Xây dựng hệ thống giám sát phòng máy dựa trên công nghệ iot

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HẢI LÂM

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT PHÒNG MÁY
DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ IoT

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KHOA HỌC MÁY TÍNH

Đà Nẵng, năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HẢI LÂM

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT PHÒNG MÁY
DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ IoT
Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH
Mã số: 60.48.01.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN TẤN KHÔI

Đà Nẵng, năm 2018

i

LỜI CAM ĐOAN
Những nội dung trình bày trong luận văn là những kiến thức của riêng cá nhân tôi
tích lũy trong quá trình học tập, nghiên cứu, không sao chép lại một công trình nghiên
cứu hay luận văn của bất cứ tác giả nào khác.
Trong nội dung của nội dung của luận văn, những phần tôi nghiên cứu, trích dẫn
đều được nêu trong phần các tài liệu tham khảo, có nguồn gốc, xuất xứ, tên tuổi của các
tác giả, nhà xuất bản rõ ràng.
Những điều tôi cam kết hoàn toàn là sự thật, nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức xử
lý kỷ luật theo quy định.

Tác giả luận văn

Nguyễn Hải Lâm


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i
MỤC LỤC ..................................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..........................................................................iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................vi
LỜI CẢM ƠN ...............................................................................................................ix
ĐẶT VẤN ĐỀ.................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IOT ................................................3
1.1 Giới thiệu ...............................................................................................................3
1.2 Mô hình hệ thống IoT .......................................................................................... 6
1.2.1 Tầng ứng dụng ................................................................................................ 6

1.2.2 Hỗ trợ dịch vụ và tầng hỗ trợ ứng dụng ..................................................... 7
1.2.3 Tầng mạng.......................................................................................................7
1.2.4 Tầng thiết bị ....................................................................................................7
1.3 Các thành phần của một hệ thống IoT ............................................................... 8
1.3.1 Đặc tính cơ bản ............................................................................................... 8
1.3.2 Yêu cầu ở mức cao đối với một hệ thống IoT ..............................................8
1.3.3 Thành phần cơ bản của hệ thống IoT ........................................................ 10
1.4 Các công nghệ ứng dụng trong IoT ..................................................................12
1.4.1 Công nghệ ......................................................................................................12
1.4.2 Giao thức truyền thông ................................................................................14
1.5 Các ứng dụng của IoT ........................................................................................ 16
1.6 Tổng quan vấn đề cần nghiên cứu ....................................................................20
1.6.1 Tính cấp thiết ứng dụng IoT để giám sát môi trường phòng máy
chủ MobiFone ........................................................................................................20


iii
1.6.2 Tổng quan các nghiên cứu đã có .................................................................22
1.7 Kết chương ..........................................................................................................24
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG IoT GIÁM SÁT MÔI
TRƯỜNG ..................................................................................................................25
2.1 Phát biểu bài toán ............................................................................................... 25
2.2 Thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống IoT giám sát ....................................26
2.2.1 Kiến trúc hệ thống IoT giám sát .................................................................26
2.2.2 Mô hình giao tiếp của hệ thống ...................................................................27
2.2.3 Đặc tả các khối chức năng của hệ thống .................................................... 28
2.3 Thiết kế chi tiết các chức năng chính của hệ thống IoT giám sát ..................29
2.4 Phân tích và lựa chọn các công nghệ triển khai hệ thống .............................. 29
2.4.1 Công nghệ thiết bị......................................................................................... 29
2.4.2 Công nghệ truyền thông ..............................................................................39

2.4.3 Công nghệ lập trình...................................................................................... 40
2.6 Kết chương ..........................................................................................................43
CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ
KẾT QUẢ ..................................................................................................................... 44
3.1 Môi trường triển khai ........................................................................................ 44
3.2 Kịch bản ..............................................................................................................44
3.3 Chương trình hệ thống IoT giám sát môi trường phòng máy chủ ................48
3.3.1 Xây dựng chương trình ................................................................................48
3.3.2 Một số kết quả chạy thử nghiệm .................................................................59
3.3.3 Đánh giá kết quả ........................................................................................... 62
KẾT LUẬN ..................................................................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 64


