Nghiên cứu giải pháp an ninh cho nhà thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN BÁ LINH

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP AN NINH CHO NHÀ THÔNG MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN BÁ LINH

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP AN NINH CHO NHÀ THƠNG MINH

Chun ngành : Kỹ thuật viễn thơng

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS Nguyễn Tài Hưng

Hà Nội – 2017

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC

MỤC LỤC ................................................................................................................... i
CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... ix
LỜI NĨI ĐẦU .......................................................................................................... xi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH ............................................1
1.1 Tổng quan về khái niệm tịa nhà thơng minh. ...................................................1
1.2 Hệ thống con xây dựng thông minh .................................................................2
1.3 Thiết bị IOT sử dụng trong các tịa nhà thơng minh ........................................4
1.4. Chức năng và dịch vụ của nhà thông minh......................................................6
1.4.2 Quản lý năng lượng tái tạo cho nhà thơng minh .......................................7
1.4.3. Hệ thống chăm sóc sức khỏe ....................................................................7
1.4.4. Dịch vụ đa phương tiện tiên tiến ..............................................................8
1.4.5. Giám sát và an ninh ..................................................................................9
1.5. Home Area Network .......................................................................................9
1.5.1. Kiến trúc mạng truyền thông trong nhà thông minh ................................9
1.5.2. Yêu cầu với nhà thông minh HAN .........................................................13
1.5.1. Truyền thơng an tồn ..............................................................................14
1.5.2. Vận hành mạng .......................................................................................16
1.5.3. Tối ưu hóa năng lượng ...........................................................................17
1.6. Mạng dây HAN .............................................................................................17
1.7. Mạng khơng dây HAN..................................................................................19
1.7.1. Dựa trên tiêu chuẩn IEEE .......................................................................20
1.7.2. Không Dựa trên tiêu chuẩn IEEE ...........................................................21
1.8. Mạng không dây phù hợp với yêu cầu Diện tích chức năng ........................24
1.9. Kết luận chương ............................................................................................25

CHƯƠNG 2. AN NINH TRONG NHÀ THÔNG MINH ........................................27
2.1

Các giai đoạn sử lý của hệ thống IOT ..........................................................28

2.2. Mối đe dọa của IoT .......................................................................................30
2.2.1. Giai đoạn tấn công ..................................................................................30
i


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
2.2.2. Tấn công theo kiến trúc ..........................................................................33
2.2.3. Tấn công dựa trên các thành phần ..........................................................39
2.3. Kết luận chương ..............................................................................................40
CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP AN NINH CHO NHÀ THƠNG MINH .........................41
3.1.

Tấn cơng và phịng chống Sniffing .............................................................41

3.1.1.

Sniffing là gì .........................................................................................41

3.1.2.

Sniffing thường xảy ra ở đâu ................................................................41

3.1.3.

Các mối đe dọa về nghe lén ..................................................................41

3.1.4.

Cơ chế hoạt động chung của Sniffing ...................................................42

3.1.5.

Các phương thức tấn công ....................................................................43

3.1.6.

Biện pháp ngăn chặn Sniffer.................................................................51

3.2.

Tấn công từ chối dịch vụ .............................................................................52

3.2.1.

Khái niệm dos .......................................................................................52

3.2.3.

Mạng Botnet ..........................................................................................58

3.2.4

Một số công cụ tấn công........................................................................60

3.2.5

Biện pháp đối phó..................................................................................62

3.2.6

Cơng cụ bảo vệ DOS/ DDOS ................................................................67

3.2.7

Kiểm tra thâm nhập DOS/ DDOS ........................................................69

3.3.

Bẻ khóa mật khẩu ........................................................................................70

3.3.1.

Các loại mật khẩu .................................................................................70

3.3.2.

Các loại tấn công mật khẩu ...................................................................71

3.4.

Đảm bảo an ninh mạng ................................................................................72

3.4.1.

Kiểm soát truy nhập ..............................................................................72

3.4.2.

Kiểm soát sự xác thực người dùng (Authentication) ............................72

3.4.3.

Phòng chống những người dùng trong mạng .......................................72

3.4.4.

Kiểm sốt nội dung thơng tin ................................................................73

3.4.5.

Mã hố dữ liệu ......................................................................................73

3.5. Kết luận chương ..............................................................................................73
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH ................................74
4.1.

Arduino Mega 2560 .....................................................................................74

4.2.

Mơ Hình thiết kế ..........................................................................................75

4.2.1

Web Server. ..........................................................................................77

4.2.2

Mã hóa MD5 .........................................................................................78
ii


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
4.2.3

HTTP và HTTPS ..................................................................................79

4.2.4

Giao thức SSL. ......................................................................................81

4.3.

Chương trình Demo .....................................................................................83

4.3.1.

Demo tấn cơng khi khơng sử dụng MD5 và SSL .................................85

4.3.2.

Demo tấn công khi sử dụng MD5 và SSL ............................................89

4.4.

Kết luận chương ..........................................................................................90

KẾT LUẬN ...............................................................................................................92
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................93

iii


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1

API

Giao diện lập trình ứng dụng

2

ARP

Giao thức để xác định địa chỉ nguồn cho hardware address

3

AV

Cổng kết nối hình ảnh cơ bản

BAN

Là sự kết nối của nhiều thiết bị điện toán đeo tay, hoặc cấy vào
cơ thể người. Thu thập dữ liệu người dùng và chuyển nó tới cơ
sở dữ liệu từ xa hoặc hệ thống khác.

