Xây dựng hệ thống giám sát thời tiết dựa trên nền tảng iot

-i-

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

BÙI HỒNG DŨNG

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT THỜI TIẾT
DỰA TRÊN NỀN TẢNG IoT

Chuyên ngành :Khoa học máy tính
Mã số: 60.48.01.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. VÕ TRUNG HÙNG

Đà Nẵng – Năm 2017


- ii -

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. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp
pháp. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu
hoàn toàn trách nhiệm.

Tác giả

Bùi Hồng Dũng


- iii -

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA ...........................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ..................................................................................................v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................... viii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
Chương 1 - NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ....................................................................4
1.1 Internet of things ....................................................................................................4
1.1.1 Một số khái niệm ............................................................................................ 4
1.1.2 Các vấn đề kỹ thuật liên quan đến IoT ........................................................... 6
1.1.3 Kết nối các thiết bị di động và xác định vị trí ................................................8
1.2 Hệ thống cảm biến môi trường Tinkerforge ........................................................ 14
1.2.1 Một số khái niệm về Tinkerforge .................................................................14
1.2.2 Các ưu điểm của cảm biến Tinkerforge ....................................................... 15
1.2.3 Các thông số kỹ thuật cơ bản của Bricks ..................................................... 17
1.3 Tổng quan về điện toán đám mây dành cho IoT của Microsoft .......................... 20
1.3.1 Giải pháp IoT trên nền điện toán đám mây của Microsoft........................... 20
1.3.2 Trung tâm xử lý dịch vụ hỗ trợ các thiết bị IoT ...........................................23
1.4 Một số hệ thống giám sát thời tiết hiện nay ........................................................ 26
1.4.1 Davis 6250 Vantage Vue ..............................................................................26

1.4.2 Ambient Weather WS-1001 Wifi .................................................................26
1.4.3 Các hệ thống giám sát thời tiết sử dụng nền tảng IoT ..................................26
Chương 2 - ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ..............................................................................28
2.1 Giới thiệu bài toán ............................................................................................... 28
2.2 Mô hình đề xuất ...................................................................................................29
2.3 Đề xuất hệ thống phần cứng ................................................................................30
2.3.1 Master Brick .................................................................................................30


- iv 2.3.2 Hệ thống cảm biến môi trường: ....................................................................31
2.3.3 Hệ thống hiển thị số liệu ...............................................................................36
2.4 Đề xuất cách kết nối các cảm biến ......................................................................37
2.4.1 Brick Deamon ............................................................................................... 37
2.4.2 Cách kết nối các hàm API của cảm biến ...................................................... 38
2.4.3 Brick MQTT Proxy và quản lý Brick bằng Rasberry PI .............................. 40
2.5 Giới thiệu cách gởi dữ liệu lên AZURE IoT Suite ..............................................41
2.5.1 Cấu trúc của giải pháp IoT trên Azure ......................................................... 41
2.5.2 Quản lý thiết bị IoT bằng Azure IoT Hub .................................................... 42
2.5.3 Tiếp nhận và xử lý dữ liệu từ thiết bị IoT .................................................... 46
Chương 3 - PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG ......................................................................49
3.1 Lựa chọn công cụ phát triển ................................................................................49
3.1.1 Xây dựng hệ thống và kết nối các cảm biến.................................................49
3.1.2 Cấu hình và lựa chọn các ngôn ngữ lập trình ...............................................51
3.2 Phát triển các module chương trình .....................................................................51
3.2.1 Hiển thị dữ liệu lên màn hình LCD .............................................................. 51
3.2.2 Hiển thị dữ liệu lên màn hình máy vi tính .................................................... 53
3.2.3 Gởi dữ liệu lên Azure IoT Hub và hiển thị trên Power BI ........................... 54
3.3 Thử nghiệm và đánh giá ...................................................................................... 60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 63
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................64

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) Error! Bookmark not defined.
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 65


-v-

TÓM TẮT LUẬN VĂN

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT THỜI TIẾT
DỰA TRÊN NỀN TẢNG IoT
Học viên: Bùi Hồng Dũng

Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 60.48.01

Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Khóa: K31

Tóm tắt: Khái niệm Internet of Things (IoT) đang ngày càng trở nên phổ biến và được
ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống, là một phần không thể thiếu trong Cuộc
cách mạng công nghiệp lần thứ 4. Cùng với đó, khi mà sự biến đổi về thời tiết đang
diễn ra một lúc một phức tạp, yêu cầu cần có những phương pháp thu thập dữ liệu đủ
tốt, đủ lớn và thời gian thực để có thể tiến hành phân tích và đưa ra dự đoán một cách
gần chính xác nhất tình hình thời tiết là một nhu cầu cấp thiết.
Nếu như trước đây việc thu thập dữ liệu dựa vào các thiết bị điện tử chuyên
dùng đặt cách xa nhau, sau đó theo một lịch trình sẵn có để tiến hành thu thập số liệu
và phân tích. Trong luận văn này, sẽ nghiên cứu và đưa ra một giải pháp nhằm kết nối
các cảm biến môi trường, số hóa dữ liệu và tận dụng hạ tầng mạng sẵn có để tiến hành

trao đổi dữ liệu lên nền tảng điện toán đám mây một cách nhanh nhất. Từ đó có thể sử
dụng các dữ liệu đã thu thập được ở các trạm giám sát để phục vụ cho các nhu cầu
khác nhau trong cuộc sống.
Từ khóa: Internet of things, cảm biến thời tiết, điện toán đám mây, Microsoft Azure
IoT Hub.
BUILDING THE WEATHER MONITORING SYSTEM
USING IoT PLATFORM
Abstract: Nowadays, the concept about Internet of Things are more public and very
useful in many kind of life. It is an indispensable part of the Age we offen call “The
Fourth Industrial Revolution”. And the climate change pose are more complexility, it
affect the life, the food and mankind. Therefore, we need to have useful methods to
collect data correctly, much quantity and realtime to analysic and predict the weather
is the most exactly.
As before, to received data we need a specialized equipment in Weather Station
location in a difference areas and get it in schedule by hand, calculated base on some
algorithm model to forcast the weather. In this Thesis, we will research and resolved
the problem to interlinks enviroment sensors, digitizing the collect data and transform
base on the Internet, storage and analytics in the cloud in quickest way. We
collectively describe as the ‘Internet of Things’ will continue an ages-old trend of new
technology to serve many kind on businesses, industry, government, and society more
broadly.
Key words: Internet of Things, weather sensor, cloud computing, Microsoft Azure
IoT Hub.


- vi -

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU:
Lux

Đơn vị cường độ ánh sáng

Mbar

Đơn vị đo áp suất khí quyển

RH

Đơn vị đo độ ẩm khí quyển

0

Đơn vị đo nhiệt độ khí quyển

C

CÁC CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG ANH:
IoT

Internet of Things

M2M

Machine to Machine

MQTT Message Queuing Telemetry Transport


- vii -

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số
hiệu
bảng
1.1
1.2
1.3
3.4
3.5
3.6

Tên bảng

Trang

Sơ đồ chân kết nối dữ liệu của Ngăn xếp
Sơ đồ chân kết nối nguồn của Ngăn xếp
Sơ đồ chân kết nối Bricklet
Kết quả kiểm tra dữ liệu môi trường phòng làm việc, tốc độ gió quạt
Kết quả kiểm tra dữ liệu môi trường ngoài trời, tốc độ gió tự nhiên
Kết quả kiểm tra dữ liệu môi trường trên nhà cao tầng

17
19
19
61
61
61

- viii -

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình vẽ
1.1
1.2
1.3
1.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
2.16
2.17
2.18
2.19
3.20
3.21
3.22
3.23
3.24

