Nghiên cứu giao thức MQTT(Message queue telemetry transport) và ứng dụng thu thập dữ liệu cảm biến theo MQTT

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

Đỗ Huy Nam

NGHIÊN CỨU GIAO THỨC MQTT (MESSAGE QUEUE
TELEMETRY TRANSPORT) VÀ ỨNG DỤNG THU THẬP DỮ LIỆU
CẢM BIẾN THEO MQTT

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60.48.01.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS HOÀNG LÊ MINH

HÀ NỘI - 2016


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

Đỗ Huy Nam

NGHIÊN CỨU GIAO THỨC MQTT (MESSAGE QUEUE TELEMETRY
TRANSPORT) VÀ ỨNG DỤNG THU THẬP DỮ LIỆU CẢM BIẾN THEO MQTT

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60.48.01.01

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2016


i

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

Học viên

Đỗ Huy Nam


ii

LỜI CẢM ƠN
Với tất cả lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn tới Thầy
giáo TS Hoàng Lê Minh, người đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn em trong quá trình
hoàn thành luận văn.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy giáo, Cô giáo công tác
tại Học viện Công nghệ bưu chính viễn thông, những người đã tận tình giảng dạy,
truyền thụ cho em những kiến thức khoa học căn bản trong quá trình học tập tại
trường.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, các đồng
nghiệp đã động viên, sát cánh cùng tôi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài.

Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2016
Học viên

Đỗ Huy Nam


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 HÌNH.................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... x
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS (IoT)......................3
1.1

Giới thiệu về IoT.......................................................................................... 4

1.1.1

Định nghĩa về IoT..................................................................................... 5

1.1.2

Lợi ích và vai trò của IoT.......................................................................... 8

1.1.3

Các cơ hội và xu hướng phát triển của IoT............................................... 8

1.1.4

Các công nghệ nền tảng của IoT............................................................. 10

1.2

Tổng quan về giao thức thu thập dữ liệu IoT............................................. 13

1.2.1

Giao thức MQTT.................................................................................... 13

1.2.1.1

Giới thiệu về giao thức MQTT............................................................ 13

1.2.1.2

Mô hình giao thức MQTT................................................................... 15

1.2.1.3

Định dạng thông điệp MQTT.............................................................. 16

1.2.1.4

Môi trường hoạt động MQTT.............................................................. 20

1.2.2

Giao Thức CoAP.................................................................................... 21

1.2.2.1

Giới thiệu về giao thức CoAP.............................................................. 21

1.2.2.2

Mô hình giao thức CoAP..................................................................... 22

1.2.2.3

Định dạng thông điệp CoAP................................................................ 23

1.2.2.4

Môi trường hoạt động CoAP............................................................... 27

1.2.3
1.3

Một số ưu điểm của MQTT so với các giao thức IoT khác.....................28
Kết luận...................................................................................................... 29


iv

CHƢƠNG 2: TÌM HIỂU GIẢI PHÁP THU THẬP DỮ LIỆU CẢM BIẾN

BẰNG CÔNG NGHỆ IOT .....................................................................................
2.1

Mạng cảm biến không dây............................

2.1.1

Mạng cảm biến là gì?

2.1.2

Cấu trúc của mạng cảm

2.1.3

Ứng dụng và xu hướng

2.2

Tổng quan về IoT Gateway ..........................

2.2.1

Giới thiệu về IoT Gate

2.2.2

Đặc điểm và lợi ích củ

2.2.3

Ứng dụng của IoT Gat

2.3
2.3.1

Thu thập dữ liệu cảm biến bằng công nghệ I

Đặc điểm của dữ liệu c

2.3.1.1Định dạng JSON (JavaScript Object Notation) ....................................
2.3.1.2

Định dạng XML .........

2.3.1.3

Định dạng CSV ..........

2.3.2

Ứng dụng của dữ liệu

2.4

Kết luận ........................................................

CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG IOT THU THẬP DỮ LIỆU CẢM
BIẾN THEO GIAO THỨC MQTT .......................................................................
3.1

Giới thiệu về bài toán thu thập dữ liệu IoT v

3.2

Xây dựng một ứng dụng IoT thử nghiệm thu

Gateway và giao thức MQTT. ...............................................................................
3.2.1

Giới thiệu về nền tảng

3.2.2

Giới thiệu về ứng dụng

3.2.3

Cài đặt và sử dụng ứng

3.3

Kết luận ........................................................