BAS

Hệ thống tự động hóa tịa nhà

BEMGS

Hệ thống quản lý năng lượng và việc tương tác với nguồn năng
lượng bên ngoài

BLE

Chuẩn giao tiếp thế hệ mới (version 4.x) của Bluetooth thông
thường (version 1.x, 2.x và 3.x)

8

BMITS

Hệ thống quản lý cơng nghệ thơng tin

9

CO2

Khí CO2

10

CSP

Dịch vụ điện toán đám mây

11

DC

Các trung tâm dữ liệu

12

DDoS

Từ chối dịch vụ

13

DHCP

Giao thức phân chia IP động

14

DLP

Phòng chống rò rỉ dữ liệu

15

DNS

Phân giải địa chỉ

16

DoS

Từ chối dịch vụ

17

DoSHTTP Một phần mềm sử dụng để tấn công tràn ngập HTTP

18

FHSS

Nhảy tần số trải phổ nhanh

19

FTDI

Chip điều khiển chuyển tín hiệu từ USB để xử lý

20

FTP

Giao thức truyền tải File

21

GFSK

Kỹ thuật điều chế GFSK

22

HAMN

Mạng truyền thông đa phương tiện trong nhà

23

HD

Định dạng độ nét cao

24

HTTP

Giao thức truyền siêu văn bản

4
5

6
7

iv


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

HTTPS

Một sự kết hợp giữa giao thức HTTP và giao thức bảo mật SSL
hay TLS cho phép trao đổi thông tin một cách bảo mật trên
Internet.

HVAC

Hệ thống điều hịa khơng khí

ICMP

( Internet control message protocol ) là giao thức điều khiển của
tầng IP sử dụng để trao đổi các thơng tin điều khiển dịng dữ
liệu, thông báo lỗi và các thông tin trạng thái của bộ giao thức
TCP/IP

28

ICQ

Chat client được dùng để chat với mọi người

29

IETF

Internet Engineering Task Force

30

IoT

Internet of Thing ( Công nghệ vạn vật kết nối )

31

IPSO

IP cho các đối tượng thông minh

32

IR

Hồng ngoại

33

IRC

Là một dạng liên lạc cấp tốc qua mạng Internet

34

IrDA

Hiệp hội Dữ liệu hồng ngoại

35

LAN

Mạng truyền thông nội bộ

36

LOIC

Là ứng dụng tấn công từ chối dịch vụ

37

LON

Mạng điều hành địa phương

38

M2M

Máy-tới-máy

MAC

Tầng con giao thức truyền dữ liệu - một phần của tầng liên kết
dữ liệu trong mơ hình 7 tầng OSI

40

MAN

Và mạng lưới khu vực đô thị

41

M-Bus

Các Meter-Bus

MD5

Một hàm băm mật mã học được sử dụng phổ biến với giá trị
Hash dài 128-bit. Là một chuẩn Internet (RFC 1321)

MITM

Man in the Middle phương thức tấn công trong mạng hoạt động
bằng cách thiết lập các kết nối đến máy tính nạn nhân và relay
các message giữa chúng

44

MoCA

Đa phương tiện trên Coax Alliance

45

NWK

Liên kết dữ liệu và mạng

25
26

27

39

42

43

v


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
46

OSI

Mơ hình mạng 7 lớp

PAN

Personal Area Network chủ yếu được dùng để chỉ các kết nối
trực tiếp bằng cáp (USB, Firewire) đến một máy cá nhân của
người dùng

PIR

Cảm biến hồng ngoại thụ động

PWM

Phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi
xung vng

50

PHY

Lớp vật lý của mơ hình OSI

51

QoS

Chất lượng dịch vụ

RADIUS

Giao thức sử dụng rộng rãi cho phép xác thực tập trung, ủy
quyền và kiểm toán truy cập cho mạng

53

RFC

Tổ chức Lực lượng chuyên trách về kỹ thuật liên mạng

54

RFID

Kỹ thuật nhận dạng đối tượng bằng sóng vơ tuyến

SSH

Giao thức mạng dùng để thiết lập kết nối mạng một cách bảo
mật

SSL

Secure Sockets Layer Đây là một tiêu chuẩn an ninh công nghệ
tồn cầu tạo ra một liên kết được mã hóa giữa máy chủ web và
trình duyệt

SYN

Đồng bộ hóa

TACAC

Giao thức được chuẩn hóa sử dụng giao thức hướng kết nối
(connection-oriented) là TCP trên port 49

TCP/IP

Giao thức kiểm soát truyền tải (Transmission Control Protocol TCP) và Giao thức Internet (Internet Protocol - IP)

TLS

Bảo mật tầng truyền tải

UARTs

Mạch tích hợp được sử dụng trong việc truyền dẫn dữ liệu nối
tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi

62

UDP

Giao thức cốt lõi của giao thức TCP/IP.

