoT

25

2.7.

OpenHAB

26

2.8.

Cấu trúc của OpenHAB

26

2.9.

Eclipse

27

3.1.

Mô hình OSI và giao thức MQTT

29

3.2.

Mạng Zigbee hình sao

31

3.3.

Mạng Zigbee hình lưới

32

3.4.

Mạng Zigbee hình cây

32

3.5.

Kết hợp trạng thái trong quá trình mã hoá AES

34

3.6.

Phép thế trong quá trình mã hoá AES

35

3.7.

Dịch chuyển hàng trong quá trình mã hoá AES

35

3.8.

Dịch chuyển cột trong quá trình mã hoá AES

36

3.9.

Kết hợp khoá con trong quá trình mã hoá AES

36

3.10.

Cấu trúc khung bảo mật dữ liệu giao thức Zigbee

37

3.11.

Cấu trúc khoá bảo mật dữ liệu giao thức Zigbee

39

3.12.

Chế độ bảo mật dân cư

41

3.13.

Chế độ bảo mật thương mại

41

3.14.

Mô hình giao thức MQTT

42

3.15.

Mô hình giao thức RF-Mesh

44

3.16.

Cấu trúc Eventbus của openHAB

46

4.1.

Các lớp của IoT gateway

48

4.2.

Công tơ điện tử EVN CPC và module đọc thông số, gửi
RF

49

4.3.

Module RF tại Gateway

49


Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

4.4.

Module đo lường và điều khiển giao thức Zigbee

50

4.5.

Module Zigbee tại Gateway

50

4.6.

Module giao thức MQTT

51

4.7.

Độ thị phụ tải ngày 25 tháng 11 năm 2018

52

4.8.

Đồ thị phụ tải ngày 26 tháng 11 năm 2018

52

4.9.

Giao diện giám sát điện năng trên website

53

4.10.

Giao diện giám sát năng lượng tiêu thụ trên website

54

4.11.

Giao diện giám sát điện năng trên app mobile

55

4.12.

Giao diện giám sát năng lượng tiêu thụ trên app mobile

56


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đã lan tỏa và đi sâu vào đời sống xã
hội, gắn liền với sự phát triển như vũ bão của các giải pháp Internet of Things (IoT)
trong mọi lĩnh vực của công nghiệp và đời sống. 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.
Nhờ IoT mà tất cả các thiết bị điện được sử dụng trong các căn hộ, tòa nhà đều được
nâng lên một tầm cao mới, thông qua việc được điều khiển và giám sát dễ dàng và trực
quan bằng các thiết bị thông minh qua internet, IoT mang đến cho người sử dụng sự
tiện nghi và dễ dàng hơn trong thời đại số.
Trong bối cảnh đó, Điện lực Việt Nam (EVN) cũng xây dựng đề án phát triển
Lưới điện thông minh của EVN giai đoạn 2017 đến 2022 là trang bị cơ sở hạ tầng
công nghệ thông tin cho lưới điện phân phối, điển hình là thay thế công tơ cơ bằng
công tơ điện tử. Đồng thời triển khai các ứng dụng của Lưới điện thông minh như
nâng cao khả năng dự báo nhu cầu phụ tải điện của khách hàng và lập kế hoạch cung
cấp điện, giảm tổn thất điện năng. Từ đó tạo điều kiện để khách hàng chủ động biết và
quản lý thông tin chi tiết về sử dụng điện và chi phí mua điện. Hiện tại các thành phố
lớn và phát triển của nước ta như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh đã triển khai kết nối được
đến công tơ tổng của các hộ tiêu thụ điện trong quy mô nhỏ, tuy nhiên các thiết bị điện
thông minh trong hộ gia đình chưa kết nối được với hệ thống lưới điện thông minh.
Vấn đề đặt ra là có giải pháp nào để công tơ điện tử có thể giao tiếp với bất kỳ các
thiết bị thông minh, hệ thống quản lý năng lượng trong hộ gia đình, tòa nhà, nhà máy,
resort... nhằm tạo ra một hệ thống lưới điện thông minh hoàn chỉnh.
Tuy nhiên các thiết bị điện thông minh trong hộ gia đình sử dụng rất nhiều giao
thức truyền thông riêng biệt của các hãng sản xuất khác nhau, tạo ra khoảng cách rất
lớn trong việc giao tiếp các thiết bị với nhau. Câu hỏi đặt ra là có chuẩn truyền thông
chung nào kết nối nào cho mọi giao thức? Hiện trên thế giới chưa có công trình nghiên
cứu nào được công bố cho giải pháp này. Giải pháp có thể thực hiện chỉnh sửa lại phần
mềm của công tơ điện tử để kết nối với các thiết bị tiêu thụ điện trong hộ gia đình.
Giải pháp này không mềm dẻo để thực hiện cho tất cả các hộ gia đình. Hơn thế nữa,
hiện nay có rất nhiều hãng cung cấp công tơ điện tử với các chuẩn giao thức khác
nhau. Từ đó, giải pháp được đề ra là thiết kế bộ gateway cho phép kết nối giữa nhiều


