IoT Nghiên cứu và phát triển ứng dụng thiết bị thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
---------------------

NGUYỄN ANH TÚ

IoT: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG
THIẾT BỊ THÔNG MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
---------------------

NGUYỄN ANH TÚ

IoT: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG
THIẾT BỊ THÔNG MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS TRƢƠNG THU HƢƠNG

Hà Nội – 2018

MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................... 1
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................... 4
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... 6
LỜI NĨI ĐẦU ............................................................................................... 9
LỜI CAM KẾT ............................................................................................. 9
TÓM TẮT LUẬN VĂN .............................................................................. 10
MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 11
CHƢƠNG 1: INTERNET OF THINGS ..................................................... 13
1.1 Internet of Things là gì? ........................................................................... 13
1.2 Xu hướng và tính chất của Internet of Things ......................................... 15
1.3 Ứng dụng của IoT .................................................................................... 16
1.3.1 Giao thông ......................................................................................... 16
1.3.2 Bảo mật .............................................................................................. 17
1.3.3 Tiết kiệm năng lượng......................................................................... 17
1.4 Những thách thức đối với IoT .................................................................. 17
1.5 Tổng kết.................................................................................................... 19
CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG INTERNET OF THINGS .............................. 20
2.1 Kiến trúc tham chiếu IoT ......................................................................... 20
2.1.1 WSO2 ................................................................................................ 21
2.1.2 Microsoft Azure ................................................................................ 25
2.1.3 Kết luận ............................................................................................. 29
2.2 Thiết bị ..................................................................................................... 30
2.2.1 Phần cứng .......................................................................................... 30
2.2.2 Hệ điều hành ..................................................................................... 34
2.3 Giao thức vô tuyến ................................................................................... 35
2.3.1 WiFi .................................................................................................. 35

1


2.3.2 Bluetooth ........................................................................................... 36
2.3.3 Bluetooth Low Energy ...................................................................... 37
2.3.4 ZigBee ............................................................................................... 37
2.4 Giao thức mạng ......................................................................................... 38
2.4.1 CoAP và MQTT ................................................................................. 38
2.4.2 So sánh hai giao thức ......................................................................... 42
2.5 Cloud và các dịch vụ trên Cloud .............................................................. 46
2.6 Kết luận .................................................................................................... 46
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG IOT VÀ ỨNG
DỤNG VƢỜN RAU TỰ ĐỘNG .................................................................. 49
3.1 Xây dựng hệ thống IoT ............................................................................ 48
3.1.1 Khối Micro-Controller Unit (MCU) .................................................. 50
3.1.2 Khối Gateway..................................................................................... 52
3.1.3 Khối Cloud-computing ...................................................................... 54
3.1.4 Khối Sensor ........................................................................................ 54
3.1.5 Khối Actuator ..................................................................................... 57
3.1.6 Khối MQTT Broker ........................................................................... 57
3.1.7 Kết nối giữa các khối ......................................................................... 58
3.2 Ứng dụng vườn rau tự động ..................................................................... 61
3.2.1 Kịch bản ............................................................................................. 61
3.2.2 Yêu cầu............................................................................................... 61
3.2.3 Cấu trúc của hệ thống......................................................................... 61
3.3 Xây dựng mơ hình phần cứng và lập trình............................................... 63
3.3.1 Kết nối sensor và actuator với Arduino ............................................. 63
3.3.2 Lập trình cho Gateway Raspberry PI 3 .............................................. 65
3.3.3 Lập trình trên Node-RED (IBM Bluemix)......................................... 66

3.3 Kết quả ..................................................................................................... 68
KẾT LUẬN .................................................................................................. 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 73
2


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Bảng so sánh cơ bản giữa các hệ điều hành trong Internet of
Things ........................................................................................................... 35
Bảng 2.2: Luồng kết nối với QoS = 0 ............................................................ 40
Bảng 2.3: Luồng kết nối với QoS = 1 ............................................................ 40
Bảng 2.4: Luồng kết nối với QoS = 2 ............................................................ 41
Bảng 3.1: Sơ đồ kết nối chân cảm biến đo độ ẩm đất với Arduino ............... 63
Bảng 3.2: Sơ đồ kết nối chân BH1750 với Arduino ...................................... 63
Bảng 3.3: Sơ đồ kết nối chân DHT11 với Arduino……….…….....…..……63
Bảng 3.4: Sơ đồ kết nối chân HC05 với Arduino. ......................................... 64
Bảng 3.5: Sơ đồ kết nối chân bơm mini với Arduino .................................... 64

3


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Kiến trúc tham chiếu của IoT ........................................................ 22
Hình 2.2: Hai kiểu kết nối Internet của thiết bị IoT ...................................... 22
Hình 2.3: Kiến trúc tham chiếu IoT theo Microsoft Azure ........................... 25
Hình 2.4: Luồng dữ liệu trong kiến trúc tham chiếu của IoT ....................... 27
Hình 2.5: Các giải pháp kết nối thiết bị trong kiến trúc tham chiếu IoT . ..... 28
Hình 2.6: Kit phát triển Arduino Uno R3 ..................................................... 31
Hình 2.7: Một ví dụ sử dụng Pinoccio. .......................................................... 32
Hình 2.8: Raspberry Pi 3 Model B ................................................................ 36