63

UHD

Truyền hình độ nét cực cao

64

UWB

Băng siêu rộng

65

VM

Máy ảo

66

WLAN

Mạng nội bộ không dây

47
48
49

52

55

56
57
58

59
60
61

vi


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
67

WN

Mạng không dây

68

WSN

Mạng cảm biến khơng dây

WWW

Hệ thống các trang web trên tồn thế giới và là một phần của hệ
thống internet

69

vii

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1 . Cho thấy chi tiết các giao thức mạng không dây hỗ trợ trên tiêu
chuẩn IEEE ................................................................................................................22
Bảng 2 . Tiêu chuẩn mạng không dây Không Dựa trên tiêu chuẩn IEEE ................23
Bảng 3 . Tốc độ dữ liệu thông số kỹ thuật theo lĩnh vực ứng dụng. .........................25

viii


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. 1: Xây dựng phân loại khái niệm. (Vẽ lại từ J.Panetal. Truyền thơng
Điều tra Hướng dẫn, IEEE)
Hình 1. 2: Nhà thông minh và các hệ thống liên quan. (Vẽ lại từ J.Panetal.
IEEE.)
Hình 1. 3: Ví dụ về các thiết bị IOT sử dụng trong các tịa nhà thơng minh
Hình 1. 4: Thiết bị nhà thông minh truy cập thông qua khn khổ mạng lưới
tồn cầu
Hình 1. 5 : Việc phân loại các đặc điểm chính và u cầu cho HAN
Hình 1. 6: Công nghệ truyền thông không dây cho các ứng dụng nhà thơng
minh, so với tốc độ dữ liệu.
Hình 2. 1: Cơng nghệ cơ bản của IoT
Hình 2. 2 : Giai đoạn sử lý của hệ thống IoT
Hình 2. 3 : Tấn cơng theo giai đoạn
Hình 2. 4 : Các cuộc tấn cơng có thể dựa trên kiến trúc.
Hình 2. 5: Tấn cơng Ẩn.
Hình 2. 6: Tấn cơng phản xạ.
Hình 2. 7: Tấn cơng mạo danh.
Hình 2. 8: Tấn cơng có thể dựa vào các thành phần.

Hình 2. 9: Tăng trưởng của IOT
Hình 3. 1 : Cơ chế hoạt động Sniffing
Hình 3. 2 : Các lỗ hổng của giao thức để Sniffing
Hình 3. 3 : Mơ tả hoạt động của bảng CAM
Hình 3. 4: Quá trình cấp phát ip từ máy chủ DHCP
Hình 3. 5: Minh họa DHCP Rouge
Hình 3. 6: Minh họa việc chuyển hướng người dùng
Hình 3. 7 : Minh họa việc cấp phát ip giả
Hình 3. 8: Minh hoạt cách thức giả mạo ARP
Hình 3. 9: Minh họa quá trình giả mạo MAC
Hình 3. 10: Minh họa Fake DNS
Hình 3. 11: Sơ đồ tổ chức tội phạm mạng
Hình 3. 12: Tấn cơng tràn ngập SYN
Hình 3. 13: Tấn cơng tràn ngập ICMP
Hình 3. 14: Hoạt động botnet
Hình 3. 15: Cách thức một botnet được tạo và gửi spam
Hình 3. 16: Cơng cụ LOIC
Hình 3. 17: Dùng LOIC tấn cơng DDoS
Hình 3. 18: Cơng cụ DoSHTTP
Hình 3. 19: Cấu hình kích hoạt ngắt TCP trên phần mềm IOS Cisco
Hình 3. 20: Cơng cụ NetFlow Analyzer
Hình 3. 21: Cơng cụ D-Guard Anti-DDoS Firewall
Hình 3. 22: Cơng cụ FortGuard Firewall
ix

3
3
6
11
14

25
27
28
30
30
35
36
36
39
39
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
52
55
55
57
59
60
60
61
65
66

67
68


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Hình 4. 1: Modul Arduino 2560
Hình 4. 2: Sơ đồ các linh kiện của Arduino Mega
Hình 4. 3 : Mơ hình triển khai
Hình 4. 4: Sơ đồ Chân Arduino Mega
Hình 4. 5: Trang đăng nhập sử dụng mã hóa MD5
Hình 4. 6: Sử lý đăng nhập mã hóa MD5
Hình 4. 7: Khác nhau giữa HTTP và HTTPS
Hình 4. 8: Cấu trúc của SSL và giao thức SSL
Hình 4. 9 : Mơ hình giả lập sử dụng Vmware
Hình 4. 10 : Giao diện Đăng nhập hệ thống.
Hình 4. 11 : Giao diện điều khiển đèn.
Hình 4. 12 Cấu trúc gói tin HTTP Request
Hình 4. 13. Cấu trúc gói tin HTTP Response
Hình 4. 14 : Giao diện bắt gói tin có chứa nội dung đăng nhập.
Hình 4. 15 : Username Password
Hình 4. 16 : Giao diện wireshask khi bắt gói tin chưa thơng tin đăng nhập
Hình 4. 17 : Thơng tin đăng nhập được mã hóa