3.25
3.26
3.27
3.28

Tên hình vẽ
Lịch sử phát triển của các công nghệ thiết bị di động
Mô hình giải pháp IoT của Azure
Bảng điều khiển hiển thị giải pháp IoT điển hình
Mô hình xử lý của Azure IoT Hub
Mô hình một hệ thống giám sát thời tiết
Sơ đồ kết nối một Brick
Bricklet Barometer
Ambient Light Bricklet
Humidity Bricklet
Cảm biến đo tốc độ gió
Cảm biến đo hướng gió
Analog in Bricklet
LCD 20x4 Briclet
Yêu cầu quản lý thiết bị IoT
Vòng đời thiết bị IoT trong Azure IoT
Tiến trình Reboot và Reset thiết bị trong Azure IoT Hub
Cấu hình thiết bị trong Azure IoT Hub
Quá trình cập nhật firmware của thiết bị trong IoT Hub
Quá trình báo cáo tiến trình và trạng thái
Danh sách cảm biến kết nối hiển thị bởi Brick Viewer
Kết quả hiển thị ra màn hình máy vi tính
Màn hình xác định chuỗi kết nối chính
Khởi tạo thiết bị đồng bộ trên Azure Portal
Khởi tạo chuỗi kết nối đồng bộ thiết bị

Xây dựng một luồng phân tích dữ liệu
Quá trình khởi tạo một luồng phân tích dữ liệu
Dữ liệu được trích xuất ra Power BI của Microsoft
Hình ảnh hệ thống giám sát thời tiết thực tế

Trang
08
21
23
24
30
31
32
32
33
34
35
36
37
43
44
45
45
46
46
50
54
55
56
57

58
59
60
61


-1-

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, với sự gia tăng dân số và phát triển kinh tế của con người đã tác động
vào môi trường một lượng khí thải vô cùng lớn, kèm theo đó là việc suy giảm diện tích
cây xanh đã làm cho bầu khí quyển trái đất ngày càng nóng lên. Chính sự biến đổi khí
hậu diễn ra ngày càng nghiêm trọng làm băng tan, nước biển dâng cao, dẫn đến nhiều
hiện tượng bất thường của thời tiết như bão lũ và hạn hán diễn ra phức tạp. Điển hình
là cơn bão Miriane vào tháng 7 năm 2016 tuy cường độ không mạnh nhưng đã gây ra
thiệt hại vô cùng lớn cho khu vực phía Bắc và Tây Bắc Bộ. Thậm chí nhiều địa
phương không nằm trong tâm bão như Hà Nội mà vẫn chịu ảnh hưởng, thiệt hại không
nhỏ. Nguyên nhân chính là việc cảnh báo biến đổi thời tiết ở Việt Nam vẫn chủ yếu sử
dụng các thiết bị, kỹ thuật chưa hiện đại, dẫn đến nhiều sai số, khiến kết quả dự báo bị
sai lệch so với thực tế. công tác dự báo chưa chính xác và kịp thời dẫn đến sự chủ quan
trong việc phòng và chống bão lũ.
Ở các nước tiên tiến trên thế giới như: Hàn Quốc, Nhật Bản, Thái-lan... có thể
đưa ra các cảnh báo, dự báo gần đúng nhất vì có một mạng lưới ra-đa, hệ thống quan
trắc tự động dày đặc, phủ kín lãnh thổ, thu thập các dữ liệu thông qua cảm biến được
gắn trên các thiết bị như: máy bay, phao cứu sinh trên biển, khí cầu, vệ tinh... Số liệu
sẽ liên tục được truyền về hệ thống thông qua mạng Internet hoặc vệ tinh trong vòng
chưa tới một phút. Ngay cả việc giải mã, phân tích cũng được siêu máy tính thực hiện,
các dự báo viên chỉ là người tiếp nhận và đưa ra quyết định. Tại Việt Nam, hiện nay,
việc dự báo sẽ mất nhiều thời gian do vẫn làm bằng phương thức "thủ công". Tức là để

đưa ra một bản tin dự báo thời tiết, các quan trắc viên trực tiếp thực hiện việc thu thập
thông tin tại hiện trường, sau đó mã hóa và gửi đi (mất gần 30 phút). Khi tiếp nhận
được thông tin, hệ thống sẽ giải mã, đưa lên các mô hình dự báo, các dự báo viên sẽ
phân tích và đưa ra các cảnh báo dựa trên số liệu nhận được. Mặt khác, để tăng xác
suất dự báo, số liệu quan trắc của từng quốc gia sẽ được đưa vào mô hình để đồng hóa
các số liệu cho phù hợp. Nhưng, ở Việt Nam, mỗi trạm quan trắc chỉ có thể quan sát,
ghi nhận thông tin trong bán kính khoảng 20 km. Khoảng cách giữa hai trạm lại cách
nhau từ 50 km đến 100 km, như vậy ít nhất 60 km giữa hai trạm không thể nắm được
thông tin, diễn biến chính xác các hiện tượng đang xảy ra. Số lượng trạm quan trắc rất
ít, dẫn đến việc quan trắc không đầy đủ, cho nên mặc dù đã có tất cả các mô hình hiện
đại trên thế giới, nhưng kết quả dự báo ở các mô hình vẫn chưa đủ độ tin cậy, cho nên
số liệu có độ chính xác thấp
Như vậy, để đảm bảo công tác việc dự báo thời tiết được chính xác và kịp thời
thì cần có ba yếu tố chính là “Công nghệ - Mạng lưới trạm quan sát và Hệ thống xử lý
thông tin”. Chúng ta sẽ cần có một hệ thống các trạm quan sát thời tiết với số lượng


-2nhiều và dày đặt. Các cảm biến đo được các thông số môi trường cần thiết phục vụ
công tác dự báo. Dữ liệu được truyền về trung tâm được nhanh chóng và kịp thời.
Hiện nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ đặc biệt dựa trên nền tảng
Internet of Things thì việc thu thập dữ liệu và truyền về máy chủ tập trung đã trở nên
dễ dàng hơn, đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của việc giám sát thông tin thời tiết
như giám sát được dữ liệu thời gian thực, hoạt động tự động, sử dụng năng lượng
thấp… Do đó để hỗ trợ cho việc quan trắc dữ liệu thời tiết được dễ dàng và dữ liệu
được tập trung thì tôi chọn đề tài “Xây dựng hệ thống giám sát thời tiết dựa trên
nền tảng IoT”. Với hy vọng giải pháp này được triển khai thực tế góp phần tăng
cường được khả năng dự báo thời tiết được chính xác và kịp thời, giảm bớt các rủi ro
và thiệt hại về tài sản cũng nhưng con người trong lương lai.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của đề tài là xây dựng hệ thống giám sát thời tiết sử dụng

các cảm biến môi trường và truyền tải hệ thống dữ liệu đã ghi nhận được sử dụng nền
tảng Internet of things.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài này bao gồm các thành phần sau:
- Các cảm biến vật lý ghi nhận được các thông số môi trường.
- Hệ thống tiếp nhận và xử lý dữ liệu dựa trên nền tảng IoT.
Phạm vi nghiên cứu
Trong khuôn khổ của luận văn sẽ tập trung vào cách ghi nhận thông tin môi
trường xung quanh thiết bị từ các cảm biến đọc và truyền tải thông tin dữ liệu về môi
trường từ các cảm biến và truyền tải thông tin qua mạng Lan, mạng Internet và truyền
tải dữ liệu lên các hệ thống điện toán đám mây để giám sát dữ liệu và phân tích theo
thời gian thực tại một trạm quan sát.
4. Phương pháp nghiên cứu
Chúng tôi sử dụng hai phương pháp chính là nghiên cứu lý thuyết và phương
pháp thực nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Với phương pháp này, chúng tôi nghiên cứu
các tài liệu về các cảm biến vật lý để đo các thông số môi trường, cách kết nối các cảm
biến bộ xử lý trung tâm. Các tài liệu về việc tiếp nhận và phản hồi thông tin giữa các
cảm biến vật lý thông qua Internet cũng như cách xử lý các dữ liệu này và hiển thị thời
gian thực trên nền tảng IoT.
Phương pháp thực nghiệm: Với phương pháp này, chúng tôi tập trung sử dụng
ngôn ngữ C# để xây dựng một trạm giám sát thời tiết kiểu mẫu thu thập các thông số
môi trường với các cảm biến vật lý phù hợp, hiển thị lên màn hình máy tính, thiết bị.