Hình 2.9: Intel Galileo thế hệ thứ 2 ............................................................... 36
Hình 2.10: Kit phát triển Arduino n ......................................................... 34
Hình 2.11: Mơ hình master/slave của Bluetooth ........................................... 36
Hình 2.12: Kịch bản đánh giá khi mạng bị lỗi mất gói ................................. 44
Hình 2.13: Giao thức CoAP .......................................................................... 38
Hình 2.14: Kịch bản đánh giá khi mạng bị lỗi mất gói ................................. 44
Hình 2.15: Kịch bản đánh giá về độ trễ, băng thông, tỷ lệ mất gói của hai giao
thức………. ..................................................................................................... 45
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống ....................................................................... 49
Hình 3.2: Kit phát triển Arduino Uno R3 ..................................................... 50
Hình 3.3: Arduino IDE chạy trên Windows 10. ............................................ 52
Hình 3.4: Raspberry PI 3 Model B ................................................................ 53
Hình 3.5: Cảm biến độ ẩm cắm đất YL-69. ................................................... 55
Hình 3.6: Module chuyển đổi......................................................................... 55
Hình 3.7: Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 .......................................... 56
Hình 3.8: Cảm biến nhiệt độ DHT11 ............................................................. 56
Hình 3.9: Máy bơm mini MB360................................................................... 57
Hình 3.10: Giao diện Dashboard của CloudMQTT ....................................... 58
Hình 3.11: Module Bluetooth HC-05 ............................................................ 59

4


Hình 3.12: Chương trình Blueman quản lý Bluetooth trên Raspberry Pi ...... 60
Hình 3.13: Cấu trúc hệ thống. ........................................................................ 62
Hình 3.14: Giao diện phần mềm Win32DiskImager ..................................... 65
Hình 3.15: Code trong file publish.py ........................................................... 66
Hình 3.16: Giao diện sau khi tạo thành cơng app Node-RED ....................... 67
Hình 3.17: Giao diện Node-RED ................................................................... 67
Hình 3.18: Mơ hình kết nối các flow trên ứng dụng Node-RED ................... 68

Hình 3.19: Hệ thống vườn rau thơng minh triển khai trên thực tế................. 69
Hình 3.20: Biểu đồ nhiệt độ và độ ẩm ........................................................... 69
Hình 3.21: Biểu đồ cường độ ánh sáng và tốc độ bay hơi. ............................ 70
Hình 3.22: Giá trị đo tức thời được hiển thị dưới dạng Gauge ...................... 70

5


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

IoT

Internet of things

Vạn vật kết nối

MQTT

Message Queue Telemetry
transport

Bản tin giao thức truyền lệnh

Pub

Publish

Luồng gửi dữ liệu

Sub

Subscribe

Luồng theo dõi dữ liệu

CRC

Cyclic Redundancy Check

Kiểm tra lỗi tuần hoàn

CR

Code Rate

Tỉ lệ mã hóa

SF

Spread Frequency

Lệch tần

FSK
PHY
CSS

Frequency Shift Keying
Physical
Chirp Spread Spectrum

Khóa dịch tần số
Vật lý
Trải phổ hẹp

CoAP

Constrained Application Protocol

Giao thức rằng buộc ứng dụng

BLE

Bluetooth Low Energy

Kết nối Bluetooth ít năng
lượng

MAC

Medium Access Control
Institute of Electrical and
Electronics
Engineer
Internet Engineering Task Force

IEEE
IETF
ITU
IEEE

M2M

International Telecomunication
Union
Institute of Electrical and
Electronics
Machine to Machine

Địa chỉ vật lý
Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử
Lực lượng quản lý kỹ thuật
mạng
Liên minh viễn thông quốc tế
Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử
Kết nối máy tới máy

LoRaWAN Long Range Wide Area Network

6

Mạng kết nối rộng tốn ít năng
lượng


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, Internet of Things (IoT) là một trong những xu
hướng nổi bật nhất trong thế giới cơng nghệ. Internet of Things, với tầm nhìn về
một thế giới mà mọi vật đều được kết nối với nhau qua Internet, đang dần trở nên
quen thuộc với mọi người và sẽ tạo ra sự thay đổi lớn trong cách chúng ta sống và
làm việc. Khi mọi vật đều được kết nối với nhau, chúng ta có thể dễ dàng quản lý,

điểu khiển chúng thông qua một thiết bị duy nhất: máy tính, điện thoại hay thậm chí
là đồng hồ thông minh. Sự phát triển của hệ thống hạ tầng mạng Internet đã tạo điều
kiện cho việc kết nối, liên kết các thiết bị và truyền tải lượng dữ liệu rất lớn. Số
lượng thiết bị kết nối Internet không ngừng tăng lên và sẽ đạt ngưỡng 50 tỷ vào năm
2020 theo dự đốn của tập đồn Cisco, cung cấp một lượng thông tin khổng lồ đến
từ mạng lưới các cảm biến. Chúng ta có thể thấy ứng dụng của IoT ở tất cả các lĩnh
vực nông nghiệp, giao thông, môi trường, y tế, quân sự. . . IoT hứa hẹn sẽ là một
nhân tố quyết định thúc đẩy sự phát triển của khoa học công nghệ, tạo ra một thế
giới thông minh và thân thiện với con người.
Tiềm năng phát triển của IoT là rất lớn, tuy nhiên trong q trình phát triển
IoT cũng gặp nhiều khó khăn và thách thức. Với mong muốn tìm hiểu rõ hơn về IoT
cũng như áp dụng các kiến thức đã được học vào thực tế, học viên quyết định thực
hiện luận văn với đề tài "Nghiên cứu xây dựng hệ thống Internet of Things và ứng
dụng vườn rau tự động".
Trong đề tài này, học viên đưa ra các khái niệm, đặc điểm của một hệ thống
IoT cũng như các giao thức sử dụng trong IoT, cách thức tạo các Smart Device và
testbed để xây dựng hệ thống IoT và ứng dụng vườn rau tự động. Những kết quả,
vấn đề gặp phải và cách giải quyết được trình bày trong luận văn này hy vọng sẽ là
một tài liệu tham khảo cho việc xây dựng hệ thống IoT. Trong quá trình thực hiện
đề tài này, do còn nhiều hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm nên khó có thể tránh
khỏi việc có thiếu sót, học viên rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy
cơ để đề tài có thể trở nên hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn trường Đại học Bách khoa Hà Nội, viện Điện tử - Viễn
thông đã tạo môi trường học tập, nghiên cứu tốt nhất, cung cấp cho học viên những