2

giao thức khác nhau giữa các công tơ điện tử và các thiết bị điện thông minh trong hộ
gia đình.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu hai chuẩn truyền thông IoT phổ biến của các thiết bị thông minh.
Nghiên cứu công tơ điện tử và chuẩn truyền thông của công tơ điện tử.
Nghiên cứu cách chuyển đổi thông tin giữa hai giao thức dựa trên phần mềm mã
nguồn mở OpenHAB framework và phần cứng là máy tính nhúng Raspberry Pi 3.
Nghiên cứu các thuật toán mã hóa và giải mã của các chuẩn truyền thông Zigbee
và MQTT.
Nghiên cứu giải pháp tích hợp các chuẩn truyền thông Zigbee và MQTT dựa trên
kiến trúc Eventbus của mã nguồn mở OpenHAB framework.
Lập trình phần mềm truyền thông để điều khiển, giám sát hệ thống điện thông
minh trên smart phone.
Thiết kế IoT Gateway sử dụng máy tính nhúng có thể kết nối các thiết bị điện
thông minh trong hộ gia đình có chuẩn truyền thông Zigbee và MQTT.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trong hệ thống IoT có rất nhiều các chuẩn truyền thông khác nhau, trong đề tài
này tập trung nghiên cứu thiết kế IoT Gateway giúp giám sát đến từng thiết bị điện của
hộ tiêu thụ, đồng thời cho phép công tơ điện tử kết nối với IoT Gateway
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết:
+ Nghiên cứu tổng quan về lưới điện thông minh hộ gia đình.
+ Nghiên cứu và lập trình các giao thức truyền thông sử dụng trong hệ thống điện
thông minh.
+ Nghiên cứu lập trình giải pháp tích hợp các chuẩn truyền thông và thiết kế IoT
Gateway.
- Nghiên cứu thực nghiệm:
+ Tạo ra sản phẩm IoT Gateway.
+ Chạy thử chương trình, kiểm tra sự tương thích của các giao thức truyền thông.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Kết quả của đề tài có thể ứng dụng vào thực tiễn khi triển khai đề án phát triển
Lưới điện thông minh của EVN.
Nâng cao khả năng dự báo nhu cầu phụ tải điện của khách hàng và lập kế hoạch
cung cấp điện, giảm tổn thất điện năng.
Giúp khách hàng chủ động biết và quản lý thông tin chi tiết về sử dụng điện và
chi phí mua điện.


3
Cảnh báo sớm về sự cố điện trong hộ gia đình.
Có thể mở rộng và nâng cấp dễ dàng cho các thiết bị thông minh khác.
Giải pháp cung cấp IoT Gateway giá rẻ cho thị trường.
6. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần Mở đầu và Phụ lục, luận văn gồm có 4 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về lưới điện thông minh hộ gia đình.
- Giới thiệu về Lưới điện thông minh hộ gia đình.
- Thách thức khi tích hợp các chuẩn giao thức truyền thông trên hệ thống điện.
Chương 2: Thiết kế IoT Gateway.
- Thiết kế phần cứng.
- Thiết kế phần mềm.
Chương 3: Tích hợp các chuẩn truyền thông khác nhau.
- Nghiên cứu thuật toán cho các chuẩn truyền thông.
- Thuật toán mã hóa và giải mã cho các chuẩn truyền thông khác nhau.
- Giải pháp tích hợp các chuẩn truyền thông.
Chương 4: Kết quả và hướng phát triển.
- Sản phẩm IoT Gateway.


4
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH HỘ GIA ĐÌNH
1.1. Lưới điện thông minh hộ gia đình
Lưới điện thông minh là hệ thống điện lưới có sử dụng các công nghệ thông tin
và truyền thông để tối ưu việc truyền dẫn, phân phối điện năng giữa nhà sản xuất và hộ
tiêu thụ, hợp nhất cơ sở hạ tầng điện với cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc. Có thể coi hệ
thống điện thông minh gồm có hai lớp: lớp 1 là hệ thống điện thông thường và bên
trên nó là lớp 2, hệ thống thông tin, truyền thông, đo lường và điều khiển.

Hình 1.1. Lưới điện thông minh
Để tạo được sự tiến bộ trong việc giải quyết được những thách thức của hệ thống
hiện tại cũng như những đặc tính chính của Lưới điện thông minh trong tương lai cần
tập trung vào bốn lĩnh vực sau:
- Thu thập dữ liệu: Dữ liệu cần được thu thập từ rất nhiều nguồn khác nhau của
hệ thống điện (hệ thống bảo vệ, điều khiển, công tơ điện, các bộ I/O..., các bộ thu thập
dữ liệu tiêu thụ điện của thiết bị tại các nhà máy và thậm chí tại nhà ở của khách hàng
và các nguồn thông tin "không điện" như thời tiết… Khả năng thu thập dữ liệu được
dựa trên sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ thông tin và viễn thông trong thế kỷ XXI.
- Phân tích và dự báo: Dữ liệu thu thập từ nhiều nguồn khác nhau ở trên cần được
phân tích cho các mục tiêu vận hành và kinh doanh. Cho mục đích vận hành hệ thống
điện các phân tích sẽ được dựa trên số liệu thời gian thực và cận thời gian thực. Còn