iv

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT PHÒNG MÁY DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ
IoT
Học viên: Nguyễn Hải Lâm
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: ………………………… Khóa: 34, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt - Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của con
người đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ
công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Và khái niệm “Internet of Things”
không còn xa lạ và mới mẻ với chúng ta. Một thế giới mà mọi thứ trong cuộc sống được
kết nối với Internet để truyền tải, trao đổi dữ liệu, từ đó người dùng có thể tương tác, điều
khiển và kiểm soát mọi hoạt động trong cuộc sống thông qua những thiết bị thông minh
như điện thoại hoặc máy tính bảng.
Những dự án phát triển Internet of Things đang nổi lên ở rất nhiều công ty công nghệ trên
toàn thế giới. Hiện tại chỉ có khoảng 300 nghìn lập trình viên tham gia IoT nhưng đến 2020,

thế giới sẽ cần tới 4.5 triệu lập trình viên. Một sản phẩm của Internet of Things đang phổ
biến hiện nay đó l à Raspberry Pi. Một thiết bị phần cứng có chức năng tương tự như một
chiếc máy tính thu nhỏ, phục vụ cho nhiều nhu cầu khác nhau như: học tập, giải trí, điều
khiển các thiết bị phần cứng khác…
Luận văn tập trung nghiên cứu và Xây dựng hệ thống giám sát phòng máy dựa trên công
nghệ IoT nhằm mục tiêu xây dựng một thiết bị IoT để giám sát các thông số độ ẩm và nhiệt
độ cho phòng máy chủ MobiFone với 40 tủ Rack và hơn 150 thiết bị.
Từ khóa - Internet vạn vật, giám sát phòng máy, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến hình
ảnh.
BUILDING SYSTEM OF MACHINE ROOM SURVEILLANCE BASED ON IoT
TECHNOLOGY
Abstract – Today, the strong development of science and technology, human life has
changed better and better, with modern equipment to serve the industrialization and
modernization of the country. And the concept of "Internet of Things" is no longer strange
and new to us. A world in which everything in life is connected to the Internet to transmit
and exchange data, from which users can interact, control and control all activities in life
through smart devices. like phone or tablet.
Internet of Things development projects are emerging in many technology companies
around the world. Currently there are only about 300,000 programmers participating in IoT
but by 2020, the world will need 4.5 million programmers. A product of today's popular
Internet of Things is the Raspberry Pi. A hardware device has the same function as a
miniature computer, serving many different needs such as learning, entertainment,
controlling other hardware devices ...
Thesis focuses on researching and building monitoring system based on IoT technology to
build an IoT device to monitor humidity and temperature parameters for MobiFone server
room with 40 Rack cabinets and more than 150 devices.
Key words – Internet of things, monitoring machine room, temperature sensor, humidity,
image sensor.