-3Sau đó tiến hành kết nối, trao đổi thông tin và phân tích dữ liệu dựa trên nền tảng
Internet of things do Microsoft cung cấp.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
Về khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần thúc đẩy việc phối hợp sử

dụng các cảm biến vật lý để thu thập và trao đổi thông thông tin trên môi trường
Internet thời gian thực để phát triển các ứng dụng trong công nghiệp cũng như trong
cuộc sống.
Về thực tiễn: Đề tài sẽ xây dựng một trạm quan sát dữ liệu tiêu biểu thu thập
thông tin về nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng, áp suất khí quyển, tốc độ gió, hướng
gió dựa trên nền tảng Internet of things. Giúp cho việc tổng hợp dữ liệu về môi trường
được nhanh chóng và trực quan để ứng dụng trong việc dự báo thời tiết hoặc các công
việc khác liên quan.
6. Cấu trúc luận văn
Nội dung báo cáo của luận văn sẽ tổ chức thành 3 chương chính:
Chương 1. Nghiên cứu tổng quan
Trong chương này, chúng tôi trình bày tổng quan về Internet of things, các cảm
biến vật lý cũng như giải pháp kết nối và trao đổi thông tin trên môi trường Internet
của Microsoft.
Chương 2. Đề xuất giải pháp
Chương 2 được dành để trình bày mô hình bài toán và các giải pháp để có thể
xây dựng một trạm quan sát môi trường sử dụng các cảm biến một cách đồng bộ. Cách
kết nối các cảm biến với nhau cũng như cách thức gởi dữ liệu từ một thiết bị vật lý sử
dụng nền tảng Internet of things.
Chương 3. Triển khai ứng dụng
Trong chương này sẽ trình bày các công cụ ngôn ngữ lập trình để phát triển ứng
dụng. Cách thức tiến hành cài đặt và cấu hình xây dựng hệ thống giám sát dữ liệu môi
trường bao gồm các hình thức hiển thị dữ liệu trên máy tính trung tâm, trên thiết bị đo
đạc và trên nền tảng Internet of things của Microsoft cho các thông số môi trường như
nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển, tốc độ gió, hướng gió và cường độ ánh sáng.


-4-

Chương 1 - NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

Trong chương này tôi sẽ trình bày một số nội dung cơ bản liên quan đến việc
hình thành và xây dựng một giải pháp tổng thể để thiết lập “Hệ thống giám sát thời tiết
dựa trên nền tảng IoT” bao gồm khái niệm về IoT, các yếu tố cấu thành nên một giải
pháp để giải quyết bài toán từ các cảm biến vật lý đến giao thức kết nối, truyền dẫn và
cuối cùng là giải pháp hỗ trợ trên nền điện toán đám mây của Microsoft.
1.1 Internet of things
1.1.1 Một số khái niệm
a) Internet of Everything (IoE)
Mặc dù khái niệm IoE nổi lên như là một sự phát triển tự nhiên của các hoạt
động IoT và sự phối hợp toàn diện với chiến lược mới của Cisco để khởi tạo một lĩnh
vực marketing mới, IoE là một khái niệm mở với tất các các vật đều được kết nối với
nhau thông qua các công nghệ. IoE có thể được xem như là tập hợp bao gồm có 3
phần:
- Con người: Được xem như là điểm cuối cùng kết nối đến Internet để chia sẻ
các thông tin và hoạt động. Ví dụ như các mạng xã hội và sức khỏe của từng cá nhân,
thông tin của các cảm biến thể chất cơ thể.
- Things: Cảm biến vật lý, thiết bị, động cơ và những thành phần khác có phát
sinh dữ liệu hoặc nhận thông tin từ các nguồn khác nhau. Ví dụ như các cảm biến nhiệt
độ thông minh hoặc các công cụ.
- Dữ liệu: Nguyên liệu thô sẽ được phân tích và xử lý để xử dụng những thông
tin hữu ích để đưa ra những quyết định thông minh và điều khiển máy móc. Ví dụ như
chúng ta căn cứ vào dữ liệu ghi nhận nhiệt độ để chuyển hóa thành con số trung bình
của nhiệt độ cho phép theo giờ hằng ngày để rồi từ đó tính toán nhiệt độ phòng cho
phù hợp.
b) Internet of Things (IoT)
Các thiết bị, máy vi tính và các máy móc đều được sẵn sàng kết nối từ thời điểm
mà Kevin Ashton định nghĩa Internet of Things. Khái niệm này được nâng lên thành
khả năng kết nối đến các thiết bị vật lý không có khả năng kết nối trước đây, trao đổi
và nhận thông tin như là một yếu tố làm tăng thêm trọng lượng cho khái niệm này. Các
cảm biến nhúng, hệ thống điều khiển và các hệ xử lý vào những đối tượng này giúp

mở rộng khả năng trao đổi thông tin thông qua nhiều node, mạng mở các thiết bị vật lý
khác nhau. Khái niệm này cũng được sử dụng để miêu tả các thiết bị số đầu tiên như
các thiết bị đeo tay thuộc lớp “Internet of Digital” trong khi chờ đợi những chức năng
thông minh được phát triển sau này. Những ý nghĩa và ứng dụng của khái niệm IoT sẽ
tiếp tục được phát triển với những kỹ thuật kết nối mới, thay thế dần các thiết bị vật lý


-5đời đầu với những kết nối thông minh hơn và tính khả dụng sang một lớp mới
“Internet of X” Một vài ứng dụng của IoT bao gồm cả các xe kết nối, các thiết bị đo
lường thông minh và kể cả là những thành phố thông minh.
c) Industrial Internet of Things (IIoT)
Nền công nghiệp IoT là việc ứng dụng các công nghệ IoT trong kinh doanh và
thiết lập sản xuất (giống như các ứng dụng, công nghiệp hóa dầu, sản xuất, các công ty
công nghiệp nặng và xây dựng các hệ thống tự động) được sử dụng để theo dấu tài sản,
các sản phẩm/ dịch vụ mới, cách điều hành các hoạt động một cách hiệu quả ... Khái
niệm IIoT là một khái niệm rộng lớn có nghĩa bao gồm IoT như là việc chấp nhận nó
là một phần chính trong việc sản xuất. Trong vòng 20 năm tới, khái niệm “Công
nghiệp Internet” có tiềm năng thêm vào từ $10 đến $15 tỷ tỷ GDP toàn cầu. Nền công
nghiệp IoT có thể chia thành 03 phần chính:
Xây dựng các hệ thống tự động hóa: Là những ứng dụng của công nghệ IoT vào
trong các hệ thống như là sưởi ấm, chiếu sáng, an ninh... Trong vòng 150 năm gần
đây, chúng ta đã đi từ việc đốt củi sang hệ thống tự động IoT có thể điều khiển một
cách chính xác những thành phần môi trường bên ngoài bao gồm cả việc quản lý nhiệt
độ để điều chỉnh nhiệt độ một cách tự động, dựa vào thời thiết và xây dựng không gian
bên trong, không cần sự can thiệp của con người. Các hệ thộng tự động hóa này hiện
diện trên ½ các tòa nhà ở Mỹ.
Xây dựng các hệ thống thông minh: Việc duy trì các hệ thống này như là áp
dụng một phần của IIoT vào trong các tài sản và hệ thống quản lý có sẵn. Những lợi
ích của việc này giúp giảm thời gian hư hỏng không mong đợi, chi phí bảo trì thấp, và
thậm chí là tính toán được thời gian hỏng hóc của máy móc. Một nghiên cứu đã chỉ ra

rằng họ có thể tiết kiệm được 12% thời gian sửa chửa, giảm 30% chi phí bảo trì và
giảm đến 70% thời gian tạm dừng hệ thống.
Xây dựng các hệ máy tự động: để phối hợp nhằm dự đoán việc cơ giới hóa và
các kỹ thuật sản xuất được linh hoạt hơn để nâng cao khả năng sản xuất lên đến 30%.
d) Giao tiếp Machine – to Machine (M2M)
Khái niệm giao tiếp giữa máy và máy, giao tiếp điểm – điểm giữa các đối
tượng vật lý với nhau gần như đã bị loại bỏ. Sự bùng nổ của các thiết bị di động và các
máy móc có kết nối dựa trên nền tảng IP đã xây dựng nên việc truyền tải dữ liệu thông
qua một hệ thống các mạng lưới. Bây giờ, khái niệm M2M chỉ để nói đến các công
nghệ để có thể giao tiếp giữa các máy móc mà không có sự can thiệp của con người.
Ví dụ như việc đo đạc từ xa, điều khiển giao thông, robot và những những dụng khác
liên quan đến việc giao tiếp giữa thiết bị đến thiết bị.