5
đối với mục đích kinh doanh thì sẽ sử dụng số liệu quá khứ. Các số liệu thời gian thực
và quá khứ cũng được sử dụng cho công tác dự báo từ dài cho đến trung hạn phục vụ
công tác lập quy hoạch, kế hoạch phát triển và phương thức vận hành.
- Giám sát/quản lý/điều khiển: Dữ liệu được thu thập và xử lý thành thông tin
phục vụ công tác vận hành, điều khiển khiển hệ thống điện cũng như được lưu trữ cho
các mục đích khác nhau theo yêu cầu của các quy định trong quản lý và điều tiết hoạt
động điện lực. Trong lĩnh vực kinh doanh, các thông tin này được sử dụng để xác định

mức sử dụng và tính toán chi phí thanh toán giữa các bên tham gia thị trường điện và
khách hàng.
- Phát triển hệ thống cho phép trao đổi thông tin và điện năng hai chiều giữa nhà
cung cấp và khách hàng sử dụng điện: Cả ba bước trên sẽ chỉ có khả năng ảnh hưởng
tối thiểu lên khách hàng nếu họ không được tiếp cận và có các thiết bị để cùng tham
gia vào hoạt động điện lực từ phía tiêu thụ điện. Thực ra đây là lĩnh vực tốn kém nhất
trong Lưới điện thông minh và thế giới sẽ mất nhiều năm để hoàn thành phần này với
việc trang bị các Smart Meter và thiết bị cho phép tương tác hai chiều đối với bất kỳ
khách hàng nào.
Một số các thành phần của Lưới điện thông minh đã được lắp đặt trong hệ thống
điện. Tuy nhiên, chúng ta còn phải nỗ lực hết sức để có thể biến một hệ thống điện
truyền thống hiện nay thành một hệ thống điện thông minh thực sự. Bởi vì nó không
đơn thuần chỉ bao gồm các hệ thống phần cứng và phần mềm.
Ngày nay cùng với sự phát triển của hệ thống Internet Of Things đã giúp lưới
điện thông minh phát triển nhanh và mạnh hơn.
1.2. Internet Of Things
1.2.1. Định nghĩa
Thiết bị (device): Đối với Internet Of Things, đây là một phần của cả hệ thống
với chức năng bắt buộc là truyền thông và chức năng không bắt buộc là: cảm biến,
thực thi, thu thập dữ liệu, lưu trữ và xử lý dữ liệu.
Internet Of Things: Là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông
tin, mang đến những dịch vụ tiên tiến bằng cách kết nối các “Things” (cả physical lẫn
virtual) dựa trên sự tồn tại của thông tin, dựa trên khả năng tương tác của các thông tin
đó, và dựa trên các công nghệ truyền thông.
Things: Đối với Internet Of Things, “Thing” là một đối tượng của thế giới vật
chất (physical things) hay thế giới thông tin ảo(virtual things). “Things” có khả năng
được nhận diện, và “Things” có thể được tích hợp vào trong mạng lưới thông tin liên
lạc. [1]

6
1.2.2. Khái niệm
Internet Of Things (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. Một hệ thống thông tin trước đây đã mang đến 2 chiều – “Any TIME” và “Any
PLACE” communication. Giờ IOT đã tạo thêm một chiều mới trong hệ thống thông
tin đó là “Any THING” Communication (Kết nối mọi vật).
Trong hệ thống IOT, “Things” là đối tượng của thế giới vật chất (Physical) hoặc
các thông tin (Virtual). “Things” có khả năng nhận diện và có thể tích hợp vào mạng
thông tin. “Things” có liên quan đến thông tin, có thể là tĩnh hay động. “Physical
Things” tồn tại trong thế giới vật lý và có khả năng được cảm nhận, được kích thích và
kết nối. Ví dụ về “Physical Things” bao gồm các môi trường xung quanh, robot công
nghiệp, hàng hóa, hay thiết bị điện. “Virtual Things” tồn tại trong thế giới thông tin và
có khả năng được lưu trữ, xử lý, hay truy cập. Ví dụ về “Virtual Things” bao gồm các
nội dung đa phương tiện và các phần mềm ứng dụng.
1.2.3. Đặc tính cơ bản của IoT [1], [2]
- Tính kết nối liên thông (interconnectivity): với IoT, bất cứ điều gì cũng có thể
kết nối với nhau thông qua mạng lưới 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 như bảo vệ sự riêng tư và nhất quán giữa
Physical Thing và Virtual Thing. Để cung cấp được 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 mạng khác nhau. Các thiết bị giữa các mạng có thể tương tác với
nhau nhờ vào sự liên kết của các mạng.
- 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 lượng thiết bị có thể tự động thay đổi.
- Quy mô lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và giao tiếp
với nhau. Số lượng này lớn hơn nhiều so với số lượng máy tính kết nối Internet hiện
nay. Số lượng các thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều so với được
truyền bởi con người.


7
1.2.4. Yêu cầu đối với một hệ thống IoT
Một hệ thống IoT phải thoả mãn các yêu cầu sau: 13
- 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 được thiết lập dựa trên
định danh (ID) của Things.
- Khả năng cộng tác: hệ thống IoT khả năng tương tác qua lại giữa các mạng và
Things.
- Khả năng tự quản của mạng: Bao g m 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 “Things” dựa trên các quy tắc (rules)
được thiết lập bởi người vận hành hoặc tùy chỉnh bởi người 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
người sử dụng. Hệ thống IoT có thể biết và theo dõi vị trí một cách tự động. Các dịch
vụ dựa trên vị trí có thể bị hạn chế bởi luật pháp hay quy định, và phải tuân thủ các
yêu cầu an ninh.
- Bảo mật: Trong IoT, nhiều “Things” được kết nối với nhau, điều này làm tăng
mối nguy trong bảo mật, chẳng hạn như bí mật thông tin bị tiết lộ, xác thực sai, hay dữ

