Nghiên cứu xây dựng mô hình thực hành iot đáp ứng công nghiệp 4 0 áp dụng giàng dạy sinh viên hệ đại học

BỘ CƠNG THƯƠNG
ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: Nghiên cứu xây dựng mơ hình thực hành IoT đáp ứng công
nghiệp 4.0 áp dụng giảng dạy sinh viên hệ Đại học
Mã số đề tài: 192.ĐT03
Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Ngọc Sơn
Đơn vị thực hiện: Khoa Công nghệ Điện tử

Tp. Hồ Chí Minh, 2020


LỜI CÁM ƠN

Trước tiên, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Trường Đại học Công nghiệp
thành phố Hồ Chí Minh đã tài trợ kinh phí cho đề tài nghiên cứu, Phòng Quản lý
Khoa học và Hợp tác quốc tế đã tận tình hướng dẫn các thủ tục trong suốt q trình
thực hiện đề tài.
Chúng tơi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Hội đồng đánh giá xét duyệt,
nghiệm thu đề tài đã có những ý kiến phản biện và góp ý thật sự sâu sắc đã giúp
chúng tơi hồn thiện đề tài đúng tiến độ.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo Khoa Công nghệ Điện tử đã tạo điều kiện
tốt về thời gian, phịng nghiên cứu và có những chính sách hỗ trợ rất tốt cho nhóm
nghiên cứu thực hiện đề tài.

1

MỤC LỤC
PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG .......................................................................................................... 3
PHẦN II. BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC .......................................... 11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................................... 11
1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................................ 11
1.2. Mục tiêu ........................................................................................................................... 13
1.3. Nội dung và phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 13
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM.....................................................................15
2.1. Cơ sở lý thuyết ................................................................................................................. 15
2.1.1. Internet vạn vật (Internet of Things - IoT) là gì? ...................................................... 15
2.1.2. Things trong IoT ....................................................................................................... 17
2.1.3. Kiến trúc IoT ............................................................................................................ 20
2.2. Thiết kế và thi công.......................................................................................................... 22
2.2.1. “IoT networks” ......................................................................................................... 22
2.2.2. “IoT Node” ............................................................................................................... 23
2.2.3. “IoT Gateway” .......................................................................................................... 26
2.2.4. IoT ThingSpeak ........................................................................................................28
2.3. Thí nghiệm kiểm chứng ...................................................................................................28
2.3.1. Kiểm tra truyền – nhận dữ liệu qua mạng LoRa ...................................................... 28
2.3.2. Kiểm tra chức năng thu thập dữ liệu và điều khiển .................................................. 30
CHƯƠNG 3. ÁP DỤNG VÀO GIẢNG DẠY ...............................................................................31
3.1. Giới thiệu .........................................................................................................................31
3.2. Lập trình cơ bản - 30 tiết ..................................................................................................33
3.3. Ứng dụng Smart Home - 30 tiết .......................................................................................35
3.4. Kế hoạch giảng dạy và đánh giá ...................................................................................... 37
3.5. Kết quả triển khai giảng dạy ............................................................................................ 38
3.5.1. Thơng tin mơn học....................................................................................................38
3.5.2. Q trình giảng dạy ..................................................................................................38
3.5.3. Kinh nghiệm và đề xuất ............................................................................................ 39

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................... 39
4.1. Kết luận ............................................................................................................................ 39
4.2. Hướng phát triển .............................................................................................................. 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................................. 40
PHẦN III. PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM ....................................................................................................42
Hợp đồng thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học ........................................................................ 42
Thuyết minh đề tài đã được phê duyệt .......................................................................................42
Quyết định nghiệm thu ...............................................................................................................42
Hồ sơ nghiệm thu ....................................................................................................................... 42
Sản phẩm nghiên cứu ................................................................................................................. 42
 Phụ lục 5.1. Bài báo đăng tạp chí IUH. ........................................................................... 42
 Phụ lục 5.2. Bài báo tham gia hội nghị khoa học trẻ YSC2019. ..................................... 42
 Phụ lục 5.3. Bản vẽ bo mạch IoT node và IoT Gateway; bản vẽ mơ hình thí nghiệm. ...42
 Phụ lục 5.4. Minh chứng bài báo sinh viên ......................................................................42
 Phụ lục 5.5. Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm .....................................................................42