KẾT LUẬN ..............................................................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng A

IoT

Internet

MQTT

Messag

Transpo
CoAP

Constra

APIs

Applica

Interfac
WSN

Wireles

HTTP

Hyper T

SMTP

Simple

IMAP

Internet

POP

Post Off

SDK

Softwar

SIDF

Sensor I

XMPP

Extensib

Protoco


vi

IETF

Internet

RFID

Radio F

SCADA

Supervi

Acquisi

JSON

JavaScr

CSV

Comma

Broker
SSL/TLS

Secure S

Layer S

MIT

Massach

Technol
FTP

File Tra

MBAN

Medical

WebRTC

Web Re

UDP

User Da


vii

LWM2M

Lightwe

OMA

Open M

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. 1: Mô hình Internet of Things....................................................................... 4
Hình 1. 2: Sự tăng trưởng của các thiết bị IoT [12]................................................... 5
Hình 1. 4: Mô hình kết nối với giao thức MQTT [7]............................................... 13
Hình 1. 5: Mô hình giao thức MQTT [7]................................................................. 15
Bảng 1.1: Bảng các loại thông điệp và mô tả [6]..................................................... 16
Bảng 1.2: Cấu trúc của một gói tin điều khiển MQTT............................................ 17
Bảng 1.3: Định dạng cố định của đầu file bản tin MQTT....................................... 17
Bảng 1.4: Bảng mô tả ký tự đại diện của chủ đề thông điệp MQTT [6]..................18
Hình 1. 6: Các mức chất lượng dịch vụ của giao thức MQTT [7]...........................19
Bảng 1.5: Bảng mô tả các mức QoS và ý nghĩa của thông điệp giao thức MQTT [6]
19
Hình 1. 7: Mô hình giao thức CoAP [8].................................................................. 23
Hình 1. 8: Truyền tải thông điệp tin cậy [8]............................................................ 23
Hình 1. 9: Truyền tải thông điệp không tin cậy [8].................................................. 24
Hình 1. 10: Kết quả phản hồi thành công và thất bại của phương thức GET [8].....24
Hình 1. 11: Một yêu cầu GET với một phản hồi riêng biệt [8]................................25
Hình 1. 12: Yêu cầu và không xác nhận phản hồi [8].............................................. 26
Hình 1. 13: Định dạng thông điệp [8]...................................................................... 26
Hình 1. 14: Định dạng CoAP tùy chọn [8].............................................................. 27
Hình 1. 15: Hệ thống kiểm soát năng lượng [8]...................................................... 28
Hình 2. 1: Cấu trúc cơ bản của mạng WSN [4]....................................................... 31
Hình 2. 2: Kiến trúc của một nốt cảm biến [10]...................................................... 33
Hình 2. 3: Mô hình IoT Gateway [16]..................................................................... 36
Hình 2. 4: Vị trí của IoT Gateway trong hệ sinh thái IoT [17]................................38