x

73
74
74
75
77

78
79
81
83
83
84
85
87
88
89
90
90


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
LỜI NÓI ĐẦU
Các khái niệm xây dựng tịa nhà thơng minh đã tồn tại trong hơn ba
thập kỷ qua và định nghĩa của nó đã phát triển qua thời gian dài với những
phát triển mới trong công nghệ. Khi định nghĩa được mở rộng và phát triển
thay thế cho các tịa nhà thơng thường. Tuy nhiên với việc áp dụng nhiều
công nghệ mới thay thế những công nghệ đã cũ được sử dụng trong các tịa
nhà bình thường tịa nhà thơng minh đang chứng minh lợi thế của mình
nhưng một điều có vẻ hơi trái ngược là số lượng tịa nhà thơng minh được
xây dựng lại ln ít hơn nhiều nhà bình thường. Điều này đặt ra nhiều thách
thức đối với công nghệ nhà thông minh. Tương tự như IoT nhà thơng minh
cũng có nhiều khái niệm được sử dụng và giới thiệu bởi các tổ chức khác
nhau bao gồm các nhà sản xuất thiết bị và các viện nghiên cứu trên toàn thế
giới
Qua đây Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS. Nguyễn Tài Hưng
Khoa Điện tử viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội. Đã tận tình hướng

dẫn tơi trong q trình tơi thực hiện đề tài. Tôi cũng xin gửi lời chân thành
cám ơn tới Viện đào tạo sau đại học , Viện điện tử viễn thông trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành đề
tài

xi


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

xii


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ THƠNG MINH
1.1 Tổng quan về khái niệm tịa nhà thơng minh.
Các khái niệm xây dựng tịa nhà thơng minh đã tồn tại trong hơn ba thập kỷ
qua và định nghĩa của nó đã phát triển qua thời gian dài với những phát triển mới
trong công nghệ. Khi định nghĩa được mở rộng và phát triển thay thế cho các tịa
nhà thơng thường. Tuy nhiên với việc áp dụng nhiều công nghệ mới thay thế những
công nghệ đã cũ được sử dụng trong các tịa nhà bình thường tịa nhà thơng minh
đang chứng minh lợi thế của mình nhưng một điều có vẻ hơi trái ngược là số lượng
tịa nhà thơng minh được xây dựng lại ln ít hơn nhiều nhà bình thường. Điều này
đặt ra nhiều thách thức đối với công nghệ nhà thông minh. Tương tự như IoT nhà
thơng minh cũng có nhiều khái niệm được sử dụng và giới thiệu bởi các tổ chức
khác nhau bao gồm các nhà sản xuất thiết bị và các viện nghiên cứu trên toàn thế
giới
Định nghĩa của viện nghiên cứu Building Efficiency cung cấp cho chúng ta cái
nhìn khái quát nhất về tịa nhà thơng minh. Theo họ Tịa nhà thơng minh được xây
dựng với chi phí thấp và cơng nghệ xây dựng thân thiện với môi trường và người

dân sinh sống, được áp dụng công nghệ thông tin vào việc điều khiển và giám sát
hoạt động của tòa nhà.
Định nghĩa nhà thông minh và các mục tiêu chức năng của nó đã tiến hóa liên
tục do sự phát triển nhanh chóng của cơng nghệ, nổi lên từ các hoạt động nghiên
cứu trong nhà tự động công nghệ liên quan và phát triển từ nhà mạng. Định nghĩa
chính sác của nhà thông minh đến nay cũng như IoT vẫn đang là một khái niệm
tương đối mở hồ do chưa nhận được sự đồng thuận với một định nghĩa nào giữa nhà
khoa học và các nhà phát triển công nghệ. Một thông minh được mô tả là "Ngôi
nhà được xây dựng thân thiện với môi trường và người dân cư ngụ trong ngôi nhà
và các hệ thống trong ngôi nhà được điều khiển tự động "có khả năng phản ứng với
hành vi của người dân và để phục vụ nhiều phòng khác nhau và được chia thành
bốn loại nhà thông minh:dựa trên tính năng chăm sóc sức khỏe , đa phương tiện và
giải trí , an ninh và năng lượng hiệu qua ( D. Zhang và MAA Pedrasa ). Theo dòng
phát triển bởi các tác giả trên, Smart Home là nền tảng cho phép việc quản lý và
kiểm soát các khu vực khác nhau của một nơi cư trú cung cấp: sự thoải mái và phúc
1


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
lợi xã hội, và an tồn, hợp lý quản lý năng lượng hiệu quả có khả năng chăm sóc
sức khỏe cho người dân cư trú trong tịa nhà. Khía cạnh quan trọng cho nền tảng
này là sự dễ dàng cấu hình giá thành rẻ. Do đó, nhà thơng minh có thể được định
nghĩa là một bộ tập trung và tuyên truyền các thông tin và các dịch vụ mà dự định
để trang trải toàn bộ các khu chức năng của một nhà, Chức năng này phải hoạt động
không chỉ đối với các yếu tố đặc biệt ở trong nhà mà để cải thiện mức độ thoải mái
và chất lượng cuộc sống mà còn cung cấp một gateway hoặc giao diện với bên
ngoài bởi các phương tiện tương tác với mơ hình khác như một lưới điện thơng
minh và thành phố thơng minh. Có khả năng chia sẻ tất cả các thông tin quản lý với
các yếu tố bên ngồi. Ngơi nhà thơng minh sẽ thay đổi hoàn toàn cách con người
tương tác với nhau và cách họ quản lý cuộc sống riêng tư của họ. Kết quả là, mọi