7


kiến thức chuyên môn quan trọng trong suốt 2 năm học. Đồng thời học viên cũng
xin cảm ơn PGS.TS. Trương Thu Hương đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo học viên

trong suốt quá trình vừa qua. Và học viên xin gửi lời cảm ơn tới các thành viên của
nhóm nghiên cứu IoTeam và toàn thể các thành viên Future Internet Lab đã chia sẻ,
giúp đỡ học viên trong suốt quá trình thực hiện đề tài này.
Hà Nội, ngày 14 tháng 9 năm 2018
Học viên thực hiện:

Nguyễn Anh Tú

8


LỜI CAM KẾT
Tôi xin cam đoan nội dung luận văn của tơi là do sự tìm hiểu và nghiên cứu
của bản thân. Các kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của các tác giả khác đều
được trích dẫn cụ thể. Đề tài luận văn của tôi chưa được bảo vệ tại bất kỳ một hội
đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào trong nước và nước ngồi. Tơi xin cam kết trách
nhiệm cá nhân về các nội dung đề tài mà tôi đã thực hiện.
Tác giả

Nguyễn Anh Tú

9


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Kết nối vạn vật vẫn là một khái niệm không cũ, rất tiềm năng trong cuộc sống
ngày nay. Tuy nhiên hiện nay việc khơng tìm được tiếng nói chung giữa các nhà
cung cấp có hệ thống hay như chưa có một kiến trúc và tập giao thức được chuẩn
hóa là những rào cản q trong trình phát triển của IoT.
Internet of Things là một công nghệ cho phép kết nối vạn vật và được điều

khiển bởi thiết thị thơng minh như: điện thoại thơng minh, máy tính, đồng hồ thơng
minh. Trong luận văn tác giả trình bày về ứng dụng của IoT, cũng như cấu trúc, mơ
hình của một hệ thống IoT và các giao thức truyền. Một trong những thách thức đặt
ra với IoT là cần có một cơng nghệ truyền khơng dây đường dài và tiêu tốn it năng
lượng hoạt động ổn định. Bên cạnh đó, ngồi việc tìm hiểu về mặt lý thuyết, học
viên đã triển khai thực nghiệm mơ hình hệ thống IoT với ứng dụng cụ thể vườn rau
thơng minh có quy mơ nhỏ dành cho gia đình.
Kết quả thực nghiệm cho thấy mơ hình hệ thống IoT hoạt động hiệu quả đúng
mục đích, phù hợp với nghiên cứu cũng như áp dụng vào thực tế. Ứng dụng vườn
rau tự động được xây dựng đúng theo mơ hình IoT đã đề ra và mang đến cho người
dùng khả năng theo dõi, kiểm sốt khu vườn của mình trong khi giảm thiểu chi phí
cũng như cơng sức bỏ ra. Đồng thời những kết quả của ứng dụng vườn rau sẽ là
minh chứng cho khả năng hoạt động của mơ hình IoT đã đề ra. Và đó cũng là tiền
đề để tác giả phát triển rộng ra, cũng như nhân bản phương thức cho các ý tưởng
thương mại khác như: Hệ thống cửa nhà hiện đại, hệ thống cảnh báo ngoài cho nhà
trạm thu phát sóng….

10


MỞ ĐẦU
Đặt vấn đề
Với tầm nhìn của nhiều quốc gia tiên tiến trên thế giới, kĩ thuật hóa hay kết nối
vạn vật lại với nhau để trên cùng một nền tảng, cùng hệ sinh thái là một điều quan
trọng. Kiến trúc Internet of Things (IoT) nói chung đang từng ngày tạo dựng nền
tảng, cơ sở hạ tầng, an toàn và thân thiện hơn với cuộc sống của chúng ta. Những
năm gần đây với nhiều nền tảng, phần cứng và có quá nhiều giao thức được sử dụng
trong kiến trúc IoT nói chung, dẫn đến nhiều hệ sinh thái khác nhau cùng được sử
dụng dẫn tới hạn chế phát triển mở rộng hệ thống. Mặt khác việc định nghĩa, kiến
trúc IoT chưa được chuẩn hóa khiến cho những nhà phát triển hiện tại khó có thể

tiếp cận với IoT.
Với luận văn này tác tơi đã tìm hiểu, so sánh và đánh giá các mơ hình kiến trúc
cùng với các giao thức, phần cứng được sử dụng trong các hệ thống IoT hiện nay.
Dựa vào những yếu tố trên, tôi lựa chọn các thành phần để xây dựng một hệ thống
IoT phù hợp với môi trường phát triển các ứng dụng phục vụ cho việc nghiên cứu.
Hệ thống IoT này sẽ giúp việc triển khai các ứng dụng một cách dễ dàng và hiệu
quả hơn.
Mục tiêu và phạm vi luận văn
Trong luận văn này tác giả sẽ giải quyết các vấn đề sau:
 Các khái niệm cơ bản IoT.
 Kiến trúc tham chiếu của IoT.
 Các giải pháp và công cụ phụ trợ.
 Xây dựng hệ thống IoT và ứng dụng vườn rau thông minh.
 Thử nghiệm và đánh giá kết quả hệ thống và ứng dụng.
Cấu trúc của báo cáo luận văn:
Với mục tiêu như đã trình bày, báo cáo luận văn được chia thành 5 phần với
nội dung như sau:
- Mở đầu trình bày cấu trúc của báo cáo cũng như mục tiêu phạm vi luận văn
sẽ thể hiện.

