NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MQTT TRONG IOT (Luận văn thạc sĩ)

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

Nguyễn Minh Thành

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG
MQTT TRONG IOT

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

HÀ NỘI - 2020


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

Nguyễn Minh Thành
NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG
MQTT TRONG IOT
Chuyên Ngành

: Kỹ thuật Viễn thông

Mã Số

: 8.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG TRỌNG MINH

HÀ NỘI – 2020


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả nghiên cứu của riêng tôi. Việc sử
dụng kết quả, trích dẫn tài liệu tham khảo trên các tạp chí, các trang web tham khảo
đảm bảo theo đúng quy định. Các nội dung trích dẫn và tham khảo các tài liệu, sách
báo, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và trang web theo danh mục
tài liệu tham khảo của luận văn.
Tối xin chịu hoàn toàn trách nhiệm cho lời cam đoan của mình.

Tác giả luận văn

Nguyễn Minh Thành


ii

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy cô trường Học
viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông trong thời gian qua đã dìu dắt và tận tình
truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm vô cùng quý báu mà em có được
kết quả ngày hôm nay.
Xin trân trọng cảm ơn TS. Hoàng Trọng Minh, người hướng dẫn khoa học của
luận văn, đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ về mọi mặt để hoàn thành luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn quý thầy cô Khoa Đào tạo sau đại học đã hướng dẫn và
giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn.

Cuối cùng là sự biết ơn tới gia đình, bạn bè và người thân đã luôn động viên,
giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 11 tháng 05 năm 2020
Học viên thực hiện

Nguyễn Minh Thành


iii

MỤC LỤC
 
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................ii
MỤC LỤC...........................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT...........................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.............................................................................vii
LỜI MỞ ĐẦU.......................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG IOT....................................................4
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG.................................................................................4
1.2 MÔ HÌNH KIẾN TRÚC VÀ THÀNH PHẦN IOT.....................................6
1.3 CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA IOT TỚI CUỘC SỐNG....................................8
1.3.1 Hệ sinh thái IoT.....................................................................................9
1.4 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA IOT..............................................11
1.4.1 Tóm tắt các ứng dụng của IoT.............................................................11
1.4.2 các ứng dụng tiêu biểu........................................................................15
1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG.............................................................................16

CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH CHUẨN GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG MQTT. 17
2.1 CÔNG NGHỆ MẠNG TRUYỀN THÔNG ZIGBEE................................17
2.1.1 Giới thiệu công nghệ Zigbee...............................................................17
Cấu hình mạng truyền thông Zigbee............................................................19
2.2 KIẾN TRÚC GIAO THỨC MQTT..........................................................25
2.2.1 Giới thiệu chung..................................................................................25
Kiến trúc giao thức.......................................................................................26
2.3 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MQTT.............................................................28
Mô hình Xuất bản/Theo dõi.........................................................................28
2.4 QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA MQTT...............................................30


iv

2.4.1 Thiết lập kết nối và đăng kí theo dõi...................................................30
2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG............................................................................35
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG GIAO THỨC MQTT TRONG IOT........................36
3.1 GIỚI THIỆU GIAO THỨC MQTT - SN...................................................36
3.2 KIẾN TRÚC GIAO THỨC MQTT-SN.....................................................38
3.3 MÔ HÌNH KIẾN TRÚC VÀ LỰA CHỌN THAM SỐ..............................46
3.3.1 Mô hình hệ thống................................................................................46
3.3.2 Lựa chọn thư viện MQTT...................................................................48
3.3.3 Lựa chọn tính năng bảo mật................................................................50
3.4 CÁC THIẾT BỊ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM................51
3.4.1 Các thiết bị cảm biến...........................................................................51
3.4.2 Thiết bị tiền xử lý Arduino..................................................................56
3.4.2 Thiết bị xử lý NodeMCU ÉP8266v3...................................................61
3.5 CÁC MODULE PHẦN MỀM VÀ KẾT QUẢ..........................................64
3.5.1 Lập trình GPIO....................................................................................64
3.5.2 Lập trình Arduino IDE........................................................................65

3.5.3 Lập trình Node-red..............................................................................66
3.5.4 Kết quả của mô hình thực nghiệm......................................................67
3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG.............................................................................68
KẾT LUẬN.........................................................................................................69
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................70


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
MQTT

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Message Queuing Telemetry
Transport