người sẽ bắt đầu đóng một phần quan trọng trong nỗ lực này bằng cách bổ sung
công nghệ để quản lý, do đó sẽ hỗ trợ họ để hạn chế lãng phí năng lượng và cũng để
nhận được dịch vụ y tế, tập trung và cung cấp bởi bệnh viện
1.2 Hệ thống con xây dựng thông minh
Hệ thống con tịa nhà thơng minh đã tiến hóa theo thời gian sau sự tiến bộ
trong công nghệ thông tin và truyền thông và sự phát triển của các khái niệm mới
như lưới điện thông minh. hệ thống con hiện nay bao gồm ba hệ thống con cơ bản
liên quan đến nhau, như mơ tả trong hình 1.1:
a. Hệ thống tự động hóa tịa nhà (BAS). Điều này đã có một quá trình phát
triển lâu dài kể từ đầu những năm 1940, từ kiểm soát tập trung và bảng điều khiển
để giám sát các BAS mở tương thích với internet hay mạng nội bộ. BAS đã áp dụng
khác nhau thường được sử dụng Internet / truyền thông mạng nội bộ và các công
nghệ phần mềm để theo dõi và kiểm soát hệ thống con xây dựng khác nhau như ánh
sáng, sưởi ấm, thơng gió và điều hịa khơng khí (HVAC), an ninh và truy cập, hệ
thống báo cháy, và nhiều hơn nữa.
b. Xây dựng hệ thống quản lý năng lượng và việc tương tác với nguồn năng
lượng bên ngoài.(BEMGS). Điều này đã nổi lên từ việc xây dựng hệ thống quản lý
năng lượng trong những năm gần đây sau sự chuyển đổi của lưới điện cũ thành một
lưới điện thông minh. Nó chịu trách nhiệm cho các hoạt động liên quan đến năng
lượng bên trong và sự tương tác với lưới điện thơng minh bên ngồi .
2


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1. 1: Xây dựng phân loại khái niệm. (Vẽ lại từ J.Panetal. Truyền thông Điều
tra Hướng dẫn, IEEE)

Hình 1. 2: Nhà thơng minh và các hệ thống liên quan. (Vẽ lại từ J.Panetal. IEEE.)
c. Xây dựng hệ thống quản lý công nghệ thông tin (CNTT) (BMITS). Điều

này cho phép xây dựng với các chức năng tốt hơn và hiệu suất cao hơn thông qua
việc trao đổi thông tin hai chiều giữa các hệ thống con khác để đạt được các mục
tiêu khác nhau. Nó cung cấp các phương thức quản lý tốt hơn thông qua hình ảnh và
giọng nói, do đó làm tăng nhận thức và sự tham gia của người quản lý tòa nhà và cư
dân trong về việc kiểm soát các hoạt động của BAS. BMITS cũng tương tác với
3


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
BEMGS bằng cách thu thập dữ liệu tiêu thụ năng lượng và mơ hình hóa, phân tích
mức tiêu thụ năng lượng để có những cảnh báo sớm tới người quản lý. Các kết quả
có thể được sử dụng để trong xây dựng chính sách hoặc thích ứng hệ thống năng
lượng bên trong tịa nhà với lưới điện thơng minh. Những chính sách này được thực
hiện bởi BAS và quản lý tòa nhà.
1.3 Thiết bị IOT sử dụng trong các tịa nhà thơng minh
Các thiết bị IOT sử dụng trong một môi trường xây dựng thông minh có thể
được phân loại thành ba loại:
Các thiết bị điều khiểm kiểm sốt, được sử dụng trong tịa nhà thơng minh cho
mục đích giám sát và kiểm sốt tịa nhà;
Các thiết bị không dây di động, thường được sử dụng bởi các cá nhân, chẳng
hạn như điện thoại thông minh, thiết bị kỹ thuật số, máy tính xách tay, các thiết bị
Smart healtcare, máy ảnh kỹ thuật số, máy chơi game ,và
Thiết bị gia dụng thông minh, thường cố định và chủ yếu nằm trong không
gian của mỗi căn hộ trong tòa nhà, chẳng hạn như TV, máy giặt, tủ lạnh, và như
vậy. Các thiết bị xây dựng IOT chính được sử dụng trong các tịa nhà thơng minh
bao gồm:
- Cơng tơ điện thơng minh. Về cơ bản thì nó là một thiết bị điện tử được sử
dụng để ghi lại mức tiêu thụ năng lượng điện trong tòa nhà trong một khoảng thời
gian nhất định nó thực hiện việc báo cáo tình hình tiêu thụ nặng lượng với một hệ
thống quản trị thông qua nhiều phương thức giao tiếp vd. Cáp quang, cá đồng, mạng

không dây vv… Mặc dù thuật ngữ đo lường thơng minh cịn được áp dụng trong
nhiều loại tài nguyên khác được sử dụng trong tịa nhà như nước sinh hoạt, khí đốt,
vv.
- Mạng nội bộ không dây ( WLAN ) thường được sue dụng để cung cấp các
truy cập không dây cho những người trong tòa nhà ( Hệ thống này bao gồm một số
các điểm truy cập không dây được phân bố hợp lý khắp tòa nhà )
- Radio Frequency Identification (RFID) là một thiết bị không dây tầm ngắn
đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều năm. RFID được xem là một trong những
cơng nghệ cho IOT vì nó có cho phép tích hợp trong nhiều dịch vụ khác nhau của
IoT. Một hệ thống RFID điển hình bao gồm hai thành phần một đầu đọc thẻ và thẻ
4