ix

Hình 2. 5: Sơ đồ tạo ra subscriber [12].................................................................... 41
Hình 2. 6: Sơ đồ hủy một subscriber [12]................................................................ 41
Hình 2. 7: Sơ đồ gửi thông điệp đo [12].................................................................. 42
Bảng 2. 2: Dữ liệu cảm biến gia tốc bằng JSON..................................................... 42
Bảng 2. 3: Định dạng dữ liệu cảm biến nhiệt độ bằng JSON..................................43
Hình 2. 8: Thông điệp đo lường trong XML [12].................................................... 44
Hình 2. 9: Hai phép đo nhiệt độ bằng hai cảm biến của một nút [12]......................44
Hình 2. 10: Bản tin đo mức chuyển động [12]........................................................ 44
Hình 2. 11: Bản tin đo nhiệt độ với các thông tin cảnh báo [12].............................45
Hình 2. 12: Bản tin đo lường gia tốc (x, y, z, pitch, roll, yaw, tổng số) [12]............45
Hình 3. 1: Các dịch vụ Bluemix cung cấp [11]........................................................ 49
Hình 3. 2 Kiến trúc Bluemix Cloud Foundry [11]................................................... 50
Hình 3. 4: Triển khai một ứng dụng [11]................................................................. 52
Hình 3. 5: Thiết kế của một máy chủ ảo [11].......................................................... 53
Hình 3. 6: Triển khai một ứng dụng trên IBM Cloud Foundry [11]........................54
Hình 3. 7: Mô hình ứng dụng IoT thử nghiệm........................................................ 55
Hình 3. 8: Màn hình đăng nhập nền tảng IBM Bluemix IoT [11]............................ 56
Hình 3. 9: Màn hình tạo service IoT với IBM Bluemix [11]................................... 57
Hình 3. 10: Dịch vụ IoT sau khi được tạo [11]........................................................ 57
Hình 3. 11: Màn hình khai báo thiết bị IoT [11]...................................................... 59
Hình 3. 12: Màn hình khởi động ứng dụng sử dụng iPhone....................................60
Hình 3. 13: Màn hình gửi dữ liệu cảm biến gia tốc................................................. 60
Hình 3. 14: Màn hình gửi dữ liệu thông điệp lên IoT Gateway...............................61
Hình 3. 15: Màn hình thông tin thiết bị gửi lên IoT Gateway [11]..........................62
Hình 3. 16: Màn hình xem thông tin tổng hợp các thiết bị gửi lên IoT Gateway [11]
62

x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Bảng các loại thông điệp và mô tả [6]..................................................... 16
Bảng 1.2: Cấu trúc của một gói tin điều khiển MQTT............................................ 17
Bảng 1.3: Định dạng cố định của đầu file bản tin MQTT....................................... 17
Bảng 1.4: Bảng mô tả ký tự đại diện của chủ đề thông điệp MQTT [6]..................18
Bảng 1.5: Bảng mô tả các mức QoS và ý nghĩa của thông điệp giao thức MQTT [6]
19

Bảng 2. 1: Một số nền tảng IoT Gateway phổ biến trên thế giới [16]......................36
Bảng 2. 2: Dữ liệu cảm biến gia tốc bằng JSON..................................................... 42
Bảng 2. 3: Định dạng dữ liệu cảm biến nhiệt độ bằng JSON..................................43


1

MỞ ĐẦU
IoT hiện nay đang là một xu hướng mạnh mẽ trên toàn thế giới, mở ra những
cơ hội chưa từng có cho các nền kinh tế, doanh nghiệp, tổ chức và cá nhân để cạnh
tranh trong môi trường mới. Rất nhiều các công ty tập đoàn có giá trị thị trường lớn
đang đầu tư vào tỷ đô la vào nghiên cứu và phát triển lĩnh vực này trên thế giới.
Cha đ của IoT - ông Kevin Ashton (nhà sáng lập Trung tâm Auto-ID tại Viện
Công nghệ Massachusetts, M ) từng giải thích, IoT được hiểu đơn giản là viễn cảnh
mà tất cả đồ vật trên thế giới, từ chiếc máy bay khổng lồ cho đến những vật dụng
bình thường nh bé trong cuộc sống, đều được kết nối, truyền tải, tương tác và trao
đổi dữ liệu với nhau qua mạng internet. Khi đó, mỗi đồ vật sẽ được gán một mã
nhận dạng, giống như địa chỉ IP trên hệ thống. Nhờ vậy, người dùng có thể tương
tác, điều khiển và kiểm soát mọi thứ trong cuộc sống thông qua những thiết bị thông

minh, như điện thoại thông minh, máy tính bảng... [12]
Phạm vi ứng dụng công nghệ IoT thực sự rộng lớn và đa dạng, từ quản lý
giao thông, quản lý đô thị, quản lý môi trường, ứng phó khẩn cấp đến mua sắm
thông minh, các dịch vụ y tế chăm sóc sức kh e.
IoT gần đây đã đạt được lực kéo rất lớn. IoT thách thức các doanh nghiệp,
các công ty nh , và các nhà phát triển với những vấn đề mới để giải quyết đặc biệt là
vấn đề giao tiếp giữa các thiết bị IoT. Để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau,
chúng sẽ cần một hoặc nhiều giao thức, có thể xem là một thứ ngôn ngữ chuyên biệt
để giải quyết một tác vụ nào đó. Chắc chắn chúng ta đã ít nhiều sử dụng một trong
những giao thức phổ biến nhất thế giới, đó là HTTP để tải web. Ngoài ra chúng ta
còn có SMTP, POP, IMAP dành cho email, FTP dùng để trao đổi file…
Những giao thức như thế này hoạt động ổn bởi các máy chủ web, mail và
FTP thường không phải nói với nhau nhiều, khi cần, một phần mềm phiên dịch đơn
giản sẽ đứng ra làm trung gian để hai bên hiểu nhau. Còn với các thiết bị IoT, chúng
phải đảm đương rất nhiều thứ, phải nói chuyện với nhiều loại máy móc thiết bị khác
nhau. Đáng tiếc rằng hiện người ta chưa có nhiều sự đồng thuận về các giao thức để