Giao thức truyền thông điệp

ADC

Analog to Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự - số

AGC

Automatic Gain Controller

Tự động điều khiển độ lợi

API

Application Programming
Interface

Giao diện lập trình ứng dụng

BS

Basic Station

Trạm gốc

BER

Bit Eror Ratio

Tỷ lệ lỗi bit

BLER

Block Error Rate

Tỷ lệ lỗi khối

DAC

Digital to Analog Converter

Bộ chuyển đổi số - tương tự

D2D

Device to device

Thiết bị tới thiết bị

DSP

Digital Signal Processor

Bộ xử lý tín hiệu số

DSL

Digital Subcriber Line

Kênh thuê bao số

FAP

Femtocell Acess Point

Điểm truy cập Femtocell

FBS

Femtocell Basic Station

Trạm gốc Femtocell

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

FIFO

First in First out

Vào trước ra trước

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

GPP

General Purpose Processor

Bộ xử lý chức năng chung

NFC

Near Field Communications

Giao tiếp gần

LTE

Long Term Evolution

Sự tiến hóa dài hạn

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Ưu-Nhược điểm của Zigbee................................................................20
Bảng 3.1: Tóm tắt các tính năng của thư viện Eclipse MQTT Client..................49


vi

Bảng 3.2: Các tính năng được hỗ trợ trong thư viện Paho Android Service........49


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Thế giới vật lý và thế giới thông tin......................................................4
Hình 1.2: Mô hình hệ sinh thái IoT.....................................................................10
............................................................................................................................ 16
Hình 2.1: Các ứng dụng không dây.....................................................................19
Bảng 2.2: So sánh Zigbee và các chuẩn không dây.............................................20
Hình 2.3: Kiến trúc lớp trong kiến trúc Zigbee...................................................23

Hình 2.4: Mô hình mạng Zigbee.........................................................................23
Hình 2.5: Tổng quan giao thức MQTT................................................................25
Hình 2.6: Các tiêu chuẩn MQTT được phát triển bởi IBM và EROTECH..........26
Hình 2.7: Kiến trúc của giao thức MQTT...........................................................26
Hình 2.8: Mô hình Xuất bản/Theo dõi................................................................27
Hình 2.9: Publisher và Subscriber.......................................................................27
Hình 2.10: Ví dụ về mô hình Xuất bản/Theo dõi................................................28
Hình 2.13: Quy trình xuất bản bản tin với QoS = 0.............................................32
Hình 2.14: Quy trình xuất bản bản tin với QoS mức 1........................................33
Hình 2.15: Quy trình xuất bản bản tin với QoS mức 2........................................34
Hình 3.1: Kiến trúc giao thức MQTT-SN............................................................39
Hình 3.2: Tiến trình Thiết lập kết nối từ phía Client............................................41
Hình 3.3: Sơ đồ chuyển trạng thái của Client......................................................45
Hình 3.4: Sơ đồ tổng quan phần cứng hệ thống..................................................48
Hình 3.5: Thiết bị cảm biến BH1750..................................................................51
Hình 3.6: Thiết bị cảm biến MQ-135.................................................................53
Hình 3.7: Mối quan hệ giữa tỷ số Rs/Ro và giá trị PPM tương ứng....................54
Hình 3.8: Thiết bị cảm biến DTH11...................................................................55
Hình 3.9: Kết nối DHT11 với vi điều khiển........................................................56


viii

Hình 3.10: Cấu hình chân của thiết bị arduino R3...............................................57
Hình 3.11: Cấu hình chân của thiết bị ESP8266..................................................62
Hình 3.12: Ví dụ điều khiển trên arduino............................................................65
Hình 3.13: Cấu hình hệ thống thực nghiệm.........................................................67
Hình 3.14: Xử lý gói tin trên node-red...............................................................67
Hình 3.15: Giao diện giám sát trên web...........................................................68
Hình 3.16: Giao diện giám sát trên LCD..........................................................68

1

LỜI MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Internet of Things (IoT) là một trong các phần tử then chốt trong cuộc cách
mạng 4.0 bên cạnh các công nghệ AI, big data hay thực tại ảo. Dựa trên nền tảng hạ
tầng mạng cảm biến không dây, các giải pháp IoT cung cấp rất nhiều ứng dụng
trong các lĩnh vực quân sự, thương mại, nông nghiệp, y tế, giao thông hay lĩnh vực
đời sống xã hội khác nhau. IoT được định nghĩa bởi Tổ chức liên minh viễn thông
quốc tế ITU như là một hạ tầng mạng năng động với khả năng tự cấu hình dựa trên
các giao thức truyền thông liên điều hành và chuẩn hóa để có thể sử dụng giao diện
thông minh. Hơn nữa, IoT kết nối liên thông với các mạng lưới truyền thông để kết
nối vật thực và ảo, được đặc trưng qua tham số vật lý cũng như tính chất trừu tượng
đặc trưng.
Trong các năm qua, Các ứng dụng thực tiễn IoT tại Việt Nam có thể chỉ ra
qua các giải pháp nông nghiệp thông minh, giao thông thông minh hay Thành phố
thông minh. Vì vậy, nghiên cứu chuẩn truyền thông của IoT và định hướng ứng
dụng vào môi trường cụ thể là một trong các nhiệm vụ cần thiết trong quá trình phát
triển và triển khai các dự án IoT. Luận văn này tập trung vào nghiên cứu một chuẩn
giao thức truyền thông phổ biến trong IoT, hỗ trợ truyền thông cho mạng cảm biến
không dây là giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). Các khía
cạnh điều hành, chất lượng và bảo mật của giao thức sẽ được nghiên cứu để rút ra
các kết luận hữu ích trong ứng dụng của một hệ thống IoT cụ thể cho bài toán như
đo kiểm tham số môi trường.
Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
MQTT là một giao thức ra đời vào 1999 và được coi như một phương thức
đáng tin cậy hiệu quả với chi phí thấp để kết nối các thiết bị giám sát sử dụng trong
các ngành công nghiệp dầu mỏ và khí đốt với các máy chủ doanh nghiệp từ xa. Để