v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ

Nội dung

Diễn giải

IoT

Internet of Things

Mạng lưới vạn vật kết nối
Internet

RFID

Radio Frequency Identification

Nhận dạng bằng sóng vô tuyến

NFC

Near-Field Communications

Công nghệ giao tiếp tầm ngắn

WiFi

Wireless Fidelity

Hệ thống mạng không dây sử
dụng sóng vô tuyến

ABR

Activity Based Recording

Camera hoạt động dựa trên các
thuật toán nhúng

FullHD

Full High Definition

Độ phân giải 1920 × 1080 điểm
ảnh với tỷ lệ khung khung hình
16:9

SoC

System-On-Chip

Hệ thống trên một vi mạch

GPU

Graphics Processing Unit

Bộ xử lý chuyên dụng nhận
nhiệm vụ tăng tốc, xử lý đồ họa
cho bộ xử lý trung tâm

GPIO

General Purpose Input Output

Cổng vạn năng là các chân tín
hiệu có thể nhập lẫn xuất


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH
STT

Mã số

Tên hình vẽ

Trang

1

Hình 1.1

Kết nối mọi vật

3

2

Hình 1.2

Hệ thống IoT từ góc nhìn kỹ thuật

4

3

Hình 1.3

Các loại thiết bị khác nhau và mối quan hệ

5

4

Hình 1.4

Mô hình hệ thống IoT

6

5

Hình 1.5

Các thành phần của nền tảng cơ bản IoT

10

6

Hình 1.6

Công nghệ RFID

13

7

Hình 1.7

Công nghệ NFC

14

8

Hình 1.8

Giao thức Bluetooth

14

9

Hình 1.9

Giao thức Z- Wave

15

10

Hình 1.10

Giao thức WiFi

16

11

Hình 1.11

Nhà thông minh

17

12

Hình 1.12

Mô hình thành phố thông minh

18

13

Hình 1.13

Thiết bị chăm sóc sức khỏe thông minh

19

14

Hình 1.14

Mô hình nông nghiệp thông minh

19

15

Hình 1.15

16

Hình 1.16

17

Hình 1.17

18

Hình 1.18

19

Hình 1.19

Hệ thống camera giám sát

24

20

Hình 2.1

Hình ảnh phòng máy chủ MobiFone

25

21

Hình 2.2

Kiến trúc hệ thống IoT giám sát

26

22

Hình 2.3

Mô hình giao tiếp của hệ thống

27

23

Hình 2.4

Mô hình hoạt động biểu diễn trên use-case

28

Mô hình kết nối hệ thống mạng của Công ty Dịch
vụ MobiFone KV3
Hình ảnh phòng máy chủ MobiFone
Hình ảnh thiết bị SAN V700 bị hỏng hệ thống làm
mát
Hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm kho đông
lạnh

20
21
22

23


vii
Mô hình hoạt động của chương trình biểu diễn

24

Hình 2.5

25

Hình 2.6

Mô hình thiết kế các chức năng chính

29

26

Hình 2.7

Bảng mạch máy tính Raspberry Pi

30

27

Hình 2.8

Cấu tạo của Raspberry Pi

31

28

Hình 2.9

Sơ đồ các chân cắm của Raspberry Pi

33

29

Hình 2.10

Thiết bị cảm biến DHT22

34

30

Hình 2.11

Cách kết nối thiết bị cảm biến và Raspberry Pi3

36

31

Hình 2.12

Thiết bị Camera Module NoIR V2

37

32

Hình 2.13

Hình ảnh kết nối thiết bị Camera với Raspberry Pi

38

33

Hình 2.14

Công nghệ kết nối WiFi

39

34

Hình 2.15

Công nghệ lập trình Python

40

35

Hình 2.16

Hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQLite

41

36

Hình 2.17

Web frameworks Flask

42

37

Hình 2.18

Mô hình công nghệ lập trình hệ thống IoT giám sát

42

38

Hình 3.1

Môi trường triển khai hệ thống IoT giám sát

44

39

Hình 3.2

40

Hình 3.3

41

Hình 3.4

42

Hình 3.5

43

Hình 3.6

Cài đặt đệ điều hành Raspbian vào thẻ nhớ

44

Hình 3.7

Màn hình Terminal của Pi để gõ lệnh config

50

45

Hình 3.8

Chọn cấu hình để đặt tên máy

51

46

Hình 3.9

Cấu hình thay đổi mật khẩu

51

dưới dạng sơ đồ

Mô hình kịch bản đo thông số môi trường và cảnh
báo
Sơ đồ hệ thống đo thông số môi trường phòng máy
chủ và cảnh báo
Mô hình kịch bản camera nhận diện hình ảnh và
cảnh báo
Sơ đồ hệ thống camera nhận diện hình ảnh và cảnh
báo

28

45

46

47

48


viii
47

Hình 3.10

Cấu hình chọn chế độ khởi động

52

48

Hình 3.11

Cấu hình chọn chế độ khởi động tiếp theo

52

49

Hình 3.12

Cấu hình chọn ngôn ngữ

53

50

Hình 3.13

Cấu hình chọn múi giờ

54

51

Hình 3.14

Cấu hình chọn múi giờ HCM

54

52

Hình 3.15

Cấu hình thay đổi password của root

54

53

Hình 3.16

Cấu hình cho phép chọn SSH

55

54

Hình 3.17

Cấu hình phần mềm Putty

56

55

Hình 3.18

Màn hình hiển thị của phần mềm Putty

56

56

Hình 3.19

Mô hình cài đặt phần mềm hệ thống giám sát IoT

57

57

Hình 3.20

Màn hình cài đặt phần mền

58

58

Hình 3.21

Kiểm tra thông số hoạt động của cảm biến

59

59

Hình 3.22

Cài đặt cơ sở dữ liệu SQLite

59

60

Hình 3.23

Mô hình sử dụng chương trình

60

61

Hình 3.24

62

Hình 3.25

Hình ảnh chương trình quản lý hệ thống IoT giám
sát phòng máy chủ
Hình ảnh cảnh báo qua tin nhắn điện thoại