11


- Chƣơng 1: Internet of Things đưa ra khái niệm tham khảo, ứng dụng cũng
như thách thức của IoT.
- Chƣơng 2: Hệ thống IoT so sánh, đánh giá các kiến trúc của IoT và các lựa
chọn về phần cứng, giao thức sử dụng trong các hệ thống IoT.
- Chƣơng 3: Xây dựng hệ thống IoT trình bày cách thức xây dựng hệ thống
IoT và ứng dụng vào hệ thống vườn rau tự động.
Kết luận và định hướng phát triển trình bày kết quả đạt được đồng thời đưa ra

định hướng phát triển tiếp theo.

12


CHƢƠNG 1: INTERNET OF THINGS
Internet of Things (IoT) có thể định nghĩa là là một mạng cho phép theo dõi và
kiểm sốt mơi trường vật lý bằng cách thu thập, xử lý và phân tích dữ liệu được tạo
ra bởi các cảm biến hoặc các đối tượng thông minh.
Mặc dù đã xuất hiện được một thời gian dài nhưng Internet of Things chỉ thực
sự được sự được chú ý và bùng nổ trong những năm gần đây. Sự tiến bộ nhanh
chóng của hàng loạt các lĩnh vực cơng nghệ khác nhau như phần cứng, hệ thống
nhúng, mạng không dây, cảm biến. . . đã cho phép chúng ta gắn mỗi đối tượng vật
lý thực với một định danh duy nhất (ID) và kết nối chúng thành một mạng lưới, hay
xa hơn cả một tương lai thật sự thông mimh. Mỗi đối tượng này có khả năng thu
thập thơng tin cảm biến, xử lý thông tin, đáp ứng môi trường một cách thông minh
và giao tiếp không dây với những đối tượng khác. Bằng cách kết nối tất cả các đối
tượng với Internet chúng ta có thể tạo ra một mạng vạn vật chia sẻ thông tin định
danh và trạng thái từ tất cả đối tượng, đó chính là ý tưởng của Internet of Things.
Trong chương này tơi tìm hiểu về IoT từ bao quát đến chi tiết để xây dựng nền
tảng lý thuyết cho việc xây dựng hệ thống IoT cũng như ứng dụng vườn rau thông
minh tại nhà. Định nghĩa của IoT được đưa ra tại Phần 1.1; các xu hướng và tính
chất của IoT được trình bày trong Phần 1.2. Phần 1.3 sẽ trình bày các ứng dụng
tiềm năng của IoT đã, đang và sẽ được triển khai. Trong Phần 1.4 sẽ nêu ra những
thách thức mà IoT cần giải quyết và cuối cùng, kết luận chương được trình bày
trong Phần 1.5 của chương 1.
1.1 Internet of Things là gì?
"Internet of Things" lần đầu tiên được nhắc đến vào năm 1999 bởi Kenvin
Ashton [1], một nhà khoa học làm việc tại viện MIT trong phòng nghiên cứu AutoID. Tại thời điểm đó, IoT đề cập đến một tầm nhìn mà tất các các đối tượng và con
người trong thế giới vật lý đều được kết nối và quản lý định danh qua RFID. Kể từ

thời điểm thuật ngữ "Internet of Things" lần đầu tiên xuất hiện, cùng với sự phát
triển tầm nhìn và khoa học cơng nghệ trong nhiều lĩnh vực thì định nghĩa chính xác
cho IoT vẫn là một vấn đề tranh cãi [2].

13


Có thể hiểu về "Internet of Things" như sau: "Internet of Things là một kịch
bản mà mỗi thực thể được cung cấp một định danh riêng, 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 phát triển trên nền
tảng sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet.
"Internet of Things", như cấu trúc được đưa ra theo như tên của nó, bao gồm 2
thành phần "Internet" và "Things". Thành phần đầu tiên mô tả định hướng của IoT:
sử dụng Internet như là nền móng xây dựng cho mọi dịch vụ. Khía cạnh này cũng
được chỉ ra rõ ràng trong định nghĩa về Internet of Things của DG-CONNECT
(European Commission Directorate General for Communications Networks,
Content & Technology - Tổ chức quản lý về mạng, nội dung và công nghệ của Ủy
ban Châu Âu): "một mạng lưới toàn cầu kết nối các đối tượng với khả năng đánh
địa chỉ định danh duy nhất, hoạt động dựa trên các giao thức tiêu chuẩn" [3]. Trong
định nghĩa trên, DG-CONNECT không nhắc tới các thiết bị điện toán "computing
devices" mà đối tượng được nhắc tới là "objects" - tất cả các thực thể nói chung
được kết nối với nhau. Tiếp tục với thành phần thứ hai "Things", tất cả mọi vật có
thể được định danh và giao tiếp, kết nối. "Things" được nêu rõ trong định nghĩa về
IoT của IERC (IoT European Research Cluster) như sau: "một cơ sở mạng lưới tồn
cầu có khả năng tự cấu hình dựa trên các giao thực truyền thơng tiêu chuẩn, tại đó
các ‘thing‘ (bao gồm cả thực và ảo) đều có định danh và được kết nối với mạng
thông tin" [4]. Như vậy, các đối tượng (hay "things") có thể hiểu là các thực thể
được nâng cao khả năng tính tốn và truyền thơng, do đó có tính chất thơng minh và
khả năng tương tác với những đối tượng khác trong mạng Internet.