quản lý hệ thống SCADA, MQTT dựa trên TCP/IP tạo ra một mô hình truy xuất bản
tin kiểu xuất bản/đăng ký (publish/subscribe) để tối thiểu hóa năng lượng truyền tin
trên các hạ tầng tốc độ thấp.


2

MQTT là một lựa chọn tốt cho các mạng không dây mà có độ trễ không ổn
định, hạn chế về băng thông hoặc các kế nối không đáng tin cậy. Khi một kết nối từ
một client đăng ký vào broker bị ngắt, broker sẽ tạm thời giữ các thông điệp này và
sẽ cung cấp chúng cho các subscribe khi nó có kết nối trở lại. Các kết nối từ các
client publish cho các broker ngắt kết nối mà không cần phản thông báo, broker có
thể đóng kết nối và gửi một thông điệp đã được lưu trữ tạm thời với các chỉ dẫn từ
publisher.
Cùng với sự phát triển ứng dụng MQTT, các thách thức công nghệ và các
vấn đề mở trong nghiên cứu hiện nay đã được đề cập ví dụ như: vấn đề truyền thông
tốc độ thấp nhằm hạn chế năng lượng tiêu thụ liên quan tới ràng buộc chất lượng
kết nối, độ phức tạp tính toán, hiệu năng hệ thống hay bảo mật. Tuy nhiên, phần lớn
các nghiên cứu về truyền thông đều thuộc về các tác giả ngoài nước. Các nội dung
nghiên cứu một cách hệ thống về nguyên tắc hoạt động, ứng dụng và phân tích
MQTT trong trường hợp cụ thể tại Việt Nam là chưa được đề cập đến. Cụ thể hơn,
các ứng dụng IoT hiện tại luôn đặt ra một số các thách thức mới từ môi trường ứng
dụng không ổn định đến các yêu cầu cụ thể của ứng dụng như điều khiển phản hồi
hay thời gian thực đã và đang tạo ra một số các vấn đề cần tiếp tục cải thiện xung
quanh hệ thống IoT sử dụng giao thức MQTT. Vì vậy, luận văn này sẽ tiếp cận các
mục đích nghiên cứu như dưới đây.
Nghiên cứu cơ chế hoạt động và các đặc trưng liên quan tới hiệu năng hệ thống
IoT sử dụng giao thức MQTT. Các nội dung nghiên cứu chính gồm:
+ Kiến trúc và ứng dụng của các hệ thống IoT điển hình;
+ Đặc trưng giao thức MQTT và các cơ chế truyền thông liên quan;

+ Phân tích, đánh giá các khía cạnh chất lượng và bảo mật liên quan tới MQTT;
+ Mô hình ứng dụng hệ thống IoT kết nối qua MQTT.
Bố cục của luận văn được trình bày như sau:
Chương 1: Tổng quan hệ thống IoT. Chương này trình bày tổng quan về hệ thống
IoT từ các khía cạnh kiến trúc, công nghệ và ứng dụng.


3

Chương 2: Đặc tính chuẩn giao thức truyền thông MQTT. Chương này trình bày
về các đặc tính kỹ thuật của chuẩn truyền thông MQTT. Kiến trúc giao thức, đặc
điểm truyền thông và ứng dụng.
Chương 3: Ứng dụng giao thức MQTT trong IoT. Phân tích và đánh giá các tham
số ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ, bảo mật liên quan tới MQTT hoạt động trong
IoT, đồng thời đưa ra giải pháp để cải thiện vấn đề này.


4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG IOT
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG
Hệ thống đo từ xa đầu tiên đã được triển khai ở Chicago 1912 trên cơ sở sử
dụng đường dây điện thoại để theo dõi dữ liệu từ nhà máy điện. Từ xa mở rộng để
theo dõi thời tiết trong những năm 1930, khi một thiết bị được gọi là radio được sử
dụng rộng rãi để giám sát điều kiện thời tiết từ kinh khí cầu. Năm 1957, Liên Xô đã
ra mắt Sputnik trong cuộc đua không gian, sự gia nhập của từ xa hàng không vũ trụ
đã tạo ra cơ sở của truyền thông vệ tinh toàn cầu của chúng ta ngày nay. Công nghệ
điều khiển máy tới máy M2M (machine to machine) bắt đầu từ những năm 1980
bằng hệ thống kết nối hữu tuyến cho hệ thống SCADA (kiểm soát giám sát và thu
thập dữ liệu) phục vụ nhà máy, hệ thống an ninh gia đình và kinh doanh. M2M

chuyển sang công nghệ không dây vào những năm 1990.
Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet
viết tắt là IoT (tiếng Anh: Internet of Things) là một kịch bản của thế giới, khi mà
mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình và tất cả có khả
năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần
đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. Nó cho
phép các đối tượng được cảm nhận và kiểm soát như một vòng tròn, tạo cơ hội tuyệt
vời để kết nối với thế giới vật lý vào các hệ thống máy tính, và kết quả là nâng cao
độ chính xác và lợi ích kinh tế.