liệu bị thay đổi hay làm giả.
- Bảo vệ tính riêng tư: tất cả các “Things” đều có chủ sở hữu và người sử dụng
của nó. Dữ liệu thu thập được từ các “Things” có thể chứa thông tin cá nhân liên quan
chủ sở hữu hoặc người sử dụng nó. Các hệ thống IoT cần bảo vệ sự riêng tư trong quá
trình truyền dữ liệu, tập hợp, lưu trữ, khai thác và xử lý. Bảo vệ sự riêng tư không nên
thiết lập một rào cản đối với xác thực nguồn dữ liệu.
- Plug and play: các Things phải được plug-and-play một cách dễ dàng và tiện
dụng.
- Khả năng quản lý: hệ thống IoT cần phải hỗ trợ tính năng quản lý các “Things”
để đảm bảo mạng hoạt động bình thường. Ứng dụng IoT thường làm việc tự động mà
không cần sự tham gia của con người, nhưng toàn bộ quá trình hoạt động của họ nên
được quản lý bởi các bên liên quan. [3]
1.3. Công tơ điện tử
Công tơ điện tử 1 pha DT01M-RF do EMEC CPC sản xuất là thiết bị đo điện
năng được thiết kế và sản xuất trên nền công nghệ đo đếm, điều khiển và truyền thông


8
hiện đại. Sản phẩm sản xuất trên dây chuyền công nghệ hiện đại, được kiểm soát chất
lượng bởi một quy trình chặt chẽ.
Công tơ DT01M-RF có đặc tính và độ tin cậy cao, dùng để đo đếm điện năng
theo 2 chiều giao và nhận ở lưới điện xoay chiều 1 pha 2 dây, đạt cấp chính xác 0.5S
(với công tơ đo đếm gián tiếp DT01M10); 1.0 (với công tơ đo đếm trực tiếp
DT01M80) đối với điện năng tác dụng theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 758921:2007; TCVN 7589-22:2007, tiêu chuẩn quốc tế IEC 62053-22: 2003 và cấp chính
xác 2.0 đối với điện năng phản kháng theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 62053-23:2003. Sản
phẩm có những đặc trưng sau:
- Kiểm định viên không phải hiệu chỉnh.
- Là thiết bị dùng linh kiện điện tử, nên không gây ma sát và các sai sót do các
phần tử cơ khí gây ra.
- Độ nhạy cao.

- Công suất tiêu thụ thấp.
- Ảnh hưởng nhiệt thấp.
- Độ ổn định nhiệt cao.
- Chịu dòng quá tải lớn, chịu điện áp cao.
- Khả năng cách điện lớn
- Đo đếm điện năng tác dụng theo 2 chiều giao/nhận và điện năng phản kháng
theo 4 góc phần tư; tích lũy vào các thanh ghi riêng biệt.
- Tích hợp các tính năng cảnh báo như rò rỉ đất, đảo ngược cực tính,..; ngăn ngừa
các trường hợp gian lận điện năng như can thiệp từ trường bên ngoài, mở nắp đầu dây
và vỏ công tơ, đấu nối sai sơ đồ.
- Khả năng chịu ảnh hưởng của điện từ trường, của nhiễu ngoài cao.
- Tuổi thọ cao.
- Đọc chỉ số công tơ từ xa bằng sóng vô tuyến và lưu trữ vào bộ nhớ không bay
hơi trong vòng 40 năm.
- Pin dự phòng cho phép hiển thị và đọc chỉ số RF khi mất điện (tùy chọn).
- Hỗ trợ kết nối bên ngoài với hệ thống đo đếm từ xa (tùy chọn).
- Tích hợp các chức năng cảnh báo lỗi và ngăn ngừa 38 kiểu gian lận điện (tùy
chọn).
- Tích hợp công nghệ RF-SPIDER, sẵn sàng cho việc thu thập dữ liệu công tơ tự
động (tùy chọn)


9

Hình 1.2 Sơ đồ khối của hệ thống
- Nội dung hiển thị LCD ứng với mỗi đại lượng hiển thị, mã OBIS tương ứng sẽ
được hiển thị ở dòng chữ số phía trên để người dùng dễ dàng giám sát. Một số mã
OBIS như sau:
Bảng 1.1. Bảng mã OBIS của công tơ điện tử
Đơn vị

Mã OBIS

Mô tả

0.9.1

hh:mm:ss

Giờ hiện tại

0.9.2

DD-MM-YY

Ngày hiện tại

11.7.0

A

Dòng điện

12.7.0

V

Điện áp

13.7.0

cosφ

Hệ số công suất

1.7.0

kW/MW

Tổng công suất tác dụng chiều nhận

2.7.0

kW/MW

Tổng công suất tác dụng chiều giao

3.7.0

kvar/Mvar

Tổng công suất phản kháng chiều nhận (QI+QII)

4.7.0

kvar/Mvar

Tổng công suất phản kháng chiều giao (QIII+QIV)