2


PHẦN I. THƠNG TIN CHUNG
I. Thơng tin tổng qt

1.1. Tên đề tài: Nghiên cứu xây dựng mơ hình thực hành IoT đáp ứng công nghiệp 4.0
áp dụng giảng dạy sinh viên hệ Đại học
1.2. Mã số: 192.ĐT03
1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài
TT

Họ và tên
(học hàm, học vị)

Đơn vị cơng tác

Vai trị thực hiện đề tài

1

TS Nguyễn Ngọc Sơn

Khoa CN Điện tử

Chủ nhiệm

2

ThS Phạm Quang Trí

Khoa CN Điện tử

Thành viên nghiên cứu

3

ThS Nguyễn Duy Khanh

Khoa CN Điện tử

Thành viên nghiên cứu

4

ThS Cao Văn Kiên

Khoa CN Điện tử

Thành viên nghiên cứu

5

Trần Nguyễn Minh Thông

Khoa CN Thông tin

Sinh viên

6

Lê Đức Huy

Khoa CN Điện tử

Sinh viên

1.4. Đơn vị chủ trì:
1.5. Thời gian thực hiện:
1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 01 năm 2019 đến tháng 01 năm 2020
1.5.2. Gia hạn (nếu có): đến tháng….. năm…..
1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 01 năm 2019 đến tháng 01 năm 2020
1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): Khơng
1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 77.5 triệu đồng.

II. Kết quả nghiên cứu
1. Đặt vấn đề
- Sau hơn bốn thập kỷ kể từ khi Internet [1] ra đời, thuật ngữ "Internet" giờ đây trực
tiếp đề cập đến các ứng dụng khổng lồ được xây dựng trên mạng máy tính và được kết nối,
phục vụ cho hàng tỷ người dùng trên toàn thế giới liên tục 24/7. Chúng ta đang ở giai đoạn
khởi đầu của một kỷ nguyên mới, nơi truyền thông và kết nối ở khắp mọi nơi, nó khơng cịn
là giấc mơ hay thách thức. Giờ đây, trọng tâm công nghệ đã chuyển sang tích hợp con người
và thiết bị thơng qua một môi trường ảo gọi là Internet of Things (IoT). IoT được dự báo sẽ
là xu hướng công nghệ của thế giới vào năm 2020. Gartner [2] ước tính rằng đến cuối năm
2020, sẽ có 25 tỷ vật dụng kết nối Internet. Cisco [2] dự kiến sẽ tăng gấp đôi, sẽ có 50 tỷ
mặt hàng được kết nối Internet vào cuối năm 2020. Mọi vật dụng đều có khả năng trở nên
"thơng minh" khi có kết nối Internet. Cũng như chính con người, IoT có thể được ứng dụng
trong các lĩnh vực như nhà thông minh [3], [4], giao thông thông minh [5], y tế thông minh
[6], nông nghiệp thông minh [7], thành phố thông minh [8], [9] và các ngành công nghiệp
khác. IoT đã và đang thay đổi cách con người tương tác với thiết bị, giữa thiết bị với thiết bị
từ đó tạo ra nhiều cơ hội kinh doanh, hình thức kinh doanh khác nhau cho các doanh nghiệp
và cộng đồng khởi nghiệp.
3