60
61


ix

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn PGS.TS
Nguyễn Tấn Khôi, Khoa Công nghệ thông tin - Trường Đại học Bách Khoa - Đại học
Đà Nẵng, đã dành nhiều thời gian tận tình chỉ bảo, định hướng và đưa ra nhiều góp ý
quý báu trong quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy giáo, cô giáo trong
khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng đã dạy bảo,
trang bị cho tôi những kiến thức quý báu, bổ ích và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt
quá trình em học tập và nghiên cứu tại trường.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và quý cơ quan
đã tạo điều kiện cũng như luôn bên em cổ vũ, động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình
học tập và thực hiện luận văn.
Do có nhiều hạn chế về thời gian và kiến thức nên luận văn không tránh khỏi những
thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô và mọi
người cùng quan tâm.

Tác giả luận văn

Nguyễn Hải Lâm


1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của con
người đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ
công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Và khái niệm “Internet of Things”
không còn xa lạ và mới mẻ với chúng ta. Một thế giới mà mọi thứ trong cuộc sống được
kết nối với Internet để truyền tải, trao đổi dữ liệu, từ đó người dùng có thể tương tác,
điều khiển và kiểm soát mọi hoạt động trong cuộc sống thông qua những thiết bị thông
minh như điện thoại hoặc máy tính bảng.
Đánh giá về tình hình phát triển của Internet trong nước thời gian qua, Việt Nam
đang phát triển nhanh về số lượng người sử dụng Internet và các thiết bị số, nhất là mạng
xã hội và thiết bị di động. Internet Việt Nam có hạ tầng mạng phát triển khá bền vững
với ADSL, TV cable, đặc biệt là hạ tầng cáp quang ở các thành phố lớn. Hiện nay, mặc
dù khái niệm IoT đã trở nên khá quen thuộc và được ứng dụng khá nhiều trong các lĩnh
vực của đời sống con người, đặc biệt ở các nước phát triển có nền khoa học công nghệ
tiên tiến. Tuy nhiên, những công nghệ này chưa được áp dụng một cách rộng rãi ở nước
ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng.
Những dự án phát triển Internet of Things đang nổi lên ở rất nhiều công ty công
nghệ trên toàn thế giới. Hiện tại chỉ có khoảng 300 nghìn lập trình viên tham gia IoT
nhưng đến 2020, thế giới sẽ cần tới 4.5 triệu lập trình viên. Một sản phẩm của Internet
of Things đang phổ biến hiện nay đó l à Raspberry Pi. Một thiết bị phần cứng có chức
năng tương tự như một chiếc máy tính thu nhỏ, phục vụ cho nhiều nhu cầu khác nhau
như: học tập, giải trí, điều khiển các thiết bị phần cứng khác…
Được sự định hướng người hướng dẫn, tôi đề xuất đề tài Xây dựng hệ thống giám

sát phòng máy dựa trên công nghệ IoT nhằm mục tiêu xây dựng một thiết bị IoT để
giám sát các thông số độ ẩm và nhiệt độ cho phòng máy chủ MobiFone với 40 tủ Rack
và hơn 150 thiết bị.
Bố cục luận văn được tổ chức như sau:
Chương 1. Tổng quan về IoT


2
Chương này, luận văn sẽ trình bày tổng quan về IoT, ứng dụng của IoT.
Chương 2. Phân tích thiết kế hệ thống IoT giám sát
Chương này, trình bày xây dựng bài toán, phân tích các chức năng hệ thống
và mô hình hệ thống, thiết kế các chức năng.
Chương 3. Triển khai hệ thống và đánh giá kết quả
Trên cơ sở nghiên cứu cơ bản về IoT, thiết bị cảm biến thông dụng, đồng thời
xuất phát từ thực tiễn phục vụ công việc giám sát nhiệt độ phòng máy chủ nơi tôi
làm việc, tôi xây dựng một chương trình thực nghiệm (trên các thiết bị thật) để
giám sát các thông số về môi trường (nhiệt độ và độ ẩm). Sau đó, tôi chạy thử
nghiệm chương trình, đánh giá các kết quả đạt được và so sánh với mục tiêu, yêu
cầu đặt ra đối với luận văn.


3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IOT
1.1 Giới thiệu
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. Như hình dưới, 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).