IEEE đưa ra mô tả cụm từ "Internet of Things" trong một bản báo cáo tháng 3
năm 2014 như sau: ―A network of items - each embedded with sensors which are
connected to the Internet‖ [5] hay "Internet of Things là một mạng mà mỗi phần tử
trong mạng đều được nhúng với các cảm biến và được kết nối với Internet". Tuy
rằng không đưa ra một định nghĩa chính thức nhưng IEEE cho chúng ta một cái
nhìn cơ bản nhất về IoT.
Liên hiệp Viễn thơng Quốc tế (International Telecommunication Union - ITU)
lại mô tả Internet of Things như là một "ubiquitous network" [6]. Từ "ubiquitous"

14


bắt nguồn từ tiếng Latinh "ubique" - có nghĩa là ở mọi nơi. Trong q trình phát
triển của cơng nghệ thông tin, "ubiquitous" được hiểu là "bất cứ nơi đâu, bất cứ lúc
nào, bất cứ thứ nào và bất cứ ai".
IETF cũng đưa ra mô tả về "Internet of Things" trong một báo cáo năm 2010:
―The basic idea is that IoT will connect objects around us (electronic, electrical,
non-electrical) to provide seamless communication and contextual services
provided by them. Development of RFID tags, sensors, actuators, mobile phones
make it possible to materialize IoT which interact and cooperate each other to make
the service better and accessible anytime, from anywhere" [7]. Ta có thể hiểu: "Ý
tưởng cơ bản là Internet of Things sẽ kết nối các đối tượng xung quanh chúng ta
(các thiết bị điện tử, thiết bị điện, các thiết bị không dùng điện) để cung cấp giao
tiếp thông suốt và các dịch vụ cụ thể được cung cấp bởi chúng. Các thẻ RFID, cảm
biến, thiết bị thực hiện, điệnthoại di động sẽ có thể tương tác với nhau để thực hiện
các dịch vụ và cho phép truy cập từ bất cứ đâu, bất cứ lúc nào".
Tiếp tục xem xét các định nghĩa về Internet of Things được đưa ra bởi các tổ
chức lớn khác như NIST [8], OASIS [9]. . . ta có thể thấy rằng tuy định nghĩa cụ thể
về Internet of Things không giống nhau nhưng tất cả đều thống nhất về 3 khía cạnh
của Internet of Things như sau:

- Mang đến khả năng thu thập, xử lý và hành động dựa trên thông tin cho mọi
thực thể, làm cho chúng trở nên "thông minh".
- Liên kết thế giới của máy tính và thế giới vật chất bằng cách kết nối tất cả
đối tượng "thông minh" với mạng Internet.
- Sự tương tác trực quan giữa con người và công nghệ: công nghệ sẽ hỗ trợ
con người trong việc thực hiện các công việc hàng ngày đơn giản nhất.
1.2 Xu hƣớng và tính chất của Internet of Things
- Thơng minh: Internet of Things hướng đến một hệ sinh thái mà các thực
thể tự chúng đưa ra quyết định tùy theo tình huống, mơi trường, đồng thời chúng
cũng có thể liên lạc với nhau để trao đổi thơng tin, dữ liệu. Việc tích hợp trí thơng
minh vào IoTs cịn có thể giúp các thiết bị, máy móc, phần mềm thu thập và phân
tích các dấu vết điện tử của con người khi chúng ta tương tác với những thứ thông

15


minh, từ đó phát hiện ra các tri thức mới liên quan tới cuộc sống, môi trường, các
mối tương tác xã hội cũng như hành vi con người.
- Kiến trúc dựa trên sự kiện: Các thực thể trong IoT sẽ phản hồi dựa theo
các sự kiện diễn ra trong lúc chúng hoạt động theo thời gian thực.
- Quy mô lớn: Theo dự đốn thì mạng lưới IoT có thể có quy mô từ 50 đến
100 tỉ đối tượng trong tương lai gần.
1.3 Ứng dụng của IoT
Các cơ sở được cung cấp bởi IoT cho phép triển khai các ứng dụng mới giúp
cải thiện cuộc sống hàng ngày chúng ta. Các ứng dụng IoT rất đa dạng về cả lĩnh
vực, công nghệ, độ lớn cũng như mục đích. Dưới đây học viên xin trình bày một số
ứng dụng được cho là tiêu biểu nhất của IoT.
Chăm sóc sức khỏe:
- Sự phát triển của IoT sẽ cho phép dễ dàng theo dõi các thông số sức khỏe
quan trọng như: huyết áp, nhịp tim, chỉ số men gan, nồng độ cholesterol, lượng