-61.1.2 Các vấn đề kỹ thuật liên quan đến IoT
a) Kết nối cho các cảm biến
Internet có thể truy cập trong nhiều cách khác nhau, hoàn toàn phụ thuộc vào
thiết bị và ứng dụng. Vẫn có nhiều tranh cãi về mỗi công nghệ kết nối, đặc biệt trong
việc ứng dụng những dự án lớn trong IoT/M2M.
Các kết nối có dây và không dây của IoT: Đối với một căn hộ, một văn phòng
hay một mạng lưới các thiết bị IoT/M2M có thể kết nối đến Internet thông qua những
kết nối có dây hoặc không dây. Nếu các kết nối là có dây, thông thường nó được kết
nối trực tiếp đến một Internet router, và thiết bị này cần để duy trì cố định tại một vị
trí. Còn một thiết bị với những kết nối không dây có thể là một modem di động, hoặc
là một Wifi router, hoặc là kết nối bằng những công nghệ kết nối khác nhau, và trong
những thứ này, điều này các thiết bị phải là các thiết bị vật lý di động.
Các kết nối có dây thông thường là các hệ thống M2M, ví dụ như nhiều nhà
máy cài đặt hệ thống đi dây sẵn để điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu. Để kinh
doanh và hệ thống an ninh, các trạm báo động có thể sử dụng các mạch điện thoại để
giao tiếp các sự kiện, giống như báo trộm hoặc báo cháy đến trạm giám sát trung tâm.

Tuy nhiên, các kết nối này phụ thuộc hoàn toàn vào nơi mà các đường truyền
ISP có thể mở rộng đến, và việc thiết lập sẽ khó khăn. Nhưng ứng dụng này phải được
thiết lập trước, có nghĩa là mỗi một nhà máy hay công ty phát triển mỗi loại thiết bị và
hệ thống phần mềm đi kèm.
Đến những năm thập niên 90 các công ty đã hướng tới việc sử dụng công nghệ
sóng không dây trong những ứng dụng này. Như công ty Ademco, đi đầu trong việc
phát triển hệ thống phát hiện và kiểm tra báo cháy, đã bắt đầu xây dựng một mạng lưới
không dây riêng biệt. Năm 1995, tập đoàn Siemens cũng giới thiệu thiết bị không dây
đầu tiên trong việc truyền nhận dữ liệu từ các ứng dụng. Không lâu sau đó, Aeris cũng
giới thiệu dịch vụ MicroBurst sử dụng các kênh điều khiển của hệ thống Advanced
Mobile Phone System (AMPS) và Ademco đã trở thành khách hàng đầu tiên trong
việc triển khai các thiết bị M2M sử dụng cách vận chuyển dữ liệu này.
Những công nghệ mới đã giải phóng máy móc ra khỏi sự ràng buộc của hệ
thống dây truyền tải dữ liệu, và nhiều chức năng của IoT/M2M đã được triển khai ở
những ngành công nghiệp khác nhau và thậm chí là sản phẩm thương mại thông
thường. OnStar đã là một hệ thống xe được kết nối với nhau được triển khai năm 1995,
nó được đề nghị phối hợp giữa các dịch vụ an toàn và các chức năng giải trí. Một giải
pháp theo giõi tương tự như việc sử dụng các hệ thống truyền tin di dộng để theo dõi
các hoạt động trong nền công nghiệp vận tải . Thêm vào đó, các thiết bị di động kết
nối với nhau có thể được mở rộng đến những vị trí ở xa mà các mạng lưới có dây
không thể triển khai được.
Đến những năm 2000, các dịch vụ như Short Message Service (SMS),
Geneneral Packet Radio Service (GPRS) và 1 Tiem Raidio Transmission Technology


-7(1xRTT) bắt đầu phổ biến. Tuy nhiên, có 2 hình thức truyền tải thông tin trong các
thiết bị số đó là CDMA và GSM, và mỗi ngành công nghiệp chọn một loại công nghệ.
Trong ngành công nghiệp vận tải thì đã số chọn các thiết bị CDMS, trong khi ngành
công nghiệp báo động và an ninh thì thích hệ thống GSM. Cho đến năm 2017 thì hầu
hết các nhà mạng điều hành 2G GSM sẽ gần như chấm dứt dịch vụ này, vì thế ngành

công nghiệp báo động và an ninh cũng phải cập nhập những công nghệ mới nhất hoặc
chuyển đổi hệ thống di động.
Tương lại thì sẽ có nhiều công nghệ truyền dữ liệu không dây như 4G LTE,
thậm chí là 5G trong một vài thập niên tới. Các phương thức truyền tải trong khoảng
cách ngắn như Bluetooth, ZigBee hay 6LowPAN, có thể được ứng dụng trong một vài
ứng dụng. Chúng ta cũng thấy được tiềm năng triển khai ở mức độ thương mại của
LPWAN (Lower Power Wide Area Netwokrs) có thể cung cấp một giao tiếp ở khoảng
cách lớn hơn tương tự so với các thiết bị di động truyền thống.
b) Các vấn đề liên quan đến hệ thống địa chỉ IP
Tổ chức đăng ký địa chỉ và tên miền quốc tế The Internet Corporation for
Assigned Names and Numbers (ICANN) quản lý và khai báo tên miền cấp cao nhằm
mục đích để cho không cùng một địa chỉ. ICANN làm việc với nhiều nhà đăng ký tên
miền ở các khu vực khác nhau- ví dụ RIPE Network Coordination Center chịu trách
nhiệm trong việc quản lý IP ở châu Âu, Trung Đông và một phần của châu Á, trong
khi đó thì LACNIC chịu trách nhiệm khu vực Mỹ Latin. Nhưng nhóm vùng địa lý
đăng ký địa chỉ đến các nước khác nhau. Việc kết hợp này khá là quan trọng bởi vì thế
giới gần như đã cạn kiệt địa chỉ Ipv4 từ năm 2011.
Do có sự bùng nổ về số lượng các website, thiết bị di động và luôn luôn có các
kết nối IP (sau đó quyết định cốt yếu là việc triển khai các thiết bị IoT/M2M trong
tương lai), các chính phủ dần nhận ra rằng không gian dành cho IPV4 đã dần trở nên
chật chội trong thời gian tới. Thật may mắn, trong năm 2011 đã giải quyết được vấn đề
nghiêm trọng này cho nhiều người bởi một kỹ thuật như NAT (Network Address
Translastion. Nó cho phép các thiết bị định tuyến chia sẻ cùng một địa chỉ public, hoặc
một tập các địa chỉ công cộng cho hầu hết các lưu lượng được thực hiện từ trong mạng
nội bộ. Bởi vì NAT, nhiều hệ thống nội bộ có thể chia sẻ địa chỉ IP chung cho việc
truy cập Internet ra bên ngoài.
Nhưng trong thời gian dài sắp tới, với sự phát triển của hàng tỷ các thiết bị được
thêm vào mạng Internet, đặc biệt là các ứng dụng IoT/M2M. Do đó thế giới đang dịch
chuyển dần lên IPv6
Bởi vì không đủ số lượng địa chỉ IPv4 để giải quyết vấn đề này, do đó cả thế

giới đang dần dịch chuyển sang IPv6. Với IPv6, tổng số không gian địa chỉ có thể mở
rộng lên tới 128 bits (thay vì 32 bit như của IPv4). Mặc dù việc triển khai này chưa
hoàn toàn, nhưng IPv6 gần như đều được hỗ trợ bởi các công ty lớn như Google và
Facebook đã cung cấp việc truy cập vào hệ thống của họ trong mạng IPv6.