2

IoT trao đổi dữ liệu. Nói cách khác, tình huống này gọi là "giao tiếp thất bại", một
bên nói nhưng bên kia không muốn (và không thể) nghe. Hiện nay có rất nhiều giao
thức giao tiếp giữa các thiết bị IoT được đưa ra như: HTTP, Universal Plug and Play
(UPnP), CoAP, XMPP, MQTT.
Trong giai đoạn gần đây giao thức MQTT đang nổi lên như là một giao thức
được sử dụng phổ biến dùng cho giao tiếp IoT, rất nhiều hãng công nghệ lớn đã sử
dụng, áp dụng và hỗ trợ giao thức MQTT cho các ứng dụng của mình như:
Facebook cho ứng dụng Facebook Messenger, IBM, Intel, Amazon, WSO2,
Microsoft [7].
Đó là lý do tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu giao thức MQTT (Message

Queue Telemetry Transport) và ứng dụng thu thập dữ liệu cảm biến theo
MQTT” làm luận văn tốt nghiệp.
Cấu trúc của luận văn được chia làm ba chương, với nội dung chính của mỗi
chương như sau:


Chƣơng 1: Tổng quan về Internet of Things (IoT).



Chƣơng 2: Tìm hiểu giải pháp thu thập dữ liệu cảm biến bằng công

nghệ IoT.


Chƣơng 3: Xây dựng ứng dụng IoT thu thập dữ liệu cảm biến theo

giao thức MQTT.


3

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS (IoT)
Trong khoảng hai năm trở lại đây, chắc hẳn chúng ta đã không ít lần nghe
thoáng qua về khái niệm IoT, hay bắt gặp tin tức về các sản phẩm được quảng cáo là
phục vụ cho nhu cầu “smart home” (nhà thông minh). Trong đó, những thiết bị gia
dụng như lò nướng hay tủ lạnh có thể "nói chuyện" được với nhau. Nhưng chúng
kết nối với nhau như thế nào, và liệu xu hướng này có thực sự bùng nổ, đưa chúng
ta đến một thế giới tương lai như trong game hay phim ảnh? Trong bối cảnh mà
hàng ngày càng nhiều chủng loại thiết bị được gán mác “thông minh - smart” và thi

nhau “lên mây-cloud” như hiện nay, sẽ là không thừa khi chúng ta tìm hiểu các kiến
thức căn bản về hệ sinh thái IoT này.


4

1.1

Giới thiệu về IoT

Hình 1. 1: Mô hình Internet of Things
(Nguồn: Tham khảo từ internet)

IoT là khái niệm để chỉ các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, kết nối với
Internet và tạo nên một mạng lưới các thiết bị thông minh phục vụ cho cuộc sống
người dùng [12].


5

1.1.1 Định nghĩa về IoT

Hình 1. 2: Sự tăng trƣởng của các thiết bị IoT [12]

Mạng lưới vạn vật kết nối Internet viết tắt là IoT 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. 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 thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết cũng như
chỉ sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối. Cụm từ này được
đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999. Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra
Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID
cũng như một số loại cảm biến khác [14].
Vào tháng 6 năm 2009, Ashton từng cho biết rằng "hiện nay máy tính - và do
đó, Internet - gần như phụ thuộc hoàn toàn vào con người để chuyển tải dữ liệu.
Gần như tất cả trong số 50 petabyte dữ liệu đang có trên Internet (vào thời điểm đó)


6

đều được ghi lại hoặc tạo ra bởi con người chúng ta, thông qua các các thức như gõ
chữ, nhấn nút, chụp ảnh, quét mã vạch...". Con người chính là nhân tố quyết định
trong thế giới Internet hiện nay. Thế nhưng con người lại có nhiều nhược điểm:
chúng ta chỉ có thời gian hạn chế, khả năng tập trung và độ chính xác cũng ở mức
thấp so với máy móc. Điều đó có nghĩa là chúng ta không gi i trong việc thu thập
thông tin về thế giới xung quanh, và đây là một vấn đề lớn cần được giải quyết và là
yếu tố quyết định để IoT ra đời [14].