Hình 1.1: 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.


4
“Things” trong IoT có thể là đối tượng vật lý (Physical) hoặc là đối tượng thông
tin (hay còn gọi là đối tượng ảo – Virtual). Hai loại đối tượng này có thể ánh xạ
(mapping) qua lại lẫn nhau. Một đối tượng vật lý có thể được trình bày hay đại diện bởi
một đối tượng thông tin, tuy nhiên một đối tượng thông tin có thể tồn tại mà không nhất
thiết phải được ánh xạ từ một đối tượng vật lý nào.

Hình 1.2: Hệ thống IoT từ góc nhìn kỹ thuật
Một “thiết bị” là một phần của hệ thống IoT. Chức năng bắt buộc của một thiết bị
là giao tiếp, và chức năng không bắt buộc là cảm biến, thực thi, thu thập dữ liệu, lưu trữ
dữ liệu và xử lý dữ liệu. Các thiết bị thu thập các loại thông tin khác nhau và cung cấp
các thông tin đó cho các mạng lưới khác nơi mà thông tin được tiếp tục xử lý. Một số
thiết bị cũng thực hiện các hoạt động dựa trên thông tin nhận được từ mạng lưới.
Truyền thông thiết bị - thiết bị: Có 3 cách các thiết bị sẽ giao tiếp lẫn nhau. (a) Các

thiết bị giao tiếp thông qua các mạng lưới thông tin liên lạc gọi là cổng vào, hoặc (b)
các thiết bị giao tiếp qua mạng lưới thông tin liên lạc mà không có một cổng vào, hoặc
(c) các thiết bị liên lạc trực tiếp với nhau qua mạng nội bộ.
Mặc dù ta thấy chỉ có sự tương tác diễn ra ở vật lý (các thiết bị giao tiếp với nhau).
Thực ra vẫn còn hai sự tương tác khác đồng thời diễn ra. Đó là tương tác điều ảo (trao
đổi thông tin giữa các điều ảo), và tương tác giữa vật lý và điều ảo.
Các ứng dụng IoT rất đa dạng, ví dụ, “hệ thống giao thông thông minh”, “Lưới
điện thông minh”, “sức khỏe điện tử”, hoặc “nhà thông minh”. Các ứng dụng có thể


5
được dựa trên một nền tảng riêng biệt, cũng có thể được xây dựng dựa trên dịch vụ
chung, chẳng hạn như chứng thực, quản lý thiết bị, tính phí, thanh toán…
Các mạng truyền thông chuyển dữ liệu được thu thập từ thiết bị đến các ứng dụng
và thiết bị khác, và ngược lại, các mạng lưới này cũng chuyển các mệnh lệnh thực thi từ
ứng dụng đến các thiết bị. Vai trò của mạng truyền thông là truyền tải dữ liệu một cách
hiệu quả và tin cậy.

Hình 1.3: Các loại thiết bị khác nhau và mối quan hệ

Yêu cầu tối thiểu của các thiết trong IoT là khả năng giao tiếp [2]. Thiết bị sẽ được
phân loại vào các dạng như thiết bị mang thông tin, thiết bị thu thập dữ liệu, thiết bị cảm
ứng, thiết bị thực thi:
❖ Thiết bị mang dữ liệu: Một thiết bị mang thông tin được gắn vào một vật lý để
gián tiếp kết nối các vật lý với các mạng lưới thông tin liên lạc.
❖ Thiết bị thu thập dữ liệu: Một thiết bị thu thập dữ liệu có thể được đọc và ghi,
đồng thời có khả năng tương tác với vật lý. Sự tương tác có thể xảy ra một cách gián
tiếp thông qua thiết bị mang dữ liệu, hoặc trực tiếp thông dữ liệu gắn liền với vật lý.
Trong trường hợp đầu tiên, các device thu thập dữ liệu sẽ đọc thông tin từ một thiết bị
mang tin và có ghi thông tin từ các mạng và các thiết bị mang dữ liệu.