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
hoạt động trong một tần số nhất định. Hệ thống RFID trong các tòa nhà thường
được sử dụng trong các hệ thống kiểm soát truy cập và quản lý cung cấp dịch vụ vv.
- Hệ thống giám sát. gồm các camera thông minh được sử dụng để kiểm soát
an ninh và kiểm soát truy nhập trong tịa nhà. với cơng nghệ ngày càng phát triển
các thiết bị ghi hình giám sát ngày càng được tích hợp nhiều ứng dụng phù hợp với
một hệ thống IoT đang ngày càng phát triển. ví dụ như hệ thống camera tích hợp hệ
thống loa cảnh báo. hệ thống camera nhiệt tích hợp cảnh báo cháy vv.
- Các thiết bị cảm biến khác như cảm biến chuyển động. Carbon dioxide
(CO2) cảm biến, sen-sor hồng ngoại thụ động (PIR), cảm biến siêu âm, cảm biến
cửa từ, và như vậy. Các cảm biến CO 2 đo nồng độ carbon dioxide trong không khí
và thường được sử dụng để giám sát chất lượng khơng khí trong nhà. Tuy nhiên,
CO2 cảm biến cũng có thể là sử dụng để thu thập một số thông tin môi trường ở các
khu vực nhất định dựa trên nồng độ CO2 tập trung ở khu vực đó. Các biện pháp
cảm biến PIR hồng ngoại (IR) ánh sáng tỏa ra từ các đối tượng trong đường dây
trực tiếp của tầm nhìn. Thơng thường, một con người phát ra năng lượng nhiệt vơ
hình đối với mắt người, nhưng có thể được phát hiện bởi cảm biến PIR. Tuy nhiên,

các đường dây trực tiếp của thị giác và chuyển động liên tục yêu cầu là những hạn
chế của các cảm biến PIR, và do đó, nó sẽ khơng thể phát hiện người ngồi văn
phòng phẩm. Các cảm biến siêu âm, trên Mặt khác, không yêu cầu này. Các cảm
biến siêu âm là một hoạt động sen-sor mà truyền và nhận tia siêu âm phản xạ từ đối
tượng và chướng ngại vật

5


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1. 3: Ví dụ về các thiết bị IOT sử dụng trong các tòa nhà thông minh
1.4. Chức năng và dịch vụ của nhà thông minh
Các nhà thông minh đã được quan tâm đến bởi các nghiên cứu trong suốt 30
năm qua. Một số chủ đề nghiên cứu này đã phân nhánh ra thành một loạt các ứng
dụng. Theo đó, các ngơi nhà thơng minh sẽ cho phép quản lý và kiểm soát các khu
vực khác nhau của ngôi nhà Dựa vào chức năng và dịch vụ đặc biệt có thể phân
thành bốn loại đó là sử dụng và quản lý năng lượng hiệu quả, Chăm sóc sức khỏe,
giải trí và An ninh.
3.4.1. Quản lý năng lượng
Hơn một nửa số năng lượng tiêu thụ trong gia đình là điện. Nhiệm vụ trọng
tâm của quản lý năng lượng là giảm chi phí cho việc sử dụng năng lượng trong hộ
gia đình mà khơng ảnh hưởng tới sức khỏe của người sử dụng. Các chức năng của
quản lý năng lượng trong nhà thông minh là Kiểm sốt bật/tắt các thiết bị gia dụng.
Thu thập thơng tin năng lượng tiêu thụ điện từ các máy đo và thu thập dữ liệu điện
năng tiêu thụ từ các thiết bị khác nhau được sử dụng trong ngôi nhà từ đó tạo ra một
bảng điều khiển và giảm sát cung cấp những thơng tin phản hồi về tình trạng sử
dụng năng lượng trong ngôi nhà. Cung cấp biện pháp kiểm soát các thiết bị tiêu thụ
6