9.7.0

kVA/MVA

Tổng công suất biểu kiến chiều giao

10.7.0

kVA/MVA

Tổng công suất biểu kiến chiều nhận

1.8.0

kWh/MWh

Tổng điện năng tác dụng chiều giao

2.8.0

kWh/MWh

Tổng điện năng tác dụng chiều nhận

3.8.0

Kvarh/Mvarh

Tổng điện năng phản kháng chiều giao

10
Mã OBIS

Đơn vị

Mô tả

4.8.0

kvarh/Mvarh

Tổng điện năng phản kháng chiều nhận

9.8.0

kVAh/MVAh

Tổng điện năng biểu kiến chiều giao

10.8.0

kVAh/MVAh

Tổng điện năng biểu kiến chiều nhận

5.8.0

kvarh/Mvarh

Tổng điện năng phản kháng QI

6.8.0

kvarh/Mvarh

Tổng điện năng phản kháng QII

7.8.0

kvarh/Mvarh

Tổng điện năng phản kháng QIII

8.8.0

kvarh/Mvarh

Tổng điện năng phản kháng QIV

1.8.1

kWh/MWh

Tổng điện năng tác dụng chiều giao biểu giá 1

2.8.1

kWh/MWh

Tổng điện năng tác dụng chiều nhận biểu giá 1

3.8.1

kvarh/Mvarh

Tổng điện năng phản kháng chiều giao biểu giá 1

4.8.1

kvarh/Mvarh

Tổng điện năng phản kháng chiều nhận biểu giá 1

5.8.1

kvarh/Mvarh

Tổng điện năng phản kháng QI, biểu giá 1

6.8.1

kvarh/Mvarh

Tổng điện năng phản kháng QII, biểu giá 1

7.8.1

kvarh/Mvarh

Tổng điện năng phản kháng QIII, biểu giá 1

8.8.1

kvarh/Mvarh

Tổng điện năng phản kháng QIV, biểu giá 1

9.8.1

kVAh/MVAh

Tổng điện năng biểu kiến chiều giao biểu giá 1

10.8.1

kVAh/MVAh

Tổng điện năng biểu kiến chiều nhận biểu giá 1

1.8.32

kWh/MWh

Tổng điện năng tác dụng chiều giao biểu giá 32

2.8.32

kWh/MWh

Tổng điện năng tác dụng chiều nhận biểu giá 32

3.8.32

kvarh/Mvarh

Tổng điện năng phản kháng chiều giao biểu giá 32

4.8.32

kvarh/Mvarh

Tổng điện năng phản kháng chiều nhận biểu giá 32

5.8.32

kvarh/Mvarh

Tổng điện năng phản kháng QI, biểu giá 32

6.8.32

kvarh/Mvarh

Tổng điện năng phản kháng QII, biểu giá 32

7.8.32

kvarh/Mvarh

Tổng điện năng phản kháng QIII, biểu giá 32

8.8.32

kvarh/Mvarh

Tổng điện năng phản kháng QIV, biểu giá 32

9.8.32

kVAh/MVAh

Tổng điện năng biểu kiến chiều giao biểu giá 32

10.8.32

kVAh/MVAh

Tổng điện năng biểu kiến chiều nhận biểu giá 32

1.6.0

kW/MW

Công suất tác dụng cực đại chiều giao

2.6.0

kW/MW

Công suất tác dụng cực đại chiều nhận

3.6.0

kvar/Mvar

Công suất phản kháng cực đại chiều giao

4.6.0

kvar/Mvar

Công suất phản kháng cực đại chiều nhận

9.6.0

kVA/MVA

Công suất biểu kiến cực đại chiều giao

10.6.0

kVA/MVA

Công suất biểu kiến cực đại chiều nhận

…


11
Đơn vị

Mã OBIS

Mô tả

1.6.1

kW/MW

Công suất tác dụng cực đại chiều giao biểu giá 1

2.6.1

kW/MW

Công suất tác dụng cực đại chiều nhận biểu giá 1

3.6.1

kvar/Mvar

Công suất phản kháng cực đại chiều giao biểu giá 1

4.6.1

kvar/Mvar

Công suất phản kháng cực đại chiều nhận biểu giá 1

9.6.1

kVA/MVA

Công suất biểu kiến cực đại chiều giao biểu giá 1

10.6.1

kVA/MVA

Công suất biểu kiến cực đại chiều nhận biểu giá 1

1.6.32

kW/MW

Công suất tác dụng cực đại chiều giao biểu giá 32

2.6.32

kW/MW

Công suất tác dụng cực đại chiều nhận biểu giá 32

3.6.32

kvar/Mvar

Công suất phản kháng cực đại chiều giao biểu giá 32

4.6.32

kvar/Mvar

Công suất phản kháng cực đại chiều nhận biểu giá 32

9.6.32

kVA/MVA

Công suất biểu kiến cực đại chiều giao biểu giá 32

10.6.32

kVA/MVA

Công suất biểu kiến cực đại chiều nhận biểu giá 32

0.4.2

TU

Tỉ số biến dòng

0.4.3

TI

Tỉ số biến áp

…

- Nội dung hiển thị LCD của mã lỗi hệ thống.
Bảng 1.2 Bảng mã OBIS của công tơ điện tử
Lỗi hoặc cảnh báo

Mã lỗi RF Byte 1

Mã lỗi LCD

Cảnh báo ngược dòng

04

02

Cảnh báo quá dòng

32

06

Cảnh báo áp thấp

64

07

Cảnh báo áp cao

128

08

Báo lỗi phần cứng

02

03

Báo lỗi EEPROM

02

13

Mở khóa cứng của công tơ (jump)

02

23

Mở nắp công tơ

02

33

Mở nắp đấu dây

02

43

Cảnh báo pin dự phòng yếu

02

53

Cảnh báo từ trường

01

05

Cảnh báo rò rỉ đất (gian lận điện)

16

00

Nối tắt dòng I1 (gian lận điện)

16

00

Như vậy các thiết bị điện thông minh có chuẩn truyền thông khác nhau muốn
giao tiếp với nhau cần một thiết bị trung gian đóng vai trò làm Gateway.