❖ Thiết bị cảm ứng và thiết bị thực thi: Một thiết bị cảm nhận và thiết bị thực thi
có thể phát hiện hoặc đo lường thông tin liên quan đến môi trường xung quanh và chuyển
đổi nó sang tín hiệu dạng số. Nó cũng có thể chuyển đổi các tín hiệu kỹ thuật số từ các


6
mạng thành các hành động (như tắt mở đèn, hù còi báo động …). Nói chung, thiết bị và
thiết bị thực thi kết hợp tạo thành một mạng cục bộ giao tiếp với nhau sử dụng công
nghệ truyền thông không dây hoặc có dây và các cổng vào.
❖ Thiết bị chung: Một thiết bị chung đã được tích hợp các mạng thông qua mạng
dây hoặc không dây. Thiết bị chung bao gồm các thiết bị và dùng cho các tên miền khác
nhau của IoT, chẳng hạn như máy móc, thiết bị điện trong nhà, và điện thoại thông minh.

1.2 Mô hình hệ thống IoT
Bất kỳ một hệ thống IoT nào cũng được xây dựng lên từ sự kết hợp của 4 lớp sau:
-

Lớp ứng dụng (Application Layer)
Lớp hỗ trợ dịch vụ và ứng dụng (Service support and application support
layer)
Lớp mạng (Network Layer)
Lớp thiết bị (Device Layer)

Hình 1.4: Mô hình hệ thống IoT
1.2.1 Tầng ứng dụng
Lớp ứng dụng cũng tương tự như trong mô hình OSI 7 lớp, lớp này tương tác trực
tiếp với người dùng để cung cấp một chức năng hay một dịch vụ cụ thể của một hệ thống
IOT.

7
1.2.2 Hỗ trợ dịch vụ và tầng hỗ trợ ứng dụng
Nhóm dịch vụ chung: Các dịch vụ hỗ trợ chung, phổ biến mà hầu hết các ứng dụng
IOT đều cần, ví dụ như xử lý dữ liệu hoặc lưu trữ dữ liệu.
Nhóm dịch vụ cụ thể, riêng biệt: Những ứng dụng IoT khác nhau sẽ có nhóm dịch
phụ hỗ trợ khác nhau và đặc thù. Trong thực tế, nhóm dịch vụ cụ thể riêng biệt là tính
toán độ tăng trưởng của cây mà đưa ra quyết định tưới nước hoặc bón phân.
1.2.3 Tầng mạng
Tầng mạng có 2 chức năng [3]:
- Chức năng Networking: cung cấp chức năng điều khiển các kết nối kết nối mạng,
chẳng hạn như tiếp cận được nguồn tài nguyên thông tin và chuyển tài nguyên đó đến
nơi cần thiết, hay chứng thực, uỷ quyền…
- Chức năng Transporting: tập trung vào việc cung cấp kết nối cho việc truyền
thông tin của dịch vụ/ứng dụng IoT.
1.2.4 Tầng thiết bị
Lớp Device chính là các phần cứng vật lý trong hệ thống IOT. Device có thể phân
thành hai loại như sau [3]:
- Thiết bị thông thường: Device này sẽ tương tác trực tiếp với network: Các thiết
bị có khả năng thu thập và tải lên thông tin trực tiếp (nghĩa là không phải sử dụng
gateway) và có thể trực tiếp nhận thông tin (ví dụ, lệnh) từ các network. Device này
cũng có thể tương tác gián tiếp với network: Các thiết bị có thể thu thập và tải network
gián tiếp thông qua khả năng gateway. Ngược lại, các thiết bị có thể gián tiếp nhận thông
tin (ví dụ, lệnh) từ network. Trong thực tế, các Thiết bị thông thường bao g m các cảm
biến, các phần cứng điều khiển motor, đèn …
Thiết bị Gateway: Gateway là cổng liên lạc giữa device và network. Một Gateway
hỗ trợ 2 chức năng sau:
❖ Có nhiều chuẩn giao tiếp: Vì các Things khác nhau có kiểu kết nối khác nhau,
nên Gateway phải hỗ trợ đa dạng từ có dây đến không dây, chẳng hạn CAN bus, ZigBee,
Bluetooth hoặc Wi-Fi. Tại Network layer, gateway có thể giao tiếp thông qua các công
nghệ khác nhau như PSTN, mạng 2G và 3G, LTE, Ethernet hay DSL.