Hình 1.1: Thế giới vật lý và thế giới thông tin


5

IoT được xem như là một cơ sở hạ tầng toàn cầu cho xã hội thông tin, cho
phép các dịch vụ tiên tiến bằng cách kết nối (vật lý và ảo) vạn vật dựa trên sự phát
triển thông tin tương tác và công nghệ truyền thông. Vạn vật là đối tượng của thế
giới vật lý (vật lý sự vật) hoặc của thế giới thông tin (thế giới ảo) có khả năng được
xác định và tích hợp vào các mạng truyền thông. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của
công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói đơn giản là một tập
hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài
để thực hiện một công việc nào đó. IoT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau.
Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G),
Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại.v.v. Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy
pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị khác. IoT sẽ là mạng khổng
lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả con người và sẽ tồn tại các mối quan hệ giữa
người và người, người và thiết bị, thiết bị và thiết bị. Một mạng lưới IoT có thể
chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và mạng lưới này có thể theo
dõi sự di chuyển của từng đối tượng. Và khi IoT thực sự lớn mạnh trong vài năm

tới, sẽ càng nhiều thiết bị sẽ tham gia vào danh sách đó. Từ đó sẽ xây dựng lên một
hệ sinh thái phong phú và vững mạnh.
Trong IoT, cảm biến đóng vai trò then chốt, nó đo đạt cảm nhận giá trị từ môi
trường xung quanh rồi gửi đến bộ vi xử lý sau đó được gửi lên mạng. Chúng ta có
thể bắt gặp một số loại cảm biến về cảnh báo cháy rừng, cảnh báo động đất, cảm
biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm.v.v Để giúp cho thiết bị kéo dài được thời gian hoạt
động hơn thì đòi hỏi cảm biến cũng phải tiêu hao một lượng năng lượng cực kỳ
thấp. Bên cạnh đó độ chính xác và thời gian đáp ưng của cảm biến cũng phải nhanh.
Để giá thành của thiết bị thấp thì đòi hỏi giá cảm biến cũng phải thấp.
Thuật ngữ và định nghĩa cơ bản
• Internet of Things: Một mạng lưới các đối tượng kết nối internet có thể thu
thập và trao đổi dữ liệu bằng cách sử dụng các cảm biến nhúng.
• Thiết bị Internet of Things: Bất kỳ thiết bị kết nối Internet độc lập nào có thể
được theo dõi và / hoặc điều khiển từ xa.


6

• Hệ sinh thái Internet of Things: Tất cả các thành phần cho phép các doanh
nghiệp, chính phủ và người tiêu dùng kết nối với các thiết bị IoT, bao gồm
điều khiển từ xa, bảng điều khiển, mạng, cổng, phân tích, lưu trữ dữ liệu và
bảo mật.
• Thực thể (Entity): Bao gồm các doanh nghiệp, chính phủ và người tiêu dùng.
• Lớp Vật lý (Physical layer): Phần cứng tạo ra thiết bị IoT, bao gồm cảm biến
và thiết bị mạng.
• Lớp mạng (Network layer): Chịu trách nhiệm truyền dữ liệu được thu thập
bởi lớp vật lý tới các thiết bị khác nhau.
• Lớp ứng dụng (Application layer): Bao gồm các giao thức và giao diện mà
các thiết bị sử dụng để xác định và liên lạc với nhau.
• Hệ thống điều khiển từ xa (Remotes): Cho phép các Người dùng sử dụng

thiết bị IoT để kết nối và kiểm soát chúng thông qua bảng điều khiển, chẳng
hạn như ứng dụng di động. Chúng bao gồm điện thoại thông minh, máy tính
bảng, máy tính cá nhân, đồng hồ thông minh, TV được kết nối và điều khiển
từ xa không liên quan.
• Bảng điều khiển (Dashboard): Hiển thị thông tin về hệ sinh thái IoT cho
người dùng và cho phép họ kiểm soát hệ sinh thái IoT của họ.
• Hệ thống phân tích (Analytics): Các hệ thống phần mềm phân tích dữ liệu
được tạo ra bởi các thiết bị IoT. Hệ thống phân tích được sử dụng cho nhiều
tình huống, chẳng hạn như bảo trì hay dự đoán.
• Lưu trữ dữ liệu (Data storage): Dữ liệu từ thiết bị IoT được lưu trữ.
• Mạng (Networks): Lớp truyền thông internet cho phép đối tượng liên lạc với
thiết bị của họ và đôi khi cho phép các thiết bị kết nối với nhau.