Hình 1. 3: Mô hình triến trúc IoT [13]

Lớp thiết bị: Có thể gồm nhiều loại thiết bị khác nhau có kết nối trực tiếp
hoặc gián tiếp với mạng Internet.
Các giao tiếp kết nối có thể đa dạng: wifi, ethernet, ZigBee, Bluetooth,…Mỗi
thiết bị có một tên định danh duy nhất (unique identifier (UUID)) và tên định danh
được lưu trong ROM.

7

Lớp truyền thông (Communications): Lớp này hỗ trợ kết nối giữa các thiết bị
và giữa thiết bị với đám mây. Một số giao thức truyền thông được sử dụng phổ biến:
MQTT, CoAP, HTTP/HTTPS, Websocket.
Lớp tập hợp/bus (Aggregation/Bus layer): Có khả năng hỗ trợ máy chủ
HTTP và/hoặc MQTT broker để giao tiếp với thiết bị. Có khả năng tập hợp và kết
hợp các giao tiếp từ các thiết bị khác nhau, và định tuyến các giao tiếp đến một thiết
bị chỉ định (có thể qua một gateway). Có khả năng làm cầu nối và chuyển đổi giữa
các giao thức khác nhau, ví dụ như cho phép các lời gọi API dựa trên HTTP thành
một thông điệp MQTT đi đến thiết bị.
Lớp xử lý và phân tích sự kiện (Event Processing and Analytics): Nhận các
sự kiện từ bus và cung cấp khả năng xử lý và hành động dựa trên các sự kiện, có
khả năng lưu dữ liệu vào CSDL.
Lớp truyền thông ngoài (Client/external communications): Hỗ trợ truyền
thông với thế giới bên ngoài, Có thể được thực hiện theo ba k thuật: Sử dụng ứng
dụng web/portal, sử dụng dashboard (bảng điều khiển), sử dụng các giao tiếp máymáy (APIs).
Lớp quản lý thiết bị (Device manager): Gồm hai thành phần:
 Device manager: bộ quản lý thiết bị giao tiếp với Device management

agents;
 Device management agents: các agent quản lý thiết bị chạy trên từng

thiết bị.
 Không quản lý (non-managed)
 Quản lý bán phần (semi-managed)
 Quản lý đầy đủ (fully managed)

Lớp quản lý danh tính và truy nhập (Identity and access management): cung
cấp các dịch vụ:

 Cấp phát và kiểm tra OAuth2 token;


8

 Cung cấp các dịch vụ định danh khác như: SAML2 SSO và

OpenID Connect;
 Quản lý người dụng (như LDAP)
 Quản lý chính sách điều khiển truy cập.

1.1.2 Lợi ích và vai trò của IoT
IoT có ảnh hưởng và ứng dụng rất rộng rãi trên nhiều lĩnh vực như: quản lý
hạ tầng, y tế, xây dựng và tự động hóa, giao thông, quân sự, truyền thông, tài
chính…
Cụ thể trong lĩnh vực y tế, các thiết bị IoT có thể được sử dụng để cho phép
theo dõi sức kh e từ xa và hệ thống thông báo khẩn cấp. Các thiết bị theo dõi sức kh
e như đo huyết áp, nhịp tim hay các thiết bị tiên tiến có khả năng giám sát cấy ghép
đặc biệt như máy điều hòa nhịp tim, máy trợ thính… đang được đưa vào nghiên
cứu, sản xuất để phục vụ cho nhu cầu của con người một cách tối ưu nhất.
Nhờ IoT, có nhiều ý tưởng độc đáo đã trở thành hiện thực. Không chỉ phát
huy tốt hơn cho công dụng vốn có của thiết bị, IoT còn góp phần đem lại cuộc sống
tốt đẹp hơn cho con người
Có thể nói, lợi ích của IoT đối với cuộc sống của con người hiện đại là vô
cùng phong phú. Không những chỉ quan tâm chăm lo về vấn đề sức kh e, mà còn
hướng đến những lợi ích khác về mặt an ninh, giáo dục.
Theo như dự báo của các chuyên gia về tiềm năng của IoT đến năm 2020, họ
cho rằng, IoT sẽ càng ngày càng phát triển mạnh mẽ hơn nữa. IoT đã và đang trở
thành chìa khóa thành công trong tương lai [1].