-8Cuối cùng, mỗi thiết bị và router sẽ sử dụng địa chỉ IPv6 để truy cập vào mạng
Internet. Trong thời gian chuyển tiếp này, hệ thống gateway sẽ cung cấp các hàm
chuyển đổi IP - cho phép các hệ thống IPv4 cũ có khả năng truy cập vào hệ thống IPv6
trong tương lai.
1.1.3 Kết nối các thiết bị di động và xác định vị trí
Trong thế giới các ứng dụng Internet of Things và M2M, việc biết chính xác
các vị trí của các thiết bị điều khiển từ xa cũng là một trong những tác vụ yêu cầu quan
trọng, có nghĩa là mỗi ứng dụng đều xây dựng các hành vi và các chức năng phụ thuộc
vào vị trí của các thiết bị.
Những hệ thống máy móc khác nhau cung cấp những vị trí vật lý khác nhau để
đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác. Trong một số ứng dụng thì cần phải xác định
được vị trí thiết bị di chuyển tới vị trí vật lý như là một yêu cầu thông thường, các
công nghệ di động được ứng dụng để truyền tải thông tin. Trong phần này, chúng ta sẽ
tìm hiểu các công nghệ di động được sử dụng trong các ứng dụng của IoT/M2M và
những phương thức được sử dụng để quyết định được vị trí vật lý của các thiết bị sử
dụng ứng dụng này.
Thế hệ thứ 5
Thế hệ thứ 4
Thế hệ thứ 3
Thế hệ thứ 2
Thế hệ thứ 1

AMPS

1980s

ANSI-136 TDMA
ANSI-95 TDMA
GSM
GPRS, EDGE
1XRTT

3G CDMA
(EV-DO)
3G UMTS
(HSPA/HSPA+)

1990s

2000s

5G
4G LTE

2008

Tương lai

Hình 1.1: Lịch sử phát triển của các công nghệ thiết bị di động
Các dịch vụ di động đã có một cuộc cách mạng lớn trong một khoảng thời gian
dài, thông thường, một sự thay đổi trong việc sắp xếp công nghệ nhằm mục đích tích
hợp và thay thế dần các thiết bị cầm tay và có sóng radio cùng với sự thay đổi mạng
lưới để hỗ trợ việc phát triển các sóng mới.
Trong nền công nghiệp di động, những thay đổi lớn lao dần mất đi khái niệm

gọi là thế hệ để có thể phân biệt và tổng hợp các công nghệ đó, các giao thức đã sử
dụng, sự thay đổi mạng lưới và sự phát triển của những hoạt động thương mại.

a) Các thế hệ thiết bị di động Analog


-9Dịch vụ di động đầu tiên được biết đến là hệ thống di động Analog hay còn gọi
là thế hệ thứ 1 (1G - First Genereration). Được phát triển ở Bắc và Nam Mỹ, đây là Hệ
thống Advanced Mobile Phone System (AMPS). Đầu tiên được triển khai ở US trong
những năm thập niên 1980s và có thể được chấm dứt vào tháng 2 năm 2008. AMPS sử
dụng tầng số Radio (spectrum) riêng biệt so với các dịch vụ không dây khác. Ở một
lĩnh vực nào đó, các công nghệ được sử dụng có liên quan đến việc truyền tải thông tin
ở mức độ năng lượng thấp, các công nghệ này sẽ bị phụ thuộc vào khoảng cách của
các tín hiệu radio, để đến được các điểm cao (hay còn được gọi là các base station) nơi
mà các cuộc gọi thoại có thể được gởi đến các hệ thống điện tín bằng dây.
Nó cho phép việc tái sử dụng các kênh radio trước đây để phân biệt khoảng
cách từ một điểm cao này đến điểm cao khác để nhận và truyền thông tin chỉ cho các
thiết bị di động nằm trong cùng một khu vực đó. Nhóm chúng lại thành một cell (có lẽ
đây cũng là thuật ngữ cellular ra đời từ đây) giống như một tổ ong, các cột sóng radio
không tương tác với những thiết bị bên ngoài các cell này. Các thiết bị di dộng giao
tiếp với các cell ở xa có thể sử dụng cùng một kênh radios mà không chịu sử ảnh
hưởng cuộc gọi bởi các cell gần đó.
Khi nhiều và nhiều các thiết bị di động sử dụng AMPS, nó trở nên trong suốt và
các kênh trống không thể hỗ trợ các yêu cầu kinh doanh của các nhà điều hành, những
công ty cung cấp dịch vụ và nâng cấp lên theo yêu cầu. Chính vì vầy mà các công
nghệ sóng radio bắt đầu khám phá các cách thức sử dụng những quang phổ không dây
một cách hiệu quả hơn. Đầu tiên là việc gia tăng các giao thức mã hóa số cho các giao
tiếp tốt hơn analog. Có 02 hệ thống số mã hóa cạnh tranh với nhau mà ta có thể dễ
dàng nhận thấy nhất đó là ANSI-136 TDMA, ANSI-95 CDMA và GSM. Từ thời điểm
trở đi thì những hệ thống mới này (và những giao thức truyền tải dữ liệu được trình

bày sau đâu) có thể tạm được định nghĩa là thế hệ 2 (2G - Second Generation). Hệ
thống AMPS Sunset đã không được phát triển (tại Mỹ thì hệ thống này đã chấm dứt từ
tháng 2-2008).
Chuẩn ANSI-136 TDMA: Để duy trì khả năng phản hồi với AMPS trong
những khai thác đầu tiền, các nhà công nghệ ở US đã sử dụng một hệ thống để phân
chia mỗi kênh radio AMPS trong từng khoảng thời gian. Khi người sử dụng nói vào
trong điện thoại, giọng người sẽ được chuyển hóa thành các tín hiệu điện từ
microphone, sau đó chuyển hóa thành Analog to Digital Converter (ADC). Đối với
người nghe sẽ nhận giọng nói từ các trạm phát sóng, các bits số sẽ được chuyển hóa
thành các tín hiệu điện (DAC) và sau đó sẽ sử dụng bộ biến tần để chuyển hóa thành
giọng người ở điện thoại người nghe. Trong chuẩn này sẽ sử dụng giao thức phổ biến
nhất đó là Time Domain Multiple Access (TDMA). Mỗi cuộc thoại sẽ được chỉ định ở
⅓ kênh thời gian mà kênh đó được thiết lập để chuyển hóa tín hiệu số.
Về cơ bản, mỗi kênh này có thể chỉ hỗ trợ 3 cuộc thoại TDMA ( tốt hơn so với
1 cuộc thoại khi sử dụng AMPS).


- 10 Chuẩn ANSI-95 CDMA: Trong những năm thập niên 90, một giao thức số
khác cũng được triển khai, tốt hơn việc sử dụng mã hóa TDMA, bằng việc số hóa
giọng nói, sau đó kết hợp hoặc phân rã, bằng những thuật toán khác nhau. Và giao
thức mã hóa này được gọi là Code Division Multiple Access (CDMA)
Việc kết hợp các bits số giọng nói với mã cho phép dữ liệu được truyền trên
một kênh band rộng. Ở ANSI-95 CDMA, mỗi kênh có độ rộng khoảng 1.25 Mhz. Về
cơ bản, giao thức CDMA có nhiều hiệu quả hơn giao thức TDMA. Nó cho phép triển
khai công nghệ CDMA để phục vụ tốt hơn so với các giao thức khác. Mỗi time slot ở
TDMA không cần thiết tối ưu cho tất cả các ca sử dụng. Ở CDMA, việc thêm cuộc gọi
thì chỉ cần việc kết nối hoặc giải mã. Số lượng các cuộc gọi có thể thực thi được thực
hiện ở kênh cho phép. Theo tính toán thì ANSI-95 CDMA có hiệu quả gấp 10 đến 20
lần so với AMPS, trong khi ANSI-136 TDMA thì chỉ có hiệu quả gấp 3 lần so với
AMPS.