1.2 MÔ HÌNH KIẾN TRÚC VÀ THÀNH PHẦN IOT
Vật chất tồn tại trong thế giới vật chất và có khả năng được cảm nhận, chấp hành
và kết nối. Ví dụ về những thứ vật chất bao gồm môi trường xung quanh, robot
công nghiệp, hàng hóa và thiết bị điện. Những thứ ảo tồn tại trong thế giới thông tin


7

và có khả năng được lưu trữ, xử lý và truy cập. Ví dụ về những thứ ảo bao gồm nội
dung đa phương tiện và phần mềm ứng dụng. Các đặc điểm cơ sở của IoT gồm:
• Khả năng kết nối: mọi thứ đều có thể kết nối với thông tin và truyền thông
toàn cầu cơ sở hạ tầng.
• Tính không đồng nhất: Các thiết bị trong IoT không đồng nhất như dựa trên
các nền tảng phần cứng và mạng khác nhau; khả năng tương tác với các thiết
bị hoặc nền tảng dịch vụ khác thông qua mạng khác nhau.
• Thay đổi động: trạng thái của thiết bị thay đổi linh hoạt, ví dụ: ngủ và thức
dậy, kết nối hoặc ngắt kết nối cũng như bối cảnh của các thiết bị bao gồm vị

trí và tốc độ. Hơn nữa, số lượng thiết bị có thể thay đổi linh hoạt.
• Quy mô rất lớn: số lượng thiết bị cần phải được quản lý và liên lạc với lẫn
nhau sẽ lớn hơn các thiết bị kết nối với Internet hiện tại. Tỷ lệ truyền thông
được kích hoạt bởi các thiết bị so với kích hoạt giao tiếp bởi con người sẽ
thay đổi đáng kể theo hướng giao tiếp giữa máy và máy.
Các công nghệ truyền thông ứng dụng trong IoT
• RFID (Radio Frequency Code - Mã tần số vô tuyến) tags và EPC (Electronic
Product Code - Mã sản phẩm điện tử).
• NFC (Near Field Communication - Giao tiếp trường gần): được sử dụng để
tương tác hai chiều giữa các thiết bị điện tử. Đây là công nghệ cơ bản dùng
cho các điện thoại thông minh và được sử dụng để thực hiện các giao dịch
thanh toán không tiếp xúc.
• Bluetooth: được sử dụng cho các liên lạc tầm ngắn. Chủ yếu được sử dụng
trong công nghệ wearable.
• Z-Wave: công nghệ truyền thông RF công suất thấp. Chủ yếu được sử dụng
cho tự động hóa trong nhà, đèn kiểm soát ...
• WiFi: được sử dụng phổ biến nhất cho IoT; trong môi trường mạng LAN, nó
giúp chuyển các tập tin, dữ liệu và tin nhắn một cách liền mạch
Tổng quan kiến trúc IoT được đại diện cơ bản bởi 4 phần sau.


8

Vạn vật (Things): Ngày nay có hàng tỷ vật dụng đang hiện hữu trên thị trường
gia dụng và công nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của người dùng. Chẳng hạn như
xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối trực
tiếp thông qua băng tầng mạng không dây và truy cập vào Internet. Giải pháp IoT
giúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục
bộ, còn các thiết bị chưa thông minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết
nối.

Trạm kết nối (Gateways): Một rào cản chính khi triển khai IoT đó là gần 85%
các vật dụng đã không được thiết kế để có thể kết nối với Internet và không thể chia
sẻ dữ liệu với điện toán đám mây. Để khắc phục vấn đề này, các trạm kết nối sẽ
đóng vai trò là một trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối
với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý.
Hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud):
• Cơ sở hạ tầng kết nối: Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IP
được kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính. Cơ sở hạ tầng mạng
này bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp
và nhiều thiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng
được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp - được triển khai bởi các nhà
cung cấp dịch vụ.
• Trung tâm dữ liệu/ hạ tầng điện toán đám mây: Các trung tâm dữ liệu và hạ
tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống
lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối.
• Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers):
sự kết hợp những phần mềm quản lý API (Application Progmraming
Interface) để giúp đưa các sản phẩm và giải pháp IoT ra thị trường một cách
chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ hệ thống
và tài sản đang có sẵn.