1.1.3 Các cơ hội và xu hướng phát triển của IoT
IoT là xu hướng phát triển mạnh mẽ của thế giới và đã bắt đầu xuất hiện tại
Việt Nam như nhà thông minh, giao thông thông minh, đô thị thông minh… Trên
nền tảng của bốn trụ cột công nghệ là mạng xã hội, công nghệ di động, phân tích dữ
liệu lớn, điện toán đám mây, IoT được dự báo sẽ đem lại một kỷ nguyên mới bùng
nổ cả về số lượng kết nối với khoảng 80 tỷ kết nối vào năm 2020 cũng như các dịch


9

vụ, ứng dụng trên nền Internet, tạo động lực phát triển kinh tế, đổi mới công nghệ,
từ đó tác động đến mọi mặt đời sống kinh tế xã hội của các quốc gia.
Trên thế giới đã hình thành các liên minh IoT như liên kết quốc tế giữa các
khu vực (EU - Hàn Quốc, EU - Trung Quốc, EU - Nhật Bản…), liên minh các hãng
(Intel, Samsung, Dell, Broadcom...). Tại Việt Nam, S.M.A.C với Social (mạng xã
hội), Mobility (di động), Analytics (phân tích dữ liệu lớn) và Cloud (điện toán đám
mây) đang tạo ra xu thế phát triển "thông minh" trên mọi lĩnh vực [3].
Bùng nổ những trang chia sẻ cộng đồng
Việc bùng nổ những trang web chia s cộng động được tích hợp với chức
năng chia s ảnh, âm nhạc hay video nhằm kéo mọi người gần lại nhau hơn trong
một “thế giới phẳng” yêu cầu một mạng lưới truyền tải có dung lượng lớn để đảm
bảo yêu cầu ngày một cao hơn của người dùng.
Nhiều hơn những trang tìm kiếm
Ngày càng có nhiều hơn những trang web tìm kiếm, chia s và lưu trữ thông
tin, thông tin ngày một nhiều lên yêu cầu một hệ thống lưu trữ có thể th a mãn yêu
cầu của người dùng.
Những trang chia sẻ đa phương tiện
Youtube là trang mạng nổi tiếng nhất trong lĩnh vực tạo và chia s video trên
mạng, cùng với đó là các trang chia s âm nhạc và hình ảnh khác. Những trang ứng
dụng này yêu cầu dung lượng lớn cả về vấn đề lưu trữ cũng như truyền tải.

Nguồn lợi mới trong lĩnh vực kinh doanh
IoT mở ra cơ hội đổi mới công nghệ và ước đoán sẽ mang lại các giá trị
tương đương 19.000 tỷ USD trong vòng 10 năm tới. Hiện nay có khoảng 8 tỷ các
thiết bị kết nối, nhưng đến năm 2020 sẽ lên tới 80 tỷ thiết bị. Một số ý tưởng và sản
phẩm về IoT đã bắt đầu xuất hiện như nhà thông minh, các thiết bị điều khiển trong
gia đình, giao thông.
Sự phát triển của IoT tạo ra bốn bước chuyển dịch trong vai trò của các nhà
khai thác viễn thông. Vai trò đầu tiên là thu thập dữ liệu để nâng cao hiệu quả nội bộ
như hệ thống báo cáo và roaming. Vai trò thứ hai là phân tích thông tin tương tác