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
điện và cung cấp một điều khiển các thiết bị tiêu thụ điện. Đang nổi lên xu hướng
phát triển và mơ hình áp dụng trong môi trường nhà thông minh thường dựa trên
các thiết bị thông minh và thiết bị thường chẳng hạn như thiết bị đo thơng minh có
thể quản lý và giám sát thông qua mạng lưới tiêu thụ điện năng trong nhà.
Smarthome cho phép cá phẩn tử trong mạng tự động làm việc với nhau và làm cho
nguồn lực của
1.4.2 Quản lý năng lượng tái tạo cho nhà thông minh
Các khái niệm phổ biến của quản lý năng lượng tái tạo của nhà thơng minh có
thể bao gồm việc sử dụng năng lượng mặt trời, gió và / hoặc các nguồn năng lượng
tái tạo khác với một cơ chế tiêu thụ điện năng thông minh cho các thiết bị điện được
đặt bên trong nhà và một lưới điện thông minh hợp tác để đảm bảo mối liên kết giữa
chúng .Với việc sử dụng công nghệ đo và hiển thị tiên tiến trong một ngôi nhà
thông minh được thiết lập, người dùng hoặc chính hệ thống có khả năng làm giảm
mức tiêu thụ năng lượng hoặc kiểm soát nguồn tiêu thụ điện năng của các thiết bị
gia dụng những vẫn cung cấp cho người sử dụng sự thoải mái nhất. trong một bài
báo có đề xuất một hệ thống quản lý năng lượng bao gồm các nguồn năng lượng tái
tạo cho việc sử dụng hiệu quả năng lượng được tạo ra bởi một nhà thông minh và
các điện năng tiêu thụ của các thiết bị điện của ngôi nhà với một mô tả tổng thể hệ
thống, từ phần mềm giao thức phần cứng sử dụng được trình bày . A.
Tascikaraoglu. điều tra một nhà thông minh thử nghiệm với một số các nguồn năng
lượng tái tạo và hệ thống lưu trữ về nhiều khía cạnh như kiểm sốt các thiết bị, quản
lý năng lượng và dịng điện trong nhà. Ngồi ra, nghiên cứu này còn chỉ ra của một
trong những thách thức đầu tiên để đánh giá sự đóng góp của sức mạnh từ các
nguồn năng lượng tái tạo vào hiệu suất của khái niệm nhà thông minh. Hiện tại
thiết kế, thực hiện và kiểm tra các hệ thống nhúng tích hợp năng lượng mặt trời và
lưu trữ nguồn năng lượng để sử dụng cho một ngôi nhà thông minh đang là một yêu
cầu đặt ra với các nhà khoa học.
1.4.3. Hệ thống chăm sóc sức khỏe

Việc áp dụng các cơng nghệ tiên tiến trong nhà của chúng ta sẽ dẫn đến nhiều
cơ hội trong tương lai gần việc phát triển dịch vụ chăm sóc sức khỏe tại nhà sẽ là
một phần khơng thể thiếu của nhà thông minh. Một trong những vấn đề quan trọng
7


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
nhất là theo dõi sức khỏe và giám sát về thể chất của một người, như là một hệ quả
của một dân số đang lão hóa. nhu cầu quan trọng là Chăm sóc người già ngày càng
tăng. Các ngôi nhà thông minh cung cấp dịch vụ y tế. Đã được nghiên cứu rộng rãi
bởi nhiều tác giả . Cơng nghệ chăm sóc sức khỏe thơng minh gồm các thiết bị đơn
giản (glucometers trong máu, Oximeters, máy đo huyết áp, vv) mà cung cấp kết quả
đầu ra tiêu chuẩn cho sinh lý cụ thể, Các ứng dụng thơng minh hoặc các phần mềm
có khả năng phân tích và đưa ra những cảnh báo sớm. Cảm biến thường được tích
hợp trên các thiết bị thơng minh như (thiết bị chơi game, điện thoại thơng minh và
tấm lót), hoặc có thể mang trực tiếp trên người (ví dụ, đồng hồ vịng cổ vv…) và
thiết bị xử lý (ví dụ, máy tính, máy tính bảng). Các giải pháp đề xuất có thể được áp
dụng cho giải pháp chăm sóc sức khỏe riêng hoặc được tích hợp vào nhà thơng
minh. Mỗi loại có những thách thức khác nhau. Các bệnh nhân sử dụng các thành
phần (ví dụ, các bộ cảm biến), có thể là vơ hình và hữu hình. Cho dù ở nhà,nơi làm
việc (văn phòng của bác sĩ, bệnh viện), Vì việc thiết lập hệ thống cơng nghệ thơng
tin phục vụ cho công tác y tế chưa nhiều thông tin cá nhân, và vì vậy, vấn đề này
phải đối mặt với nhiều khó khăn và các mối đe dọa an ninh thông tin. Bảo vệ và
truyền tải dữ liệu trong mạng phải đảm bảo chất lượng dữ liệu và tính tồn vẹn.
1.4.4. Dịch vụ đa phương tiện tiên tiến
Các phương tiện giải trí truyền thống trong nhà đã được phát triển trong những
năm qua và các hình thức mới của việc giải trí là rất phổ biến, mãi mãi thay đổi
cách chúng ta thư giãn. Việc áp dụng các phương thức giải trí vào ngơi nhà thơng
minh cho thấy tiềm năng phát triển rất lớn. Home Area Media Networks (HAMNs)
là sự xuất hiện đã làm cho chất lượng đa phương tiện vượt ra ngoài các định dạng

độ nét cao (HD) của các thiết bị truyền thông. Các định dạng lớn hơn nhiều được
truyền tải trên các mạng cho độ trễ thấp, hiệu suất cao và QoS nghiêm ngặt (QoS)..
Để có thể đáp ứng điều này, kiến trúc mạng mới được phát triển là mạng UltraHigh-Definition. Ultra-High-Definition (UHD) là Thế hệ tiếp theo của phương tiện
truyền thông kỹ thuật số ví dụ., (HD) như 4 K và 8 K (4096 × 2160) và mười sáu
(7680 × 4320). Nội dung UHD địi hỏi băng thơng cao giải pháp cho điều này được
tìm thấy trong các mạng quang học.