Chuẩn GSM: Ở Châu Âu (và thậm chí là phần còn lại của thế giới), có một
phương thức khác được sử dụng cho việc triển khai hệ thống thông tin di động đầu
tiên. Mặc dù việc giải mã thuật toán vẫn là TDMA, nhưng khả năng quang phổ được
nhóm thành các kênh 200 kHz với 8 time slot, , nhiều hơn so với một kênh 30kHz với
3 khe thời gian trong chuẩn ANSI-136 TDMA. Hệ thống này được gọi là Global
System for Mobile Communications (GSM) - một thuật ngữ kinh doanh được miêu tả
hệ thống di động kỹ thuật số. Việc xác định vị trí băng thông và các kênh khác nhau
trong việc truyền tải dữ liệu ở các giao thức TDMA trong chuẩn ANSI-136 và TDMA
trong chuẩn GSM là không phù hợp lẫn nhau. Trong các điện thoại mạng GSM không
thể hoạt động trong mạng TDMA chuẩn ANSI-136 và ngược lại. Tất nhiên, trong 2
mạng này thì có những điều khác nhau (chẳng hạn như tin nhắn được sử dụng trong
các kênh điều khiển của các công nghệ khác nhau), nhưng về cơ bản thì các kỹ thuật
truyền sóng radio là giống nhau. GSM nhanh chóng trở nên phổ biến ở Châu Âu và
phần còn lại của thế giới. Điều này có vẻ đúng bởi vì những mạng Analog đời đầu ở
nhiều nước đều được thay thế một cách nhanh chóng và không được triển khai ở
những những nước phát triển sau này.
b) Việc truyền tải dữ liệu của các thiết bị di động:
Khi hệ thống thông tin di động đã được mã hóa số, về mặt tự nhiên các giọng
nói sẽ được số hóa thành các bít. Điều này cho phép triển khai các dịch vụ truyền dữ
liệu cho các mục đích khác nhau của con người. Điều này bao gồm các giao tiếp từ các
thiết bị không dây (dữ liệu cầm tay) và các thẻ dữ liệu cho các thiết bị máy vi tính di
dộng (laptops) có thể mở rộng việc truy cập Internet và World Wide Web.
Các thuật toán cho việc xử lý các bits số như là một ứng dụng dữ liệu, các giọng
nói sẽ được xử lý bởi những công nghệ triển khai khác nhau. Chuẩn ANSI-136 trong
quá khứ đã phát triển quá nhanh cho việc triển khai các giao thức đánh dấu truyền dữ


- 11 liệu, nhưng cả 2G GSM và ANSI-95 CDMA có kinh nghiệm trong cuộc cách mạng
này.
2G GSM Data: GPRS, EDGE: GSM đã giới thiệu một công nghệ truyền tải

dữ liệu được gọi là GPRS (General Packet Radio Service), sau đó được nâng cấp lên
được gọi là Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) với băng thông cao hơn.
Những công nghệ được phổ biến cho việc truyền tải các giao tiếp dữ liệu mặc dù năng
lực truyền tải ngày càng chậm chạp so với yêu cầu sử dụng Internet hiện nay cho các
thiết bị điện thoại di động thông minh để có thể truy cập Internet. Trong các ứng dụng
IoT/M2M thì chỉ cần năng lực truyền tải thấp và GPRS là một công nghệ hoàn hảo cho
việc truyền tải thông tin.
Mặc dù vậy, GPRS được sử dụng thường xuyên xung quanh thế giới cho các
ứng dụng IoT/M2M. Nhưng với nhu cầu ngày càng phát triển của con người cũng như
các ứng dụng đi kèm. Thì ở Mỹ, các nhà cung cấp dịch vụ 2G GSM thông báo rằng họ
sẽ chấm dứt việc cung cấp các dịch vụ GRPS và EDGE dự kiến từ tháng 1 năm 2017
2G CDMA DATA: 1xRTT Cũng giống như GPRS trong GSM, các nhà cung
cấp CDMA ở nhiều nước khác nhau cũng triển khai một công nghệ truyền tải dữ liệu
mới gọi là 1xReal Time Transmission (1x RTT). Điều này nó cho phép việc truyền tải
nhanh hơn GPRS thông qua việc nâng cao năng lực xử lý và cũng được triển khai
nhiều ở các ứng dụng IoT/M2M. Được định nghĩa trong tập quy chuẩn ANSI-2000, nó
cung cấp (và tiếp tục được cung cấp) mở mức độ tin cậy, mở rộng và bao phủ trong tất
cả ứng dụng IoT/M2M.
Ở Mỹ, việc mở rộng khả năng của 1xRTT đã tăng lên sự lựa chọn dễ dàng hơn
cho các ứng dụng các thiết bị vật lý, giống như trong nền công nghiệp vận tải hay công
nghiệp tự động hóa, cần sự hội tụ giữa các lục địa. Những triển khai sớm và mở rộng
của CDMA và 1xRTT đã đi đầu trong việc mở rộng sự bao phủ giữa các nước với
nhau (trong khi những nhà nghiên cứu khác lại bận rộn với việc chuyển tiếp từ chuẩn
ANSI-136 lên GPRS. Tuy nhiên, sự phức tạp của việc mã hóa dữ liệu CDMA so với
TDMA nên kết quả là chi phí cao hơn cho một modules radios, đặc biệt là chipset cho
CDMA ngày càng trở nên phức tạp. Chính vì vậy, GSM được triển khai một cách
rộng rãi hơn, các modules 1xRTT ngày càng mắc hơn các modules GRPS.
3G CDMA (EV-DO) Đối với những người sử dụng điện thoại thông minh,
chuẩn dữ liệu CDMA được nâng cấp và mở rộng khả năng xử lý. Các công nghệ thay
đổi vòng đời bằng cách thêm EV-DO Rev A và EV-DO Rev B, việc thay đổi này đã

thêm vào một chuẩn mới gọi là ANSI-2000 (để miêu tả chỉ tiết công nghệ 1xRTT và
EV-DO).
Mặc dù được sử dụng bởi một vài ứng dụng của IoT/M2M, 3G EV-DO không
được sử dụng rộng rãi cho những loại ứng dụng này. Việc bao phủ xuất sắc và khả
năng của 1xRTT ở Mỹ được xem như là không cần thiết, từ khi các modules radio có
chi phí cao hơn EV-DO.


- 12 3G UMTS (HSPA/HSPA+) Trong băng tần GSM, việc sử dụng 2G GSM thoại
và truyền tải dữ liệu sang GPRS và EDGE- được sử dụng các giao thức mã hóa
TDMA có vẻ không hiệu quả cho lắm. Thêm vào đó, chi phí để tăng thêm băng tần
ngày cả trở nên đắt đỏ, và các chính phủ đã bắt đầu giới hạn các băng tầng cho việc
truyền tải thông tin . Chính vì vậy, một tổ chức đã định nghĩa và triển khai một công
nghệ mới được gọi là Universal Mobile Telephone Service (UMTS). Với công nghệ
UMTS, các kỹ thuật truyền dẫn dữ liệu đã phát triển nhanh chóng. ví dụ như High
Speed Downlink Packet Access (HSDPA) và High-Speed Uplink Packet Access
(HSUPA) - đã dần thay thế bởi High-Speed Packet Access (HSPA), hay hiện nay hay
gọi là HSPA+.
Ở trong hầu hết các ứng dụng IoT/M2M, việc sử dụng 3G HSPA không cần
thiết nữa trừ khi hiệu năng và lưu lượng của công nghệ này đạt hiệu quả cao. Chính vì
vậy, các kênh 5 Mhz cho phép việc cung cấp tất cả các dịch vụ nhanh hơn là các kênh
EV-DO 1.25 Mhz. Tuy nhiên, từ khi dữ liệu 2G GSM truyền tải đã được triển khai ở
thị trường Bắc Mỹ thì cần phải có một sự thay đổi và chuẩn 3G HSPA là một trong
những dịch vụ đáp ứng được yêu cầu đó. Mặc khác là 3G-HSPS là một công nghệ có
độ mở rộng không bằng 2G GSM GPRS hay 2G CDMA 1xRTT, và mạng 4G LTE
cũng được triển khai khá nhanh chóng. Chính vì vậy mà một số thiết bị IoT/M2M đã
chuyển từ 2G CDMA 1xRTT bỏ qua 3G mà lên thẳng luôn 4G LTE trong tương lại
gần.. Việc lựa chọn này thông thường căn cứ vào chi phí của các modules radio và sự
mở rộng của các dịch vụ.
4G LTE Một trong những hạn chế của công nghệ 3G là họ sử dụng kênh có độ