12
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ IoT GATEWAY
Chương 2 sẽ trình bày về những nhiệm vụ trong thiết kế IOT Gateway, về thiết
kế phần cứng như máy tính nhúng dùng làm Gateway, các module ngoại vi để giao
tiếp với các thiết bị có chuẩn truyền thông RF, Zigbee, MQTT. Về thiết kế phần mềm
trên nền tảng hệ điều hành Linux và hệ điều hành OpenHabian, giải pháp tích hợp dựa
trên mã nguồn mở OpenHAB Framework.
2.1. Thiết kế phần cứng
Cùng với sự phát triển của IOT, hàng loạt các giao thức truyền thông ra đời,
trong phạm đề tài này giới thiệu 3 giao thức tiêu biểu, được sử dụng rộng rãi là Zigbee,
MQTT và RF Mesh.
2.1.1. Module RF
Hiện nay các công tơ điện tử phổ biến trên thị trường sử dụng sóng RF để liên
lạc. Để giao tiếp được với chúng cần thiết kế một module RF, tuy nhiên tần số RF của
công tơ đã được đăng ký độc quyền (công tơ của CPC EMEC sản xuất dùng tần số
408,925 MHz), bảo mật công nghệ điều chế xung FSK gây khó khăn về tìm kiếm linh
kiện, bản quyền thu phát sóng và công nghệ giải mã xung dẫn đến việc tự thiết kế bộ
đọc dữ liệu công tơ trực tiếp là bất khả thi. Để giải quyết thách thức trên, cần thiết kế
một module RF chuyển đổi trung gian nhằm lấy số liệu trực tiếp từ công tơ thông qua
cổng giao tiếp nối tiếp RS 232.
Dữ liệu được đọc từ công tơ thông qua IC MAX232 và xử lý bằng Arduino
Promini, sau đó gửi đi thông qua module NRF24L01 (tần số 2.4GHz thông dụng) đến
module RF của Gateway. Tại đây dữ liệu được nhận và đưa vào Gateway thông qua
module UART và cáp kết nối USB.
Với ưu điểm vượt trội so với các loại module RF tần số 315Mhz hay 433MHz
khác, NRF24L01 có bán kính thu phát 100m ở điều khiện trống, tích hợp sẵn anten
trên mạch có tính tiện lợi và thẩm mỹ, ngoài ra module còn có tính năng truyền nhận 2
chiều (vừa có thể là transmitter vừa có thể là receiver).

2.1.2. Module Zigbee
Zigbee là giao thức phổ biến trong các thiết bị thông minh hiện nay. Với khả
năng tiết kiệm năng lượng cực thấp, dễ dàng mở rộng mạng, linh hoạt. Hoạt động phổ
biến ở tần số 2,4Ghz, với tốc độ truyền có thể đạt 250kbps, nhờ vào cơ chế định tuyến
gói tín hiệu quả giúp kênh truyền dữ liệu ổn định, giúp công nghệ mạng ZigBee trở
nên hấp dẫn cho các ứng dụng từ phạm vi nhỏ như quản lý nhà thông minh, nhà máy,
xí nghiệp… đến phạm vi lớn hơn.


13
Module Zigbee bao gồm bộ nguồn chuyển đổi điện 220VAC thành 3.3VDC, rơle
điều khiển đóng cắt phụ tải, module cảm biến đo dòng ACS712, module thu phát DRF
1605H với IC chính là CC2530, đây là IC sử dụng chuẩn truyền sóng Zigbee 2,4GHz
với IC khuếch đại trên module, Arduino Promini.
Arduino Promini dùng để đọc tín hiệu Analog từ cảm biến đo dòng ACS712 và
điều khiển rơle. Sau đó dữ liệu sẽ truyền qua Zigbee thông qua module DRF 1605H
tới module Zigbee của Gateway. Tại đây dữ liệu được nhận và đưa vào Gateway thông
qua module UART và cáp kết nối USB.
2.1.3. Module MQTT
Cùng với sự phổ biến của wifi, internet, nền tảng mạng TCP/IP, MQTT là chuẩn
truyền thông IoT phổ biến ngày nay được dùng bởi IBM, Microsoft, Amazon,
Facebook…
Module MQTT gồm bộ nguồn chuyển đổi điện 220VAC thành 5VDC, rơle điều
khiển đóng cắt phụ tải, IC điều khiển ESP8266 và module ESP-12E.
Các thiết bị MQTT hoạt động với với IC điều khiển trung tâm là ESP8266, thiết
kế trên module ESP-12E. Các thiết bị sẽ subcrible cái topic “command” và public dữ
liệu lên topic “status”. Còn các server sẽ làm nhiệm vụ ngược lại, gửi thao tác điều
khiển xuống topic “command” và theo dõi topic “status” để biết được trạng thái của
thiết bị.
2.1.4. Máy tính nhúng