1.3 CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA IOT TỚI CUỘC SỐNG


9

1.3.1 Hệ sinh thái IoT
Internet vạn vật (IoT) đề cập đến việc sử dụng các thiết bị và hệ thống được kết
nối thông minh để tận dụng dữ liệu được thu thập bởi các cảm biến nhúng, bộ
truyền động trong máy và các đối tượng vật lý khác. IoT có sức lan truyền nhanh

chóng trong những năm tới và sự hội tụ này sẽ mở ra một chiều hướng mới của các
dịch vụ giúp cải thiện chất lượng cuộc sống của người tiêu dùng và năng suất của
các doanh nghiệp, mở ra một cơ hội mới cho GSMA hay còn gọi là kết nối cuộc
sống.
Đối với người tiêu dùng, IoT có tiềm năng cung cấp các giải pháp cải thiện hiệu
quả về mặt năng lượng, an ninh, sức khỏe, giáo dục và nhiều khía cạnh khác của
cuộc sống hàng ngày. Với doanh nghiệp, IoT củng cố các giải pháp cải thiện việc ra
quyết định và năng suất trong sản xuất, bán lẻ, nông nghiệp và các ngành khác.
Các giải pháp Machine to Machine (M2M) - một tập hợp con của IoT - sử dụng
các mạng không dây để kết nối các thiết bị với nhau và Internet, với sự can thiệp tối
thiểu của con người, để cung cấp dịch vụ đáp ứng nhu cầu của một loạt các ngành
công nghiệp. Năm 2013, kết nối M2M chiếm 2,8% kết nối di động toàn cầu (195
triệu), đây là dẫn chứng cho thấy, ở giai đoạn này, vẫn còn tương đối sớm để phát
triển. Ngoài ra, IoT đại diện cho sự phối hợp của nhiều nhà cung cấp máy móc, thiết
bị và thiết bị kết nối Internet thông qua nhiều mạng.
Mặc dù tác động chính đến IoT là đáng kể, nhưng cần có một sự phối hợp để di
chuyển ngoài giai đoạn đầu này. Để tối ưu hóa sự phát triển của thị trường, một
điểm chung sự hiểu biết về bản chất riêng biệt của cơ hội là bắt buộc. Đến nay, các
nhà khai thác di động đã xác định các tính năng đặc biệt chính sau đây:
a) Internet of Things có thể cho phép làn sóng dịch vụ nâng cao cuộc sống tiếp
theo trên một số lĩnh vực cơ bản của nền kinh tế.
b) Đáp ứng nhu cầu của khách hàng có thể yêu cầu mô hình phân phối toàn cầu
và nhất quán dịch vụ toàn cầu.
c) Internet of Things mang đến cơ hội cho các mô hình thương mại mới hỗ trợ
triển khai toàn cầu hàng loạt.


10

d) Phần lớn doanh thu sẽ phát sinh từ việc cung cấp dịch vụ giá trị gia tăng và

điện thoại di động, các nhà khai thác đang xây dựng các khả năng mới để
cho phép các khu vực dịch vụ mới này.
e) Hành vi của thiết bị và ứng dụng sẽ đặt ra các nhu cầu mới và khác nhau trên
thiết bị mạng di động.
Sự đa dạng của ứng dụng IoT nghĩa là không một chip duy nhất nào có khả năng
phù hợp với tất cả mọi thứ. Phân mảnh như là bước chuẩn bị để các nhà sản xuất
thiết bị có thể lựa chọn nền tảng phù hợp với mình nếu không muốn bị cô lập trong
tương lai. Điều này tương tự như thị trường phần mềm điện thoại thông minh khi
không chỉ có iOS mà còn đó Android, Windows Phone, BlackBerry. Cũng có một
viễn cảnh tốt hơn khi những nhóm tiêu chuẩn IoT hợp tác với nhau, cho khả năng
tương thích rộng rãi. Điều này phụ thuộc vào các công ty lớn như Samsung, Intel,
Microsoft có sức ảnh hưởng lớn đối với thị trường công nghệ. Việc giảm phân mảnh
có thể tạo nên sản phẩm đại chúng hơn và người dùng sẽ là những người quyết định
sự thành bại của các tiêu chuẩn nói trên.

Hình 1.2: Mô hình hệ sinh thái IoT

Điều quan trọng nhất góp phần vào sự phát triển của thị trường IoT là lợi
nhuận của các bên tham gia, từ các nhà sản xuất bán dẫn cho đến các nhà phát triển
ứng dụng. Xa hơn nữa là lợi ích của thiết bị mang lại cho người sử dụng cũng như
phục vụ trong công việc đối với doanh nghiệp. Theo ước tính trong tương lai thì IoT


11

sẽ là thị trường sản phẩm lớn nhất trên thế giới. IoT sẽ có quy mô rộng lớn khi hầu
hết các sản phẩm có thể giao tiếp với nhau.
− IoT sẽ tạo thêm 1,7 ngàn tỷ USD cho nền kinh tế toàn cầu trong năm 2020.
Doanh thu này bao gồm phần cứng, ứng dụng, chi phí khởi tạo, dịch vụ
quản lý, và giá trị gia tăng từ hiệu quả sử dụng IoT trong đời sống, công