- Hiện nay, các Trường Đại học và tập đoàn lớn trên thế giới đã phát triển các phòng
LAB chuyên nghiên cứu và giảng dạy trong lĩnh vực IoT. Chẳng hạn như, bài báo [10] giới
thiệu về nền tảng mô hình thí nghiệm mở FIT IoT-LAB. FIT IoT-LAB cung cấp một nền
tảng thí nghiệm quy mơ lớn cho phép các nhà nghiên cứu, nhà thiết kế IoT, nhà phát triển và
kỹ sư IoT thiết kế, đánh giá và tối ưu hóa các giao thức, ứng dụng và dịch vụ của họ. Trung
tâm C-DAC (Centre For Development of Advanced Computing) [11] đã phát triển IoT-Lab
bao gồm Wi-Fi Mote, Ubimote, BLE Mote, UbiSense and WINGZ. Bài báo này mô tả các
thông số kỹ thuật, các ứng dụng thời gian thực và cơ hội nghiên cứu của các thiết bị như là
một phần của bộ công cụ IoT Lab. Bài báo [12] giới thiệu nền tảng IoT Lab dùng
Arduino/Genuino UNO, ngôn ngữ lập trình Python và ThingSpeak IoT.

- Tại Việt Nam, ứng dụng IoT đang được quan tâm và kêu gọi đầu tư rất lớn từ chính
quyền, các quỹ đầu tư mạo hiểm và từ các tập đoàn lớn trên thế giới: Khu Công nghệ cao
Tp.HCM: đang ưu tiên ươm tạo các công ty khởi nghiệp mảng IoT và thường xuyên tổ chức
các hội thảo về IoT. Hiện này, khu công nghệ cao đang phát động cuộc thi với chủ đề “Phát
triển đô thị thông minh và nâng cao chất lượng cuộc sống dựa trên nền tảng IoT” vào tháng
09/2019. Đề xuất xây dựng chính quyền điện tử của Bí thư Thành ủy Tp.HCM với đối tác
Microsoft vào ngày 31/03/2016. Tỉnh Bình Dương đang tích cực tìm hiểu để triển khai xây
dựng “Thành phố thông minh ứng dụng công nghệ thông tin”. Hội thảo do UBND tỉnh Bình
Dương và Tổng Lãnh sự quán Hà Lan tại Tp.HCM phối hợp tổ chức vào ngày 28/03/2016,
tại Trung tâm Hội nghị và Triển lãm tỉnh. Các công ty hàng đầu thế giới như Intel, Cisco,
IBM, Google,… cùng lập quỹ đầu tư IoT trên toàn thế giới và quỹ này đang dành nhiều ưu
tiên tại Việt Nam. Hiện nay, IoT đã và đang được các trường đại học trong cả nước đưa vào
chương trình giảng dạy chính khóa dành cho sinh viên các bậc học, các LAB nghiên cứu
của các giảng viên. Chẳng hạn như: Ngày 7/7/2016 tại Khu Cơng nghệ cao Hịa Lạc, Bộ
Khoa học Cơng nghệ đã tổ chức khai trương Phịng thí nghiệm Hịa Lạc IoT Lab (HIL). IoT
Lab trưng bày công nghệ IoT như Smart Home, Smart City, IoT trong công nghiệp, giao
thông, y tế, giáo dục thơng minh. Nhóm nghiên cứu UiTiO tại Bộ mơn Mạng máy tính,
Trường ĐH CNTT – ĐHQG HCM, hiện đang tập trung nghiên cứu, phát triển và xây dựng
các giải pháp, ứng dụng trong các lĩnh vực: Internet of Things (IoTs). Tháng 03/2019,
Vintech đã khánh thành phòng LAB IoT tại Hàn Quốc. Các tập đồn cơng nghệ lớn của
Việt Nam đều có phịng LAB IoT như VNPT, FPT, VNG, VIETTEL, VINTECH, INTEL,
National Instruments, SIEMENs and so on.
- Đại học Công nghiệp Tp.HCM đang định hướng xây dựng các chương trình đào tạo
đáp ứng u cầu cơng nghiệp 4.0. Trong đó, IoT là một lĩnh vực then chốt, là hạt nhân của
cuộc cách mạng công nghiệp này. Hiện nay, IoT đã được xây dựng thành môn học giảng
dạy cho sinh viên hệ Đại học cho các ngành đào tạo của Khoa Công nghệ Điện tử, Khoa
Công nghệ Điện và Khoa Công nghệ Thông tin.
- Trong đề tài này, chúng tơi thiết kế nền tảng mơ hình thí nghiệm để giảng dạy học
phần IoT ở trường đại học. Ý tưởng thiết kế bao gồm các khía cạnh quan trọng được xét đến
đó là dễ dàng thực hiện, chi phí thấp, có khả năng mở rộng đa trạm kết nối, thu thập dữ liệu

và điều khiển được các thiết bị cơng nghiệp. Mơ hình thí nghiệm đề xuất là một hệ thống
4