10

của khách hàng, để cung cấp những dịch vụ IoT mang tính cá nhân cho các thuê bao
của mình. Vai trò thứ ba là sử dụng cơ sở dữ liệu phân tích là giá trị, kết nối với các
công ty cung cấp dịch vụ ở lĩnh vực khác tạo ra sản phẩm hiệu quả. Vai trò thứ tư là
cung cấp dịch vụ quản lý dữ liệu cho các kết nối IoT, làm cầu nối giữa các công ty
cung cấp ứng dụng IoT với chính các kết nối IoT có SIM và không có SIM để các
bên đều mua được dịch vụ mình cần và bán được dịch vụ mình có một cách hiệu
quả [2].
Để có thể triển khai IoT thành công và bền vững, cần phải cân nhắc đến bốn
yếu tố là nền tảng phần mềm, hệ sinh thái giữa các ngành, quá trình chuẩn hóa về
công nghệ và giải quyết được những lo lắng của khách hàng liên quan tới đảm bảo
tính riêng tư và an toàn.
Mặc dù khái niệm IoT được đưa ra từ lâu. Nhưng trong những năm gần đây
nó mới được nhiều doanh nghiệp cũng như các nhà khoa học để ý và phát triển
mạnh mẽ. Trong các năm gần đây tại các triển lãm công nghệ CES, triễn lãm di
động toàn cầu... các hãng sản xuất lớn thay nhau đưa ra các thiết bị thông minh: tivi
thông minh, tủ lạnh thông minh và ý tưởng về nhà thông minh, giao thông thông
minh, thành phố thông minh... liên tục được giới thiệu. Và khi gây được sự chú ý

của cộng đồng, IoT đã cho thấy tiềm năng của mình bằng những con số đáng kinh
ngạc.
IoT đang trở thành xu hướng toàn cầu, được dự đoán là sẽ tạo ra sự bùng nổ
kinh tế mới và là thị trường thiết bị lớn nhất trên thế giới. Ước tính đến năm 2019,
thị trường này sẽ gấp đôi quy mô thị trường smartphone, PC, tablet, xe hơi kết nối
và thị trường các thiết bị đeo trên người cộng lại. IoT sẽ mang lại 1,7 nghìn tỷ USD
giá trị gia tăng cho nền kinh tế toàn cầu trong 4 năm tới, bao gồm phần cứng, phần
mềm, chi phí lắp đặt, dịch vụ quản lý, và giá trị kinh tế tạo ra từ hiệu quả của IoT
[2].

1.1.4 Các công nghệ nền tảng của IoT
Các công nghệ chủ chốt của IoT đó là, RFID, Sensor, Smart, Nano. Sự phát
triển của những công nghệ nói trên cũng có thể coi là xu hướng phát triển của IoT.


11

RFID là một trong các công nghệ chủ chốt của IoT trong môi trường truyền
thông t a khắp/mọi nơi (ubiquitous), là k thuật nhận dạng bằng sóng vô tuyến sử
dụng sóng radio để truyền dữ liệu từ một th điện tử gắn liền với một đối tượng (có
thể là một sản phẩm hàng hóa) đến một hệ thống trung tâm thông qua một đầu đọc
với mục đích xác định và theo dõi các đối tượng [1].
K

thuật RFID có liên quan đến hệ thống không dây cho phép một thiết bị

đọc thông tin được chứa trong một chip không tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa,
mà không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào hoặc yêu cầu một sự nhìn thấy giữa
hai cái. Nó cho ta phương pháp truyền và nhận dữ liệu từ một điểm đến điểm khác.
RFID đã có trong thương mại trong một số hình thức từ những năm 1970.

Bây giờ nó là một phần trong cuộc sống hằng ngày, có thể thấy trong những chìa
khóa xe hơi, th lệ phí quốc lộ và các lọai th truy cập an toàn, cũng như trong môi
trường mà nơi đó việc đánh nhãn bằng mã số k vạch trên hàng hóa (yêu cầu giao
tiếp vật lý hoặc nhìn thấy) là không thực tế hoặc không hiệu quả lắm.
Dạng đơn giản nhất được sử dụng hiện nay hệ thống RFID bị động làm việc
như sau: một RFID reader truyền một tín hiệu tần số vô tuyến điện từ qua anten của
nó đến một con chip không tiếp xúc. Reader nhận thông tin trở lại từ chip và gửi nó
đến máy tính điều khiển đầu đọc và xử lý thông tin tìm được từ con chip. Các con
chip không tiếp xúc không tích điện, chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng
lượng chúng nhận từ tín hiệu được gửi bởi một reader. Một hệ thống RFID toàn
diện bao gồm bốn thành phần:
• Th RFID được lập trình điện tử với thông tin duy nhất.
 Các reader hoặc sensor (cái cảm biến) để truy vấn các th .
 Anten
 Server