việc.
− Việc xuất khẩu thiết bị dự kiến đạt 6,7 tỷ USD vào năm 2020 với khoảng
thời gian tăng trưởng kép trong 5 năm (CAGR) đạt 61%. Doanh thu từ việc
bán phần cứng có thể chỉ đạt 50 tỷ USD hoặc 8% tổng doanh thu từ IoT,
phần lớn số tiền sẽ rơi vào các công ty hạ tầng và nhà phát triển ứng dụng
thiết bị.
− Đối với doanh nghiệp thì IoT được xem là thị trường màu mỡ khi trong
năm 2014, lượng sản phẩm bán cho khối này chiếm 46%. Tuy nhiên đối với
khối thị trường dành cho chính phủ giảm sụt do những lo ngại về bảo mật,
ngoài ra phân khúc dành cho gia đinh đang được đánh giá là có tiềm năng
lớn.
− Sự tăng trưởng mạnh mẽ của IoT dựa trên cơ sở hạ tầng ngày càng phát
triển cùng với đó là chi phí sản xuất thấp. IoT hứa hẹn sẽ tăng hiệu suất
hoạt động cho gia đình, thành phố và nơi làm việc với khả năng kiểm soát,
quản lý cho người dùng.
Viễn cảnh thị trường IoT khá sáng sủa, tuy nhiên đây chỉ là dự kiến, mảng
kinh doanh thiết bị IoT phụ thuộc khá nhiều vào người dùng và công nghệ - điều mà
các nhà sản xuất hiện vẫn đang nỗ lực tạo nên những trải nghiệm tốt nhất.

1.4 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA IOT
1.4.1 Tóm tắt các ứng dụng của IoT
Thành phố thông minh
• Công viên thông minh: giám sát không gian đỗ xe của thành phố.
• Kiểm tra xây dựng: giám sát các rung động và các điều kiện vật chất trong
các tòa nhà, cầu và công trình lịch sử.


12

• Bản đồ tiếng ồn thành phố: giám sát âm thanh trong các phạm vi quán bar và

các khu trung tâm theo thời gian thực.
• Tắc nghẽn giao thông: giám sát các phương tiện và mức độ người đi bộ để
tối ưu việc lái xe và đi lại.
• Chiếu sáng thông minh: chiếu sáng thông minh và tương ứng với thời tiết
trong hệ thống đèn đường.
• Quản lý chất thải: phát hiện mức độ rác thải trong các container để tối ưu
đường đi thu gom rác.
• Hệ thống vận tải thông minh: các tuyến đường và cao tốc thông minh với các
thông điệp cảnh báo và các điều chỉnh theo điều kiện thời tiết và các sự kiện
không mong muốn như tai nạn, tắc đường.
Môi trường thông minh
• Phát hiện cháy rừng: giám sát khí gas đốt cháy và các điều kiện cảnh báo
cháy rừng để đưa ra vùng cảnh báo.
• Ô nhiễm không khí: điều khiển khí CO2 thải ra từ các nhà máy, các khí gây ô
nhiễm từ phương tiện và khí độc trong các nông trại.
• Phòng ngừa lũ quét và lở đất: giám sát độ ẩm đất, các rung chấn và mật độ
đất để phát hiện các mối nguy hiểm theo điều kiện đất.
• Phát hiện sớm động đất: phân bố giám sát ở các vùng đặc biệt có rung chấn.
Nguồn nước thông minh
• Chất lượng nước: nghiên cứu về sự thích hợp của nước trên các sông, vùng
biển đối với hệ động vật và tiêu chuẩn nước để sử dụng.
• Rò rỉ nước: phát hiện chất lỏng bên ngoài các két và các biến động áp suất
bên trong các đường ống.
• Lũ trên các con sông: giám sát biến động mực nước trên các sông, đập và
nguồn nước.
Đo lường thông minh
• Mạng lưới thông minh: giám sát và quản lý tình hình tiêu thụ năng lượng.


13

• Tình hình các bể chứa: giám sát mức nước, dầu, khí ga trong các két và bể
chứ.
• Cài đặt hệ thống quan điện: giám sát và tối ưu hiệu quả của các thiết bị năng
lượng mặt trời.
• Lưu lượng nước: đo lường áp suất nước trong các hệ thống dẫn nước.
• Tính toán trữ lượng hàng: đo lượng mức độ còn và khối lượng hàng hóa.
Bảo mật và cảnh báo khẩn cấp
• Kiểm soát vùng hạn chế truy nhập: điều khiển truy nhập tới các vùng hạn chế
và phát hiện người không phận sự.
• Sự có mặt của chất lỏng: phát hiện chất lỏng trong các trung tâm dữ liệu, kho
dữ liệu và vị trí xây dựng nhạy cảm để chống sự hỏng hóc và ăn mòn.
• Mức bức xạ: phân phối đo lường phạm vi bức xạ xung quanh các khu năng
lượng hạt nhân để cảnh báo rò rỉ kịp thời.
• Các khí nguy hiểm và nổ khí: phát hiện mức độ khí gas và rò rỉ trong các môi
trường công nghiệp, xung quanh các nhà máy hóa chất và trong các mỏ.
Hệ thống bán lẻ
• Thanh toán NFC: quá trình chi trả dựa trên vị trí hoặc khoảng thời gian hoạt
động để chuyên chở công cộng, thể thao, các công viên chủ đề…
• Điều khiển băng chuyền: giám sát các điều kiện lưu trữ trong các dây chuyền
và theo dõi sản phẩm cho mục đích giám sát.
• Các ứng dụng mua sắm thông minh: đưa ra lời khuyên tại các thời điểm bán
theo thói quen khách hàng, sở thích, các thành phần gây phản cảm với người
mua hoặc hạn sử dụng.
• Quản lý sản phẩm thông minh: điều khiển sự luân phiên các sản phẩm trong
giá và kho để tự động các quá trình bổ sung.
Điều khiển trong công nghiệp
• Các ứng dụng M2M: kiểm soát tài sản và các máy tự chẩn đoán.