rộng cố định. Với việc gia tăng số lượng dữ liệu của các người sử dụng, khả năng còn
khả dụng của các quang phổ không dây đã tạo nhiều băng tần không thường xuyên
được tối ưu hóa bởi công nghệ 3G. Các chính phủ đã phải đấu giá một số lượng lớn
các băng tần dành cho người sử dụng điện thoại di động.
Để sử dụng những băng tần này, những tiêu chuẩn dần được phát triển một
công nghệ mới thích hợp sử dụng và áp dụng một các linh hoạt cho các quang phổ còn
trống này. Từ khi họ có cơ hội để lựa chọn các giao thức mã hóa để sử dụng những
băng tần mới này, Long Term Evolution (LTE) đã được thiết kế để sử dụng một giao
thức mới được gọi là Orthogonal Frequency Domain Multiple Access (OFDMA). Một
lần nữa, những tính năng mã hóa trong OFDMA lại nằm ngoài phạm vi của cuốn sách
này, tuy nhiên nó cũng được định nghĩa là công nghệ thế hệ thứ 4 Fourth Geneation
(4G), nó rất khác so với 3G. Điều rất quan trọng đó là LTE thì rất linh động trong việc
triển khai độ rộng các kênh được sử dụng, và chính vì vậy mà các băng tần quan phổ
có thể được chia thành các block nhỏ hơn và dễ dàng sử dụng. Và nó cũng cho phép
các dải quang phổ tồn tại có thể được phân vùng thành nhiều các block nhỏ cho phép
một nhà mạng có thể triển khai 4G mà không cần phải gạt bỏ hoàn toàn các công nghệ
cũ.


- 13 Việc linh động còn đến từ giá cả. Có hơn 30 băng tần khả dụng cho LTE sử
dụng, và những nước không đấu giá hoặc có thể để dành các băng tần này để trở thành
những băng tần có thể sử dụng. Thực vậy, một số băng tần LTE không được sử dụng
bởi vì chúng được chỉ định cho một số công việc khác.
c) Các dịch vụ định vị cho các thiết bị di động
Các nhà mạng đều có những thiết bị và máy móc khác nhau để định vị mạng
lưới của họ. Những điều này thông thường đều dựa vào kỹ thuật bước sóng từ 3 điểm
để cung cấp chính xác tọa độ yêu cầu. Chính vì vậy việc sử dụng hệ thống GPS ( hay
GLONASS, Galileo) có thể được nâng cấp các giải pháp tuyệt vời cho hầu hết các ứng
dụng M2M và IoT.
Global Postion System: Ngày nay, nhiều thiết bị điện thoại di động được trang

bị hệ thống GPS cho phép điện thoại cung cấp thông tin về vị trí của nó đến mạng di
dộng, hay cho hệ thống 911 của Mỹ hoặc các mục đích khác. Việc kích hoạt chức năng
này thông thường là một tùy chọn khả dụng trên các điện thoại di dộng được trang bị
hệ thống GPS. Trong các ứng dụng IoT/M2M, hầu hết các modules đều hỗ trợ và tích
hợp GPS (đôi khi hỗ trợ cả 2 hệ thống của chính phủ US và Nga). Trong tương lai, thì
việc hỗ trợ hệ thống định vị Galileo cũng sẽ được ứng dụng trong hầu hết các modules
và thiết bị cầm tay.
Trong nửa thế kỷ trở lại đây, Bộ Quốc Phòng Mỹ đã triển khai một hệ thống
gồm 24 vệ tinh vào quỹ đạo trái đất cho những mục đích khác nhau: Nó cho phép hệ
thống các thiết bị trang bị GPS xác định được vị trí của nó trên bề mặt trái đất với vị trí
chính xác nhất. Mục đích chính trước đây được sử dụng cho hệ thống quân sự, chính
phủ Mỹ đã xây dựng hệ thống và thông tin của người dân từ những năm thập niên
1980, mà không thu bất kỳ chi phí nào. Việc này được mở rộng số lượng các ứng dụng
ở các vị trí khác nhau trên toàn thế giới.
Một ví dụ, dữ liệu của một xe tải hạng nặng căn cứ vào hệ thống GPS để xác
định chính xác vị trí của xe tải và các trailers. Các người đi bộ hoặc các người quá
giang có thể căn cứ vào các thiết bị cầm tay để có thể xác định được chính xác vị trí
của xe tải để bắt xe hay nhiều ứng dụng khác trong nông nghiệp…
Một dịch vụ định vị vệ tinh tương tự như hệ thống GPS, còn được gọi là
GLONASS, được phát triển bởi chính phủ Nga. Liên hiệp châu Âu cũng đang khởi
động một tiến trình xây dựng một hệ thống định vị riêng biệt mang tên một nhà thiên
văn học là Galileo. Như đã nói ở trên, hệ thống các vệ tinh của hệ thống Galileo chưa
đi vào hoạt động. Chính phủ Ấn độ cũng khởi tạo một hệ thống định vị vệ tinh tương
tự, được gọi là IRNSS để xác định vị trí, tuy nhiên chỉ hoạt động trên Ấn độ. Tương tự
như vậy, chính phủ Trung Quốc cũng khởi tạo phiên bản đầu tiên của hệ thống định vị
riêng của chính họ, được gọi là BeiDou-1 (Bắc đẩu 1) để kiểm soát toàn bộ Trung
Quốc. Bây giờ họ đã tiếp tục phát triển thêm hệ thống mới, Được gọi là BeiDou-2 và
BeiDou3, phủ sóng cho toàn bộ trái đất tương tự như của chính phủ Mỹ và Nga.

- 14 Trong tương lai, hệ thống Galileo sẽ được cung cấp miễn phí, có độ chính xác
thấp nhất khoảng 1 mét, những dịch vụ khác có độ chính xác cao hơn sẽ được thu phí.
Từ bây giờ cho đến khi có hệ thống mới, và nhiều đặc tính khác không được phổ biến
ở các hệ thống định vị vệ tinh GPS và Glonass. Ví dụ như hệ thống Galileo có sóng
radio để hỗ trợ và cung cấp các dịch vụ tín hiệu SAR (Search-and-Rescuse), nó cho
phép khởi tạo thông tin cứu hộ trên toàn hành tinh.
1.2 Hệ thống cảm biến môi trường Tinkerforge
1.2.1 Một số khái niệm về Tinkerforge
Tinkerforge là một hệ thống các thiết bị cảm biến được thiết kế để phát triển các
dự án xây dựng dựa trên các modules và sử dụng các hàm API đã được cung cấp cho
các ngôn ngữ khác nhau. Tinkerforge Gmb là một công ty của Đức được thành lập
năm 2011 với mục đích sản xuất các thiết bị điều khiển hệ thống nhúng, mục đích là
làm ra các sản phẩm mà người sử dụng không cần phải quan tâm đến những công việc
không cần thiết để tập trung vào các tính năng chính của cảm biến. Từ năm 2011 với
chỉ một vài modules chức năng, đến nay hãng có hơn 70 modules có các chức năng
khác nhau. Tất cả đều được xây dựng trên các công cụ mã nguồn mở kể cả mã nguồn,
sơ đồ mạch và bản vẽ.
Những giới thiệu sau đây sẽ cho chúng ta một cái nhìn toàn cảnh về những sản
phẩm và những khái niệm của hệ thống xây dựng các khối Tinkerforge. Trong mục
này sẽ không đề cập đến những tính năng chi tiết cũng như các hàm API của từng loại
thiết bị. Về cơ bản, để sử dụng được các cảm biến của Tinkerforge được chia ra làm
năm khái niệm như sau:
- Bricks: Đây là các modules vi điều khiển dạng ngăn xếp (stacks) dành cho
các cảm biến và được điều khiển thông qua USB.
- Bricklets: Đây là các cảm biến, modules hoạt động để mở rộng tính năng của
các Bricks không ở dạng ngăn xếp.
- Master Extension: Đây là những modules cho phép thay đổi giao tiếp với
thiết bị so với các giao tiếp USB với Master Bricks khác (Wifi, Enthernet, RS 485)
- Nguồn cung cấp: Nguồn cung cấp dạng ngăn xếp cho các Bricks
a) Bricks:

Các modules Bricks có kích thước 4x4cm (1.57x1.57") có thể được điều khiển
bởi các thiết bị, ví dụ như các máy tính nhúng, thông qua cổng mini USB để thực thi
những tác vụ khác nhau, mỗi Brick này thực thi những tác vụ cảm biến phức tạp (IMU
Brick), giao tiếp (Master Brick) và điều khiển motor (DC Brick).
Với mỗi Bricklets thì đặc tính của Bricks có thể được mở rộng, phụ thuộc vào
mỗi tính năng mà mỗi Brick có thể có từ 2 đến 4 kết nối đến các Bricklet. Các Bricks
có thể được lắp ráp với nhau theo dạng ngăn xếp. Giao tiếp USB của Master Brick có
thể thay thế bằng Wifi, Ethernet hay RS 485 bằng Master Extension. Bằng việc kết nối


- 15 dưới dạng ngăn xếp, các Brick và Bricklets có thể điều khiển bởi Wifi, Ethernet thay
vì USB.
b) Bricklets:
Các Bricklet được sở dụng để mở rộng các tính năng của Brick. Những Bricklet
được sử dụng để đo các đại lượng vật lý ví dụ như độ xoay chuyển, hiệu điện thế,
cường độ dòng điện hay là cường độ sáng cũng như các Bricklet để chuyển mạch, đo
dữ liệu số vào/ra hay xuất dữ liệu ra màn hình LCD.
Không giống như các Brick, các Bricklet không có kích thước cố định. Mỗi
Bricklet có những kích thước nhỏ nhất có thể, và mỗi Brick thì có thể kết nối được tối
đa 4 Bricklet và các Bricklet này được điều khiển khi nó kết nối trực tiếp đến Brick.
Mỗi Bricklet thì không được trang bị các Bộ vi xử lý nhưng chúng có thể được
xử lý bởi các hàm API, chính vì vậy mà các lập trình viên có thể điều khiển chúng như
các modules độc lập. Khi khởi động thì các Brick sẽ kiểm tra trạng thái của tất cả các
Bricklet kết nối đến chúng. Các plugin của Bricklet, được lưu trữ trong EEPROM của
mỗi Bricklet, sẽ được nạp vào trong flash của Brick . Điều này nó sẽ thêm vào các
chức năng vào Brick, và có thể được sử dụng ở máy tính.
c) Master Extension:
Một Master Brick sẽ được sử dụng một mình hoặc sử dụng trong cùng một
ngăn xếp chồng lên nhau và quản lý thông qua giao diện USB. Master Extension mở
rộng giao tiếp của Master Brick. Đó là các kết nối có dây (Ethernet, RS 485) và các kết

nối không dây. Chính vì sự linh hoạt này mà đối với các lập trình viên, nếu chúng ta
muốn mở rộng quản lý các Bricklet thì chỉ việc xây dựng sản phẩm hoạt động cho
đúng với giao tiếp USB. Sau đó chỉ việc tiến hành thêm các Master Extension cho phù
hợp và khởi chạy, không cần phải thay đổi hay chỉnh sửa gì thêm.
d) Ngăn xếp Bricks:
Các Brick có thể xếp chồng lên nhau, một Master Brick (nằm ở dưới cùng) chịu
trách nhiệm giao tiếp giữa tất cả các Brick trong cùng một ngăn xếp. Nó sẽ định tuyến
chính các thông điệp trong cùng một ngăn xếp và điều khiển các thiết bị. Chỉ cần một
kết nối USB là có thể điều khiển tất cả các Brick và Bricklet trong cùng một ngăn xếp.
Chúng ta có thể thay thế việc kết nối bằng USB bằng các giao thức có dây và không
dây như Ethernet, RS485 hay Wifi. Nếu như cổng USB không phân phối đủ nguồn
điện thì chúng ta sẽ sử dụng thêm nguồn cung cấp thêm.
1.2.2 Các ưu điểm của cảm biến Tinkerforge
a) Dễ sử dụng
Xây dựng các Block dựa trên sự mở rộng của các các modules, chính sự dễ
dàng trong việc khớp nối các modules cho phép các nhà lập trình viên tập trung vào
công việc xây dựng phần mềm, giúp dự án phát triển nhanh hơn. Những lập trình viên
tập sự cũng có thể học lập trình thông qua các ứng dụng mẫu có sẵn.


- 16 Không cần biết nhiều các kiến thức về điện tử: Ưu điểm của việc sử dụng các
cảm biến này đó là không gặp bất kỳ các vấn đề nào về điện tử. Bạn chỉ đơn giản là
lắp ráp các modules và kết nối chúng lại với nhau thông qua các jack, không cần phải
hàn mạch.
Sử dụng các hàm API trực quan, đơn giản trong lập trình, ví dụ bạn có thể thiết
lập gia tốc của động cơ thông qua hàm setVelocity() hay đọc dữ liệu nhiệt độ bằng
hàm getTemperature().
b) Khả năng tùy biến cao
Có khả năng điều khiển thông qua Máy tính bảng, Smartphone hay PC (nhúng)
Ngôn ngữ hỗ trợ lập trình đa dạng (C/C++, C#, Java, PHP, Python, PHP, Ruby,

Shell...), có thể điều khiển trực tiếp các module thông qua giao thức TCP/IP.
Mỗi modules đều có một địa chỉ với một ID duy nhất, không dựa vào hệ thống
đi dây. Điều này cho phép thay đổi cấu trúc hệ thống bất kỳ lúc nào, không cần thay
đổi mã nguồn
Tất cả các mã nguồn phần mềm điều khiển cảm biến này đều là mã nguồn mở
có giấy phép của GPL v2+, phần cứng có giấy phép của tổ chức CERN Open
Hardware License
Điều khiển không dây

Điều khiển có dây

Hoạt động độc lập


- 17 1.2.3 Các thông số kỹ thuật cơ bản của Bricks
Bảng 1.1 Sơ đồ chân kết nối dữ liệu của Ngăn xếp (Stack Data Connector)
Miêu tả
Tín hiệu
Stack SPI: MasterIn SlaveOut
SPI-MISO
Stack I2C: Serial Data/ JTAG-TDI
I2C-SDA/TDI
Stack SPI: MasterOut SlaveIn
SPI-MOSI
Stack I2C: Serial Clock/ JTAG-TDO
I2C-SCL/TDO
Stack SPI: Clock
SPI-SCLK
Stack Select 0
SEL-0

Reset Signal
RESET
Stack Select 1
SEL-1
Stack Detect/JTAG-TMS
DETECT/TMS
Stack Select 2
SEL-2
Stack Synchronization/ JTAG-TCK
SYNC/GP/TCK
Stack Select 3
SEL-3
Extension SPI: MasterIn SlaveOut
EX-SPI-MISO
Stack Select 4
SEL-4
Extension SPI: MasterOut SlaveIn
EX-SPI-MOSI
Stack Select 5
SEL-5
Extension SPI: Clock
EX-SPI-SCLK
Stack Select 6
SEL-6
Extension 0: General Purpose 0/ Interrupt 0
EX-0-GP-0/nINT0
Stack Select 7
SEL-7
Extension 0: General Purpose 1/ Interrupt 1
EX-0-GP-1/nINT1

Extension Select 0
EX-SEL-0
Extension 0: General Purpose 2/ Interrupt 2
EX-0-GP-2/nINT2
Extension Select 1
EX-SEL-1
Extension 1: General Purpose 0
EX-1-GP-0
Extension Serial Interface: RXD
EX-SER-RXD
Extension 1: General Purpose 1
EX-1-GP-1
Extension Serial Interface: TXD
EX-SER-TXD
Extension 1: General Purpose 2
EX-1-GP-2
Extension Serial Interface: RTS
EX-SER-RTS
(Tất cả các tín hiệu đều dựa trên nguồn 3.3V)

Chân
1
2
3
4
5
6
7
8
9

10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30

Stack SPI: SPI bus để giao tiếp giữa Brick và Master Brick
JTAG: Giao diện gỡ lỗi, được chia sẻ bởi các tín hiệu khác.JTAG sẽ không được sử
dụng khi một Brick được xếp chồng với các Brick khác.
Reset: Tín hiệu được gởi tới Brick để khởi tạo lại, nó được định hướng để khi có tín
hiệu này thì toàn bộ Brick đều được khởi tạo lại cùng thời điểm.