Mọi người đều biết đến máy tính cá nhân Personal Computer (PC). Nhưng với
rất nhiều người khái niệm máy tính nhúng là một điều mới lạ. Máy tính đa dụng như
PC được sử dụng để chạy hàng loạt chương trình và ứng dụng. Thí dụ, xử lý công việc
văn phòng bằng phần mềm MS Office, thiết kế kỹ thuật hay thiết kế đồ họa bằng phần
mềm Autocad, Corel Draw, Photoshop, các tiện ích của webbrowser hay hàng nghìn
trò chơi máy tính hiện hành. Trong khi đó, máy tính nhúng được thiết kế tích hợp cả
phần cứng và phần mềm phục vụ các bài toán chuyên dụng cụ thể trong nhiều lĩnh vực
công nghiệp và tự động hoá điều khiển. Đặc điểm của các hệ thống nhúng là hoạt động
ổn định và có tính năng tự động hoá cao.
Kích thước nhỏ gọn mang lại hai ưu điểm nổi trội khi sử dụng máy tính nhúng là
giảm thiểu được chi phí và dễ dàng triển khai.
Đối với các ứng dụng nhúng liên quan đến điều kiện môi trường khắc nghiệt, nên
sử dụng máy tính nhúng đáp ứng các tiêu chuẩn sau đây:
- Truy cập luôn sẵn sàng: Một thiết kế vững chắc và khả năng quản lí từ xa là
một điều bắt buộc nhằm giảm thiểu chi phí bảo dưỡng và đảm bảo máy tính nhúng
hoạt động một cách tin cậy.


14
- Truyền thông tin cậy: Đối với các ứng dụng đòi hỏi một kiến trúc hệ thống phân
tán, phải đảm bảo sử dụng máy tính nhúng đem đến lựa chọn các giao diện và hỗ trợ
các giao thức truyền thông bảo mật.
- Phù hợp với môi trường khắc nghiệt: Rất nhiều các ứng dụng công nghiệp cần
đến hệ số hình dạng tiêu chuẩn DIN-rail và hỗ trợ nhiệt độ hoạt động rộng. Đối với các
bus và thiết bị lắp đặt trên máy với các bộ phận chuyển động, cần phải xem xết đến
khả năng chống rung.
- Lựa chọn mở rộng linh hoạt: Máy tính nhúng với nhiều khe mở rộng, nhiều lựa
chọn bộ nhớ và cổng giao tiếp đem lại cho nhà tích hợp hệ thống nhiều lựa chọn hơn
khi thiết kế một hệ thống mới và khi tái sử dụng thiết bị hiện có cho các ứng dụng
khác.

- Quản lí hiệu quả: Có khả năng lắp đặt máy tính nhúng nhanh chóng và dễ dàng
là điều cần thiết khi giải quyết vấn về của các hệ thống lớn. Ngoài ra, khả năng quản lí
từ xa giúp nâng cao độ tin cậy của hệ thống và giúp dễ dàng cấu hình cũng như cập
nhật chương trình và phần mềm.
2.1.5. Ưu điểm của máy tính nhúng
a. Hướng đến sự linh hoạt cao hơn
Mặc dù các máy tính nhúng không đòi hỏi một màn hình, bàn phím và chuột
nhưng chúng vẫn cần đến các phương tiện giao tiếp với các thiết bị khác trong hệ
thống. Ở mức tối thiểu thì máy tính cũng cần có một hoặc 2 cổng serial để kết nối với
các thiết bị ngoài. Tuy nhiên, đối với máy tính nhúng là một thành phần tồn tại độc lập
trong một hệ thống điều khiển hiện đại, nó cũng cần có khả năng kết nối với nhiều loại
giao thức khác:
Serial (SCI): RS232, RS422, và RS485 là những giao thức serial tiêu chuẩn cho
các ứng dụng công nghiệp.
Bus Serial đa năng (USB): Mặc dù RS232/422/485 vẫn là tiêu chuẩn cho các ứng
dụng công nghiệp, tuy nhiên USB đang bắt đầu xâm nhập thị trường.
Kết nối mạng: Ethernet giờ đây đang phổ biến ở môi trường văn phòng và nhà ở,
đang được sử dụng ngày càng nhiều hơn trong các hệ thống công nghiệp. Ngoài ra,
một số ứng dụng công nghiệp sử dụng giao thức CAN (Control Area Network).
IO rời rạc: Các hệ thống điều khiển diện rộng ứng dụng rộng rãi công nghệ
General Purpose Input/Output (GPIO).
Chuyển từ Analog sang Digital/Digital sang Analog (ADC/DAC): Khả năng
chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu số và ngược lại là một yêu cầu đối với nhiều
ứng dụng công nghiệp.
Giao thức truyền thông không dây: Các ứng dụng công nghiệp trong hệ thống


15
khó kết nối dây có thể phù hợp với việc sử dụng kết nối không dây để truyền dữ liệu
qua mạng.