14

• Chất lượng không khí trong nhà: giám giá khi độc và mức độ khí oxi trong
các thiết bị hóa học để đảm bảo cho công nhân và hàng hóa an toàn.
• Giám sát nhiệt độ: kiểm soát nhiều độ trong công nghiệp và tủ y học với
hàng hóa nhạy cảm.
• Sự có mặt của khí Ozone: kiểm soát mức độ khí Ozone trong khi làm khô các
sản phẩm thịt trong các nhà máy thực phẩm.
• Định vị trong nhà: vị trí các tài sản trong nhà bằng cách sử dụng các thẻ tích
cự (ZigBee) và bị động (RFID/NFC).
• Các phương tiện tự chẩn đoán: thu thập thông tin từ CanBus để gửi các cảnh
báo thời gian thực để nhanh chóng đưa lời khuyên cho lái xe.
Nông trại gia súc thông minh
• Chăm sóc: kiểm soát các điều kiện phát triển của con non trong trang trại gia
súc để đảm bảo sống sót và khỏe mạng.
• Theo dõi gia súc: vị trí và định danh của các gia súc trên đồng cỏ và phạm vi
chăn thả.
• Mức độ khí độc: nghiên cứu thông hơi và chất lượng không khi trong các
nông trại và phát hiện khí có hại.
Nhà tự động.
• Sử dụng năng lượng và nước: hỗ trợ giám sát tiêu dùng nước và năng lượng
để cho lời khuyên làm thế nào để tiết kiệm chi phí và tài nguyên.
• Các thiết bị điều khiển từ xa: bật tắt bằng thiết bì điều khiển từ xa để tránh tai
nạn và tiết kiệm năng lượng.
• Các hệ thống phát hiện xâm nhập: phát hiện của sổ và của ra vào và các xâm
pham để chống đột nhập.
• Bảo quản hàng hóa và nghệ thuật: giám sát các điều kiện bên trong bảo tang
và nơi lưu trữ nghệ thuật.
Chăm sóc sức khỏe
• Phát hiện ngã: giúp đỡ người già hoặc người tàn tật sống độc lập.

15

• Các tủ thuốc: giám sát các điều kiện bên trong tủ lạnh lưu trữ vaccine, thuốc,
và các yếu tố hữu cơ.
• Chăm sóc vận động viên: giám sát các dấu hiệu trong trung tâm chăm sóc.
• Giám sát bệnh nhân: giám sát điều kiện của các bênh nhân trong bệnh viện
và tại nhà họ.
• Bức xạ tử ngoại: đo lường lượng tia mặt trời UV để cảnh bảo mọi người
không phơi nắng trong nhưng giờ nhất định.

1.4.2 các ứng dụng tiêu biểu
a, Ứng dụng trong lĩnh vực y tế
IoT được đặt kỳ vọng cao trong việc đem đến cuộc cách mạng trong lĩnh vực
chăm sóc sức khỏe, hứa hẹn thay đổi lớn cách thức con người tiếp cận các dịch vụ
chăm sóc sức khỏe.
IoT trong chăm sóc sức khỏe cơ bản dựa trên nguyên tắc chung của IoT, là một
mạng lưới các thiết bị kết nối trực tiếp với nhau để nắm bắt và chia sẻ dữ liệu thông
qua giao thức an toàn (SSL - Secure Sockets Layer) dưới sự điều khiển của máy chủ
trung tâm kết hợp với công nghệ điện toán đám mây.
a, Ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp
Nông nghiệp là xương sống của nền văn minh nhân loại đặt biệt là tại Việt Nam.
Nhưng nó lại là một trong những lĩnh vực cuối cùng tiến vào nền kinh tế kết nối –
IoT. Những thách thức trong vấn đề lương thực toàn cầu đòi hỏi người làm nông
nghiệp phải tìm kiếm những phương thức tốt hơn, để cung cấp lương thực cho dân
số được dự báo là sẽ tăng thêm 2 tỉ người vào năm 2050. Điều đó khiến cho công
nghệ IoT trở nên có ý nghĩa hơn bao giờ hết. Những cải tiến về cảm biến, dữ liệu
lớn, hạ tầng mạng.v.v được hi vọng sẽ mang tới một cuộc cách mạng trong nông
nghiệp để có có thể cung cấp lương thực cho dân số thế giới đang tăng nhanh nhưng

đồng thời tạo ra nguồn lương thực tươi mới, nhiều dinh dưỡng hơn.
c, Ứng dụng trong nhà thông minh