8
❖ Chức năng chuyển đổi giao thức: Chức năng này cần thiết trong hai tình huống
là: (1) khi truyền thông ở lớp Device, nhiều device khác nhau sử dụng giao thức khác
nhau, ví dụ, ZigBee với Bluetooth, và (2) là khi truyền thông giữa các Device và
Network, device dùng giao thức khác, network dùng giao thức khác, ví dụ, device dùng
ZigBee còn tầng network thì lại dùng công nghệ 3G.
Trong thực tế, Gateway có thể được build từ các board như Raspberry Pi hay
Arduino, hoặc Gateway được sản xuất công nghiệp bởi các tập đoàn lớn như Intel hay
Texas Instrument.
1.3 Các thành phần của một hệ thống IoT
1.3.1 Đặc tính cơ bản
a. Tính kết nối liên thông 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.
b. Những dịch vụ liên quan đến “mọi thứ”: hệ thống IoT có khả năng cung cấp các
dịch vụ liên quan đến “mọi thứ”, chẳng hạn như bảo vệ sự riêng tư và nhất quán giữa
mọi thứ vậy lý và mọi thứ ảo. Để cung cấp được dịch vụ này, cả công nghệ phần cứng
và công nghệ thông tin (phần mềm) sẽ phải thay đổi.
c. Tính không đồng nhất: Các thiết bị trong IoT là không đồng nhất vì nó có phần
cứng khác nhau, và mạng lưới khác nhau. Các thiết bị giữa các mạng lưới có thể tương
tác với nhau nhờ vào sự liên kết của các mạng lưới.
d. 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.
e. 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.
1.3.2 Yêu cầu ở mức cao đối với một hệ thống IoT

Một hệ thống IoT phải thoả mãn các yêu cầu sau:


9
❖ 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 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 “Things” 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 (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. Chình 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.

10
❖ 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]
1.3.3 Thành phần cơ bản của hệ thống IoT
Theo báo cáo nghiên cứu thị trường của tổ chức IoT Analytics, kiến trúc của nền
tảng IoT hiện đại cơ bản nhất, được miêu tả bao gồm 8 thành phần như sau:

Hình 1.5: Các thành phần của nền tảng cơ bản IoT
Hình thức đơn giản nhất, một nền tảng IoT chỉ cho phép kết nối giữa “sự vật” hoặc
thiết bị. Kiến trúc cũng 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:
- Kết nối và đồng bộ hóa: Thành phần này có chức năng tích hợp đồng bộ các giao
thức khác nhau và các định dạng dữ liệu khác nhau vào một giao diện “phần mềm” đảm
bảo việc truyền dữ liệu chính xác và tương tác với tất cả các thiết bị.


11
- Quản lý thiết bị: Đây là thành phần đảm bảo kết nối “mọi thứ” hoạt động bình
thường, chạy các bản vá và cập nhật phần mềm cũng như ứng dụng đang chạy trên thiết
bị hoặc các gateways ngoại biên (EDGE gateway).
- Cơ sở dữ liệu: Đây là thành phần được coi quan trọng của một nền tảng. Ngoài
lưu trữ dữ liệu quan trọng của thiết bị, nó phải có khả năng mở rộng đáp ứng các yêu
cầu cho các cơ sở dữ liệu dựa trên đám mây. Thành phần này phải đảm bảo sự mở rộng
khối lượng, sự đa dạng, vận tốc và độ tin cậy của dữ liệu.

- Quản lý và xử lý hoạt động: Chức năng đưa dữ liệu vào hoạt động dựa trên nguyên
tắc Event-Action-Triggers cho phép thực thi các hoạt động “thông minh” dựa trên dữ
liệu từ cảm biến cụ thể.
- Phân tích: Đây có thể 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 tự phân tích, dự đoán, trích xuất những dữ liệu giá trị nhất trong
luồng dữ liệu IoT.
- Dữ liệu trực quan: 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, 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 dùng để hiển thị, quản lý và kiểm soát thiết bị kết nối.
- Các giao diện bên ngoài: Đây là nơi cho phép tích hợp với các hệ thống của bên
thứ ba và phần còn lại của hệ thống CNTT thông qua các giao diện lập trình ứng dụng
(API), các bộ phát triển phần mềm (SDK) và các gateways.
Một nền tàng có nhiệm vụ điều phối rất nhiều khía cạnh cơ bản khác nhau để có
thể tạo thành một giải pháp IoT. Chúng xác định việc làm thế nào để một thiết bị đầu
cuối kết nối với mạng, phương pháp và vị trí thu thập dữ liệu… Điều quan trọng nhất
có lẽ làm thế nào dữ liệu đó có thể được sử dụng để tạo ra các giá trị cốt lõi.
Dưới đây là một ví dụ minh họa hoạt động của một nền tảng IoT trên một thiết bị
thông minh. Trong trường hợp một máy giặt thông minh gặp sự cố do áp suất nước bị