8


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
1.4.5. Giám sát và an ninh
Việc thực hiện các công nghệ truyền thông cho giám sát thiết yếu và tự động
hóa nhà dẫn đến một loạt các cơ hội cũng như thách thức về mặt kỹ thuật. Giám sát
và hệ thống an ninh đòi hỏi một cấu hình mạng mạnh mẽ để thu thập dữ liệu đáng
tin cậy và chính xác.. Những hạn chế này không ảnh hưởng đáng kể thu thập dữ liệu
mà trễ khơng q quan trọng nhưng có thể có hậu quả đáng kể cho việc giám sát
hoặc giám sát các ứng dụng thời gian thực hoặc khơng đúng và sai sót phát hiện sự
kiện.. Có rất nhiều nghiên cứu gần đây đối phó với các vấn đề bảo mật trong một cơ
sở hạ tầng nhà thông minh. N. Komninos et al. phân loại các rủi ro chính của sự
tương tác giữa các thực thể trong một ngôi nhà thông minh và các mơi trường điện
tốn lưới thơng minh và đề xuất biện pháp đối phó an ninh đầy hứa hẹn cho các
mục tiêu an ninh cụ thể .
1.5. Home Area Network
1.5.1. Kiến trúc mạng truyền thông trong nhà thông minh
Một ngôi nhà thơng minh có thể hoạt động một cách tương tác và độc lập đến
một mức độ nhất định. Những khả năng bổ sung sau đó có thể được sử dụng để cải
thiện chất lượng cuộc sống trong các hộ gia đình trong nhiều khía cạnh, chẳng hạn
như tự động hóa các nhiệm vụ thường xuyên, cung cấp các dịch vụ y tế, hợp lý hoá
năng lượng tiêu thụ và tăng cường an ninh. Kể từ khi thông số kỹ thuật nhà thông

minh kết nối và công nghệ truyền thông tương đối mới và đang phát triển, hầu hết
các giao thức truyền thơng có sẵn được phát triển trước sự ra đời của nhà thơng
minh. Do đó, nghiên cứu đánh giá là rất quan trọng để xác định xem các giao thức
này cịn phù hợp với u cầu truyền thơng trong nhà thông minh nữa không. Trong
bối cảnh này, các mạng cục bộ phát triển và phù hợp hơn với các cơng nghệ tự động
hóa tiên tiến và chức năng quản lý năng lượng được thêm vào các thiết bị gia dụng.
Về cơ bản, HAN được xây dựng là một bước cơ bản để cho phép trao đổi thông tin
và khả năng tương tác giữa một số đồ dùng gia đình thơng minh kết nối với các
thiết bị hoặc các mạng khác thông qua nhiều giao thức khác nhau. Chẳng hạn như
Bluetooth, ZigBee, WiFi, Z-Wave, vv. Về cơ bản các mạng không dây cục bộ dựa
trên các tiêu chuẩn giống như mạng Local Area Network (LAN) và Body Area
Network (BAN) hay Personal Area Network (PAN), được sử dụng để mô tả một
9


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
mạng với quy mô nhỏ hơn từ 12 đến 100 mét. Thông thường. Cơ sở hạ tầng truyền
thông PAN và BAN chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng cho phép người
dùng có di chuyển, và khơng địi hỏi chun mơn cao để quản lý các hoạt động
mạng, chẳng hạn như thêm hoặc loại bỏ các thành phần. Mặc dù một số dịch vụ như
giám sát của một tính năng nhất định liên quan đến các vấn đề sức khỏe và thực
hiện bởi nhà thơng minh có thể được bao gồm trong phạm vi của truyền thơng
BAN. PAN có thể thực hiện u cầu nhiều hơn vì nó bao gồm các thiết bị đeo trên
người và di động có khả năng tương tác với các khu vực gần nhất và có khả năng
giao tiếp với môi trường rộng hơn qua nền tảng mạng không dây có diện tích lớn
hơn. Mạng cảm biến khơng dây (WSN) là các bộ cảm biến kết nối các nút trong
mạng mesh với nhu cầu năng lượng rất thấp. Tích hợp cảm biến, thơng tin liên lạc,
và tính tốn khả năng để theo dõi và xử lý dữ liệu của các cảm biến, chẳng hạn như
nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, và ánh sáng, cho phép xử lý dữ liệu phức tạp. Mặc dù loại
như của mạng bao gồm một loạt các chức năng, điều này là khơng đủ. Ngồi ra,

khơng có tính năng tương tác nào mà có thể cho phép giao tiếp với nhau. Do đó,
một mạng lưới rộng lớn hơn (cơ sở hạ tầng khơng dây tồn cầu) là hội tụ cho các
giao tiếp có tính phức tạp cụ thể như hạn chế thời gian hoặc lưu lượng dữ liệu quan
trọng của ưu tiên cao. Hình 1.4 cho thấy các khuôn khổ chung của các nhà thông
minh tích hợp các lĩnh vực ứng dụng chính như xác định dưới đây, có nghĩa là an
ninh, y tế, vui chơi giải trí, hiệu quả năng lượng, và tất cả các liên quan dịch vụ này
được kết nối với một cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc.

10


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1. 4 : Thiết bị nhà thông minh truy cập
thông qua khuôn khổ mạng lưới tồn cầu
Có tính đến các mục đích khác nhau của mỗi lĩnh vực, một mạng lưới toàn cầu
là cần thiết cho một tích hợp cấu trúc cao hơn của truyền thông mà bao gồm một số
nhà mạng chuyên dụng. Các khả năng tương tác giữa các ứng dụng khác nhau dựa
11