b. Máy tính nhúng cho môi trường khắc nghiệt
Trái ngược với môi trường văn phòng an toàn, nhiệt độ ổn định, các ứng dụng
trong môi trường khắc nghiệt cần đến thiết bị có thiết kế cứng vững. Máy tính nhúng
cần đến một vỏ bọc kim loại chắc chắn và nhỏ gọn, sử dụng ít cáp (nếu có), và không
sử dụng các bộ phận chuyển động như ổ cứng và quạt làm mát. Đặc biệt, ổ cứng
thường bị xước hoặc hỏng làm cho việc sử dụng bộ nhớ flash trở thành một lựa chọn lí
tưởng. Bên cạnh đó, khả năng chống rung và sốc có thể nâng cao độ ổn định của hệ
thống được sử dụng trên xe bus, tàu hỏa, xe tải và các vật thể chuyển động.
c. Thiết kế dải nhiệt độ rộng
Thiết kế nhiệt độ hoạt động rộng là một nhân tố quan trọng đối với các ứng dụng
trong một trường khắc nghiệt, ngoài trời, do nhiệt độ có thể dao động từ thấp -35°C
đến cao +70°C. Vì lí do này, nên chọn các máy tính nhúng được làm từ các cấu kiện
chất lượng cao sinh ra ít nhiệt và mang lại tuổi thọ cao.
d. Bảo vệ cách ly
Thiết bị điện tử có thể được hưởng lợi từ việc sử dụng công nghệ cách li quang
học để bảo vệ vòng tiếp đất và các tác nhân gây nhiễu điện khác. Công cụ cách li này
hoạt động bằng cách chuyển đổi tín hiệu điện sang ánh sáng, tín hiệu mà được truyền
qua một khe hở nhỏ trong các thiết bị điện tử. Khi tín hiệu ánh sáng đến mặt bên kia
của khe hở, nó được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu điện. Khe hở được tạo ra trong
mạch điện tử thường được đặt giữa bộ truyền và bộ nhận.
Một vấn đề thường xảy ra với nhiều ứng dụng RS485 là dòng điện vòng tiếp đất
chạy qua dây ngầm khi mức điện áp dây nguội khác nhau giữa các thiết bị được kết
nối. Để loại bỏ vấn đề này, một số sản phẩm RS485 cần có mức bảo vệ cách li quang
tới 2 KV.
e. Thân thiện với người sử dụng
Đối với vấn đề thời gian tung ra thị trường, máy tính nhúng cần nhiều hơn như
chỉ là một hộp ổ cứng cần cài đặt và cấu hình mở rộng. Tìm những tính năng quan
trọng sau đây khi quyết định mua loại máy tính nhúng nào cho ứng dụng công nghiệp.
Hệ điều hành sẵn sàng hoạt động: Hầu hết các nhà tích hợp hệ thống và những
người sử dụng máy tính nhúng khác đều tìm những máy tính với hệ điều hành, drivers,

các hệ thống file và các ứng dụng thông thường như Open VPN hay Ipsec VPN được
cài sẵn.
Chuyển đổi giao thức: máy tính nhúng phải thường kết nối được với nhiều thiết
bị không thường xuyên sử dụng cùng giao thức truyền thông. Vì lí do này, các nhà


16
cung cấp cung cấp phần mềm chuyển đổi giao thức tiện lợi để làm thuận tiện nhiệm vụ
truyền dữ liệu qua lại giữa các thiết bị khác nhau.
Truy cập từ xa: Người quản lí của nhiều hệ thống hiện nay vẫn còn phải đối mặt
với thách thức của việc cần phải gửi kỹ sư tại hiện trường tới quản lí máy tính nhúng
của mình. Một cách đơn giản để đối phó thách thức là sử dụng máy tính nhúng có thể
truy cập từ xa qua Ethernet hay mạng tế bào.
Như vậy phần này đã giải thích sự khác nhau cơ bản giữa máy tính đa dụng và
máy tính nhúng, và nhấn mạnh đặc điểm mà máy tính nhúng cần có khi được sử dụng
trong các ứng dụng công nghiệp. Đặc điểm quan trọng nhất là:
- Độ linh hoạt cao.
- Làm việc được trong môi trường khắc nghiệt.
- Thiết kế dải nhiệt độ rộng
- Bảo vệ cách li
- Thân thiện với người sử dụng
- Hệ điều chạy sẵn sàng hoạt động
- Phần mềm chuyển đổi giao thức giao tiếp
So sánh giữa máy tính nhúng và các vi điều khiển, ta thấy như sau:
Bảng 2.1. So sánh máy tính nhúng và vi điều khiển
Phạm vi so sánh

Vi điều khiển

Máy tính nhúng

Tốc độ xử lý

Khá cao, có thể đạt đến
1,2Ghz.

Thấp, khoảng 200Mhz.

Bộ nhớ

Cao, có thể dùng với các
ứng dụng cỡ lớn.

Thấp hơn rất nhiều.

Ngoại vi

Giống nhau.

Giống nhau.

Hệ điều hành

Linux nhúng, hỗ trợ đa
ngôn ngữ, đa tính năng,
ứng dụng. Khả năng mở
rộng chức năng lớn.

RTOS

Kích thước, giá thành

To hơn, đắt hơn.

Nhỏ, gọn, rẻ.

Công cụ lập trình

Trực tiếp

Qua máy tính và thiết bị nạp

Môi trường hoạt động

Máy tính nhúng công
nghiệp đảm bảo sự hoạt
động lâu dài trong môi
trường khắc ngiệt.

Không sử dụng trong công
nghiệp nơi có môi trường
khắc nghiệt được.