12
giảm, nền tảng IoT sẽ thực thi hành động được chỉ định sẵn: Tắt máy; gửi thông báo cho
người dùng và cho trung tâm dịch vụ khách hàng

Hình 1.5: Nền tảng IoT kích hoạt và thực hiện các hành động
Nền tảng IoT liên kết các máy móc, thiết bị, ứng dụng và con người với các trung

tâm dữ liệu và điều khiển. Một nền tảng lớn, tiên tiến vượt xa các khả năng kết nối và
hành động bằng cách tách các mô đun nền tảng khác nhau, cho phép tích hợp liền mạch
ở lớp giao diện bên ngoài cũng như hỗ trợ nhiều giao thức và tiêu chuẩn. Nó không chỉ
giới hạn trong một trung tâm điều hành cố định mà còn có thể được truy cập và quản lý
từ nhiều điểm địa phương khác nhau. Dữ liệu từ một nền tảng hệ sinh thái luôn có thể
được thu thập, ưu tiên, sắp xếp và khai thác dữ liệu trực tuyến hoàn toàn. Đây là một
đặc điểm quan trọng trong thời kỳ khi mà máy móc, cảm biến và các vật thể khác đang
bắt đầu tạo ra một khối lượng thông tin mới khổng lồ.
1.4 Các công nghệ ứng dụng trong IoT
1.4.1 Công nghệ

- Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) cho phép một thiết bị
đọc thông tin chứa trong chip không tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa, không
thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào hoặc giữa hai vật không nhìn thấy. . Công


13
nghệ này cho ta phương pháp truyền, nhận dữ liệu từ một điểm đến điểm khác.
Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thông không dây trong dải tần sóng vô tuyến để
truyền dữ liệu từ các tag (thẻ) đến các reader (bộ đọc).

Hình 1.6: Công nghệ RFID
Tag có thể được đính kèm hoặc gắn vào đối tượng được nhận dạng chẳng hạn sản
phẩm, hộp hoặc giá kệ (pallet). Reader scan dữ liệu của tag và gửi thông tin đến cơ sở
dữ liệu có lưu trữ dữ liệu của tag. Chẳng hạn, các tag có thể được đặt trên kính chắn gió
xe hơi để hệ thống thu phí đường có thể nhanh chóng nhận dạng và thu tiền trên các
tuyến đường.

- NFC (Near-Field Communications) là công nghệ kết nối không dây phạm vi tầm
ngắn trong khoảng cách 4 cm, sử dụng cảm ứng từ trường để thực hiện kết nối giữa các

thiết bị khi có sự tiếp xúc trực tiếp hay để gần nhau. NFC được phát triển dựa trên
nguyên lý nhận dạng bằng tín hiệu tần số vô tuyến (Radio-frequency identification RFID), hoạt động ở dải băng tần 13.56 MHz và tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa 424 Kbps.
Do khoảng cách truyền dữ liệu khá ngắn nên giao dịch qua công nghệ NFC được xem
là an toàn.


14

Hình 1.7: Công nghệ NFC
Thiết bị được trang bị NFC thường là điện thoại di động, có thể giao tiếp với các
thẻ thông minh, đầu đọc thẻ hoặc thiết bị NFC tương thích khác. Ngoài ra, NFC còn
được kết hợp nhiều công nghệ sử dụng trong các hệ thống công cộng như bán vé, thanh
toán hóa đơn…
1.4.2 Giao thức truyền thông
- Bluetooth là một công nghệ không dây cho phép truyền thông giữa các thiết bị
với nhau mà không cần cáp và dây dẫn. Nó là một chuẩn điện tử, điều đó có nghĩa là
các hãng sản xuất muốn có đặc tính này trong sản phẩm thì họ phải tuân theo các yêu
cầu của chuẩn này đối cho sản phẩm của mình. Những chỉ tiêu kỹ thuật này bảo đảm
cho các thiết bị có thể nhận ra và tương tác với nhau khi sử dụng công nghệ Bluetooth.

Hình 1.8: Giao thức Bluetooth