đường huyết. . . trong khi vẫn duy trì sự thoải mái cho bệnh nhân. Các cảm biến
theo dõi các chỉ số của bệnh nhân và có thể thơng báo cho các bác sĩ khi có trường
hợp khẩn cấp xảy ra.
- Với sự hỗ trợ từ các thiết bị IoT và các robot chuyên dụng, các bác sỹ có
thể tham gia chuẩn đốn bệnh và thực hiện phẫu thuật mà khơng cần có mặt tại địa
điểm đó.
1.3.1 Giao thơng
Ngành cơng nghiệp ơ tô từ lâu đã sử dụng hệ thống nhúng để cải thiện trải
nghiệm người dùng và nâng cao tính an tồn. Hệ thống nhúng trong xe sẽ thu thập
thơng tin cảm biến và giao tiếp với các dịch vụ giao thơng thơng minh qua mạng
Internet từ đó cung cấp thơng tin giao thông cho người lái. Một số trường hợp xe sẽ
tự giành quyền điều khiển trong tình huống khẩn cấp để tránh tai nạn xảy ra. Trong
những năm vừa qua, "Xe thông minh", "Xe tự hành" là những xu hướng rất được
quan tâm bởi các tập đoàn lớn như Google, Tesla, Apple. . . Không chỉ dừng lại ở
mức trợ giúp con người trên đường, trong tương lai không xa các phương tiện sẽ có
khả năng tự vận hành bằng trí thơng minh nhân tạo.

16


1.3.2 Bảo mật
Trong lĩnh vực bảo mật, thuật ngữ "giám sát thông minh" đề cập đến mức độ
tự chủ cao của các ứng dụng giám sát. Các máy quay và các cảm biến an ninh
truyền dữ liệu về một hệ thống và tồn bộ các q trình giám sát diễn ra một cách tự
động, khơng cần sự góp mặt của nhân viên an ninh.
1.3.3 Tiết kiệm năng lƣợng
IoT sẽ sử dụng dữ liệu thu được từ các cảm biến nhúng trong các thiết bị tiêu
thụ điện để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng.
Khi tổng hợp được các tham số, tổng hợp được các ghi nhận từ cảm biến về
thì ta có thể phân tích, đánh giá và tối ưu thiết bị để giảm tải, san tải sự ảnh hưởng

đến môi trường và điện năng.
1.4 Những thách thức đối với IoT
Phần 1.3 đã trình bày các ứng dụng có thể triển khai của IoT. Trong số các
ứngdụng này, một số đã được đưa vào triển khai, một số vẫn đang ở dạng ý tưởng,
một số khác chỉ là tiềm năng. Việc phát triển và thực hiện các ứng dụng IoT sẽ phụ
thuộc rất nhiều vào một số các công nghệ quan trọng có đủ khả năng để triển khai
các ý tưởng IoT hay khơng.
- Kích thƣớc phần cứng: Trong tầm nhìn của IoT, mơi trường sống của
chúng ta sẽ được bao quanh bởi một mạng lưới các thiết bị thơng minh liên tục
chăm sóc và trợ giúp chúng ta trong mọi hoạt động. Với số lượng thiết bị IoT rất
lớn, chúng ta cần đảm bảo các thiết bị sẽ có kích thước vật lý đủ nhỏ để khó bị nhận
thấy hoặc ít nhất khơng gây ảnh hưởng xấu. Ví dụ, trong các ứng dụng chăm sóc
sức khỏe, cảm biến cơ thể nên càng nhỏ càng tốt để không can thiệp vào các hoạt
động hàng ngày của bệnh nhân.
- Cấu hình phần ứng: Một hệ quả trực tiếp của việc giảm kích thước vật lý
là cấu hình phần cứng bị hạn chế. Các thiết bị IoT thường có phần cứng rất hạn chế,
do vậy đòi hỏi mức độ tối ưu hóa "Internet of Things", như cấu trúc được đưa ra
theo như tên của nó, bao gồm 2 thành phần "Internet" và "Things". Thành phần đầu
tiên mô tả định hướng
- IoT: sử dụng Internet như là nền móng xây dựng cho mọi dịch vụ. Khía
cạnh này cũng được chỉ ra rõ ràng trong định nghĩa về Internet of Things của DG-

17


CONNECT (European Commission Directorate General for Communications
Networks, Content & Technology - Tổ chức quản lý về mạng, nội dung và cơng
nghệ của Ủy ban Châu Âu): "một mạng lưới tồn cầu kết nối các đối tượng với khả
năng đánh địa chỉ định danh duy nhất, hoạt động dựa trên các giao thức tiêu chuẩn"
[3]. Trong định nghĩa trên, DG-CONNECT không nhắc tới các thiết bị điện toán

"computing devices" mà đối tượng được nhắc tới là "objects" - tất cả các thực thể
nói chung được kết nối với nhau. Tiếp tục với thành phần thứ hai "Things", tất cả
mọi vật có thể được định danh và giao tiếp, kết nối. "Things" được nêu rõ trong
định nghĩa về IoT của IERC (IoT European Research Cluster) như sau: "một cơ sở
mạng lưới toàn cầu có khả năng tự cấu hình dựa trên các giao thực truyền thơng tiêu
chuẩn, tại đó các ‘thing‘ (bao gồm cả thực và ảo) đều có định danh và được kết nối
với mạng thông tin" [4]. Như vậy, các đối tượng (hay "things") có thể hiểu là các
thực thể được nâng cao khả năng tính tốn và truyền thơng, do đó có tính chất thơng
minh và khả năng tương tác với những đối tượng khác trong mạng Internet.
- Khả năng tƣơng tác: Như chúng ta đã biết, một trong những vấn đề lớn
nhất của IoT là chuẩn hóa. Các thiết bị IoT muốn giao tiếp với nhau cần sử dụng
các bộ giao thức chung. Trong khi đó, hiện trạng có quá nhiều chuẩn (bao gồm cả
các chuẩn độc quyền) sẽ gây cản trở lớn tới khả năng kết nối, tương tác của các thiết
bị IoT trong một quy mô lớn.
- Topology mạng thay đổi: Có nhiều lý do khiến cho topology của mạng
luôn thay đổi làm ảnh hưởng đến việc định tuyến và chất lượng dịch vụ. Đầu tiên,
các thiết bị IoT luôn hướng đến tiết kiệm năng lượng, do đó sẽ sử dụng cơ chế tắt
các kết nối khi không cần thiết. Việc các thiết bị thay đổi vị trí dẫn đến thay đổi
topology mạng cũng xuất hiện với các thiết bị gắn với phương tiện, sinh vật. Cuối
cùng, các kết nối không dây công suất thấp không tin cậy cũng gây ra việc topology
mạng liên tục thay đổi.
- Khả năng mở rộng: Kích thước của một ứng dụng IoT là rất lớn cả về số
lượng thiết bị, số lượng kết nối và cả khu vực địa lý mà nó bao phủ. Do đó, khả
năng mở rộng được xem là rất quan trọng khi xây dựng các ứng dụng IoT.
- Dữ liệu khơng hồn hảo và đồng nhất: Các thiết bị IoT được triển khai với
số lượng lớn với thời gian hoạt động dài. Trong lượng thông tin thu thập được tồn