Sensor cũng là công nghệ chủ chốt của IoT là mạng liên kết các node với
nhau nhờ sóng radio. Nhưng trong đó, mỗi node mạng bao gồm đầy đủ các chức
năng để cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Các node mạng thường là các
thiết bị đơn giản, nh gọn, giá thành thấp,…và có số lượng lớn, được phân bố


12

không có hệ thống trên phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng (pin) hạn chế thời
gian hoạt động lâu dài. Các cảm biến có thể được triển khai khắp mọi nơi như:
 Cấy vào dưới da người/động vật;
 Gắn vào đồ vật, vào các máy móc, thiết bị;

Các cảm biến dùng để cảm nhận (feel)/đo các thông số, tình trạng của môi

trường, đồ vật:
 Cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, áp suất, độ ẩm, chuyển động, cảm biến từ,

độ phóng xạ,...
 Cảm biến hóa học (ion, khí ga,…), cảm biến sinh học (chất độc,…).

Các cảm biến có thể được tập hợp thành mạng cảm biến, các cảm biến không
dây cũng được sử dụng rộng dãi
Có thể kết hợp cảm biến và RFID: cảm biến cho phép đo các thông số nhận
thông tin, RFID cho phép nhận dạng, theo dõi và truyền thông tin.
Các vật dụng được trang bị các công nghệ thông minh ngày càng phổ biến:
smart phones, smart TV, smart homes,…
 Vật liệu/đồ vật thông minh: các vật liệu/đồ vật được tích hợp cảm biến,

bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành/thực thi
 Quần áo thông minh và tính toán đeo/mang được, nhà thông minh, xe

thông minh
 Robot

Công nghệ nano là khoa học, k thuật, công nghệ và tiến hành ở cấp độ nano,
đó là khoảng 1-100 nanomet. Khoa học nano và công nghệ nano là việc nghiên cứu
và ứng dụng những thứ rất nh và có thể được sử dụng trên tất cả các lĩnh vực khoa
học khác, như hóa học, sinh học, vật lý, khoa học vật liệu và k thuật. Khoa học nano
và công nghệ nano liên quan đến khả năng nhìn thấy và kiểm soát các nguyên tử và
phân tử [1].
Sự hội tụ của công nghệ nano và IoT hứa hẹn giải pháp mới cho nhiều ứng
dụng trong các lĩnh vực y sinh học, công nghiệp và quân sự cũng như trong tiêu
dùng và công nghiệp hóa. Việc kết nối các thiết bị Internet và Công nghệ nano, định

13

nghĩa một mô hình mạng mới đã được gọi là "Internet của NanoThings”. Việc kết
hợp nano và IoT có tiềm năng rất lớn thông qua mối quan hệ này, để theo dõi, cảm
biến, xác định lại và phá vỡ công nghệ và thực hành trên nhiều lĩnh vực bao gồm,
thuốc thú y, y tế, an ninh và giải trí hiện nay.

1.2

Tổng quan về giao thức thu thập dữ liệu IoT

1.2.1 Giao thức MQTT
1.2.1.1

Giới thiệu về giao thức MQTT

MQTT được tạo ra bởi Tiến sĩ Andy Standford-Clark của IBM và Arlen
Nipper of Arcom (bây giờ Eurotech) in 1999 như một phương thức đáng tin cậy
hiệu quả với chi phí để kết nối các thiết bị giám sát sử dụng trong các ngành công
nghiệp dầu m và khí đốt với các máy chủ doanh nghiệp từ xa. Khi thử thách với
việc tìm kiếm một cách để đẩy dữ liệu từ các cảm biến đường ống trong sa mạc để
quản lý hệ thống SCADA, họ quyết định một giao thức TCP/IP dựa trên mô hình
xuất bản/đăng ký (publish/subscribe) đó sẽ là sự kiện hướng tới giảm chi phí giữ
liên kết truyền hình vệ tinh [7].

Hình 1. 4: Mô hình kết nối với giao thức MQTT [7]

MQTT là một giao thức thông điệp nhẹ mà cung cấp mạng lưới client có
ràng buộc tài nguyên để phân phối thông tin từ xa một cách đơn giản. Giao thức này