IoT hoàn chỉnh gồm 3 thành phần như phần cứng, phần mềm và truyền thơng, với các tính
năng mở. Sau đó, chúng tơi thực hiện biên soạn bài giảng dựa vào mơ hình thí nghiệm đề
xuất và cách tiếp cận học tập dựa trên dự án PBL [13], [14] (Project Based Learning). Các
dự án đi từ đơn giản đến phức tạp sẽ giúp sinh viên có khả năng: hiểu được kiến trúc IoTs,
xu hướng công nghệ và thách thức của IoTs, xu hướng thiết kế IoTs cho các ứng dụng công
nghiệp; nắm bắt được nền tảng phần cứng được sử dụng để thiết kế các ứng dụng IoTs trong
công nghiệp; hiểu được nền tảng mạng truyền thơng có dây và không dây thường được sử
dụng cho các ứng dụng IoTs; tư duy phân tích và lựa chọn thiết bị phần cứng, truyền thông
và phần mềm cho một ứng dụng IoTs trong cơng nghiệp; thiết kế, lập trình và chạy thử
nghiệm một ứng dụng IoTs trong công nghiệp.
2. Mục tiêu
a. Mục tiêu tổng qt: Xây dựng mơ hình thực hành đáp ứng chuẩn đầu ra môn học IoT
công nghiệp.
b. Mục tiêu cụ thể.
 Xây dựng mơ hình thiết bị mẫu gồm phần cứng, truyền thông, server lưu trữ và giao
diện ứng dụng trên nền Mobile/web để triển khai bài học thực hành.
 Biên soạn tài liệu hướng dẫn thực hành
 Tài liệu giấy bám sát đề cương môn học IoT công nghiệp, hướng dẫn chi tiết từng
bài học cụ thể.
 Tài liệu video hướng dẫn thực hành cho từng bài học cụ thể để sinh viên có thể
học tại nhà qua công cụ e-learning.
3. Phương pháp nghiên cứu
TT

Các nội dung, công việc
chủ yếu cần được thực hiện

Phương pháp
nghiên cứu

Cách tiếp cận

Kết quả
cần đạt được

1

Nghiên cứu kiến trúc IoT và
phác thảo ý tưởng mơ hình
thực hành IoT

Lý thuyết,
thực tiễn

Khảo sát Lab IoT
đã có trong và
ngồi nước

Phác thảo bản
vẽ chi tiết mơ
hình thí nghiệm

2

Thiết kế ý tưởng các bài thực
hành đáp ứng chuẩn đầu ra

học phần

Thực nghiệm

Khảo sát, tra cứu
các phòng Lab
tương tự

Phác thảo được
các bài thực
hành

3

Thiết kế mơ hình thực hành,
lựa chọn trang thiết bị, thi
công, chế tạo

Thực nghiệm

4

Biên soạn bài thực hành

Thực nghiệm

Mơ hình đạt
u cầu về tính
thẩm mỹ, đủ
chức năng và có

tính mở
Dùng phương
pháp Step by step
kết hợp dạy theo
dự án PBL để
biên soạn tài liệu
thực hành

Bộ tài liệu
hướng dẫn thực
hành
Bài báo khoa
học cấp trường
5


4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu
4.1. Mơ hình phần cứng thí nghiệm: đã thiết kế được mơ hình kiến trúc IoT dùng trong
thực hành gồm 4 thành phần chính đó là IoT node, IoT gateway, IoT networks và Web apps.