18

tại một lượng thơng tin dư thừa (ví dụ: thẻ RFID được đọc bởi nhiều người và nhiều
lần) hoặc sai lệch, không đồng nhất (dữ liệu đến từ các cảm biến loại khác nhau, của
các tổ chức khác nhau, tốc độ lấy mẫu khác nhau. . . hoặc do ảnh hưởng môi trường
hoặc phần cứng). Vấn đề này gây ra khó khăn trong việc giao tiếp giữa các thiết bị
IoT, do đó cần có cơ chế thu thập, sàng lọc và xử lý thông tin phù hợp để giải quyết.
- Bảo mật và riêng tƣ: Trong thế giới IoT, các thiết bị IoT liên tục thu thập
thông tin và báo cáo về máy chủ qua Internet. Các kết nối không dây luôn dễ bị tấn
công trong khi các cơ chế bảo mật lại tiêu tốn nhiều tài nguyên phần cứng hạn chế
trên các thiết bị IoT. Các thông tin đến từ các cảm biến đôi khi rất nhạy cảm, do đó
cần có cơ chế phù hợp để đảm bảo an tồn và tính riêng tư cho thơng tin được tạo ra
từ các thiết bị IoT.
Mặc dù là xu hướng phát triển tất yếu nhưng rõ ràng với những khó khăn như
trên thì IoT vẫn cịn nhiều điểm yếu cần khắc phục trước khi IoT có thể tiếp cận đến
mọi hoạt động sống hàng ngày của con người như tầm nhìn.
1.5 Tổng kết
Tuy hiện tại vẫn chưa có một định nghĩa chính xác duy nhất cho IoT nhưng
các nhà phát triển đã thống nhất với nhau về các tính chất chung nhất của IoT. IoT
có khả năng ứng dụng rộng trên rất nhiều lĩnh vực, nâng cao chất lượng cuộc sống
hàng ngày của chúng ta tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đ

19


CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG INTERNET OF THINGS
Trong Phần 2.1 học viên trình bày các kiến trúc tham chiếu IoT được đưa ra
bởi các nhà phát triển. Dựa vào mơ hình tham chiếu, học viên tiếp tục tìm hiểu các
giải pháp kỹ thuật và ưu nhược điểm của các giải pháp này.
 Phần 2.2: Các thiết bị phần cứng có thể sử dụng để xây dựng hệ thống IoT.
 Phần 2.3: Các giao thức vô tuyến phổ biến được sử dụng trong IoT.
 Phần 2.4: Giao thức mạng CoAP và MQTT.

 Phần 2.5: Cloud và các dịch vụ trên Cloud.
2.1 Kiến trúc tham chiếu IoT
Một trong những khó khăn lớn nhất của IoT là việc chưa có một chuẩn thống
nhất. Định nghĩa, kiến trúc, các giao thức trong IoT vẫn chưa được chuẩn hóa gây
khó khăn cho việc tìm hiểu và phát triển các ứng dụng IoT. Có rất nhiều lý do tại
sao cần phải đưa ra một kiến trúc tham chiếu cho IoT.
 Các thiết bị IoT phải luôn được kết nối, chúng ta cần phải tương tác với chúng
qua hạ tầng mạng với các tường lửa, NAT và nhiều trở ngại khác.
 Tại thời điểm này đã có khoảng 22.9 tỷ thiết bị đã được kết nối và con số đó
đang tăng một cách nhanh chóng, vì vậy chúng ta cần có một kiến trúc có khả năng
mở rộng dễ dàng. Ngoài ra để đáp ứng nhu cầu tương tác 24/7 của các thiết bị,
chúng ta cần một kiến trúc mạng có tính ln sẵn sàng, đáp ứng kết nối với rất
nhiều trung tâm dữ liệu trên thế giới và đặc biệt phải có khả năng dự phịng khi xảy
ra lỗi.
 Các thiết bị IoT phần lớn đều có cấu hình phần cứng thấp với mục đích tiết
kiệm chi phí, năng lượng. Do đó chúng ta cần hỗ trợ cập nhập tự động và quản lý từ
xa tất cả các thiết bị này.
 Các thiết bị IoT thường được sử dụng để thu thập và phân tích các dữ liệu cá
nhân từ người dùng. Một mơ hình quản lý nhận dạng và kiểm soát truy cập giữa các
thiết bị IoT và dữ liệu liên quan là một vấn đề quan trọng cần được giải quyết.

20


2.1.1 WSO2
Kiến trúc tham chiếu của IoT theo WSO2 [10] được đưa ra dưới đây quan
trọng cần giải quyết

Hình 2.1: Kiến trúc tham chiếu của IoT [10].
 5 lớp ngang:

1. Client/External communications - Lớp Giao tiếp người dùng cuối.
2. Event Processing and Analytics - Lớp Xử lý và phân tích.
3. Aggregation/Bus - Lớp Hợp nhất.
4. Communications - Lớp Truyền thông.
5. Devices - Lớp Thiết bị.
 2 lớp dọc:
1. Device management - Quản lý thiết bị.
2. Identity and Access management - Định danh và Truy cập.
 Lớp Thiết bị - Devices
Lớp Thiết bị - Communications nằm dưới cùng trong kiến trúc tham chiếu.
Các thiết bị IoT rất đa dạng nhưng thường được chia làm 3 loại dựa theo phần cứng.

21


Loại thứ nhất có cấu hình thấp nhất, thường dùng chip 8 bit nhúng và khơng có hệ
điều hành (thường là các thiết bị Arduino 8 bit). Ở mức cao hơn, với vi xử lý 32 bit
rút gọn, loại thiết bị như Arduino Zeno, Yun có thể chạy Linux rút gọn hoặc hệ điều
hành nhúng. Loại thứ 3 là các thiết bị sử dụng nền tảng 32 bit đầy đủ hoặc 64 bit
như Raspberry Pi, Beagle Bone, Intel Galileo. . . và cả điện thoại di động. Có rất
nhiều loại thiết bị khác nhau, tuy nhiên để được coi là một thiết bị IoT thì cần phải
có kết nối trực tiếp hoặc gián tiếp tới Internet.
- Kết nối trực tiếp: Các thiết bị loại này thường đóng vai trị Gateway. Ví dụ:
Arduino, Raspberry Pi, Intel Galileo. . . kết nối trực tiếp tới Internet qua Wi-Fi hoặc
Ethernet. . .
- Kết nối gián tiếp: qua ZigBee (kết nối tới ZigBee, Gateway) hoặc Bluetooth
(kết nối tới Raspberry Pi hoặc điện thoại di động). . .

Hình 2.2: Hai kiểu kết nối Internet của thiết bị IoT [10].
Mỗi thiết bị IoT cần phải được định danh duy nhất để quản lý và truy cập dễ

dàng. Có 4 loại định danh thường dùng trong IoT:
- Định danh duy nhất (UUID) được lưu trong phần cứng của thiết bị.

22


- Định danh UUID được lưu trong module kết nối (ví dụ: MAC trong
Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi. . . ).
- OAuth2 Refresh/Bearer Token: bổ sung cho 2 loại trên.
- Một định danh lưu trong bộ nhớ EEPROM.
Các chuyên gia khuyến nghị mỗi thiết bị IoT cần có ít nhất một địa chỉ định
danh duy nhất UUID và một định danh OAth2 Refresh/Bearer Token.
 Lớp Truyền thông - Communications
Lớp Truyền thông thực hiện nhiệm vụ kết nối các thiết bị. Các giao thức có
thể sử dụng để kết nối các thiết bị tới đám mây: MQTT3.1.1, HTTP, CoAP. . .
- HTTP là giao thức lâu đời và phổ biến nhất với nhiều thư viện hỗ trợ. HTTP
là giao thức dựa trên hệ ký tự đơn giản nên nhiều thiết bị nhỏ với bộ điều khiển 8 bit
có thể hỗ trợ HTTP, các thiết bị mạnh hơn có thể sử dụng các thư viện HTTP đầy
đủ. Phiên bản HTTP2 được phát triển nhằm giải quyết vấn đề năng lượng và kết nối
cho các thiết bị nhỏ.
- MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) ra đời năm 1999 nhằm giải
quyết các vấn đề trong hệ thống nhúng và được chuẩn hóa bởi OASIS. MQTT hoạt
động theo mơ hình hệ phân tán với hai lệnh cơ bản là "publish" và "subscribe". Các
client sẽ kết nối tới máy chủ MQTT (MQTT Broker), mỗi client sẽ đăng ký theo dõi
(subscribe) các kênh (topic) và tất cả các node đăng ký kênh sẽ nhận được dữ liệu
trên kênh khi có bất kì node nào gửi dữ liệu (publish) lên kênh. Được tối ưu hóa
việc gửi nhận các bản tin có kích thước nhỏ cho mơi trường IoT, có thể đánh giá
MQTT cao hơn so với HTTPS cho mục đích kết nối các thiết bị IoT. Trong môi
trường không ổn định, băng thông thấp, trễ lớn nhưng MQTT vẫn cho kết quả có độ
tin cậy cao và tiết kiệm năng lượng. Với việc được chuẩn hóa bởi OASIS, MQTT

hứa hẹn trở thành một trong những giao thức chuẩn cho IoT.
- CoAP (Constrained Application Protocol): Cũng giống như MQTT, CoAP là
một giao thức được tối ưu cho môi trường IoT do IETF phát triển dựa trên HTTP
nhưng sử dụng mã nhị phân thay cho ký tự nên có kích thước nhỏ gọn hơn HTTP.
CoAP cung cấp cấu trúc RESTful cho kết nối và sử dụng mơ hình máy chủ - máy
trạm như HTTP thay vì mơ hình kênh như MQTT.
 Lớp Hợp nhất - Aggregation/Bus

23