Hình 1. Sơ đồ khối các thành phần mơ hình thí nghiệm IoT

Hình 2. Cấu trúc phần cứng của mơ-đun “IoT Node”.

Hình 3. Hình ảnh thực nghiệm “IoT Gateway”.
6


4.2. Áp dụng giảng dạy:
Việc thiết kế các bài LAB để giảng dạy thí nghiệm IoT cho sinh viên Đại học được tiếp

cận theo mức độ phức tạp từ dễ đến khó và tiếp cận học tập dựa trên dự án PBL (Project
based learning). Các dự án hiệu quả là những vấn đề thu hút sự quan tâm của sinh viên và
thúc đẩy họ khám phá để hiểu sâu hơn về các yêu cầu đã cho. Các dự án tốt u cầu học
sinh hình thành ý tưởng hoặc phán đốn dựa trên các sự kiện có thể là kiến thức trước,
thông tin được đưa ra trong kịch bản và logic. Học tập dựa trên dự án thường bao gồm một
số bước như hình 4.

Hình 4. Lưu đồ thực hiện học qua dự án PBL

Hình 5. Các khối kiến thức được đề xuất trong bài giảng
7


Mơn học này trong chương trình đào tạo là mơn học 2 TC thực hành (60 tiết), sau khi
học môn học này, người học có khả năng: tư duy phân tích và lựa chọn thiết bị phần cứng,
truyền thơng và phần mềm cho một ứng dụng IoTs trong công nghiệp; Thiết kế, lập trình và
chạy thử nghiệm một ứng dụng IoTs. Do đó, nội dung được thiết kế như hình 5.
Đến hiện tại, chúng tôi đã triễn khai giảng dạy thử nghiệm thành công 02 lớp Đại học
năm 3 ngành Điện tử - máy tính . Trong học kỳ tiếp theo, chúng tôi sẽ tiếp tục triễn khai trên
các sinh viên Đại học ngành Điện tử - viễn thông và sẽ thực hiện các khảo sát từ sinh viên,
phân tích kết quả học tập chi tiết để thấy rõ hơn tác động của mơ hình thí nghiệm IoT trong
giảng dạy sinh viên.
4.3. Bài báo khoa học:
Kết quả nghiên cứu của đề tài được chúng tôi viết thành 01 bài báo tham gia hội nghị
khoa học trẻ YSC2019 do Đại học Công nghiệp TP.HCM tổ chức và viết 01 bài báo đăng
tạp chí Khoa học và Cơng nghệ của trường Đại học Công nghiệp TP.HCM.
5. Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận
Với các kết quả đạt được về mặt khoa học và thực tiễn, tác giả tin rằng đề tài nghiên cứu
đã đáp ứng được tất cả yêu cầu đặt ra ban đầu của đề tài, cũng như đáp ứng đầy đủ tất cả các
nội dung theo hợp đồng đã ký kết của đề tài.

6. Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)
Đề tài này thiết kế nền tảng mơ hình thí nghiệm để giảng dạy học phần IoT (Internet of
Things) ở trường đại học. Ý tưởng thiết kế bao gồm các khía cạnh quan trọng được xét đến
đó là dễ dàng thực hiện, chi phí thấp, có khả năng mở rộng đa trạm kết nối, thu thập dữ liệu
và điều khiển được các thiết bị cơng nghiệp. Nền tảng mơ hình thí nghiệm bao gồm 4 thành
phần như thiết bị “IoT Gateway” sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi 3 B+; các “IoT
Node” sử dụng vi điều khiển TMS320; “IoT Networks” sử dụng mạng LoRaWAN, Modbus
RTU và Internet để trao đổi dữ liệu giữa các “IoT Node” và giữa “IoT Node” ” và “IoT
Gateway”; và Server lưu trữ dữ liệu điện toán đám mây sử dụng “ThingSpeak IoT”. Kết quả
kiểm chứng cho thấy, mơ hình thí nghiệm đề xuất chạy ổn định, thu thập dữ liệu và điều
khiển các thiết bị cơng nghiệp khá chính xác, dễ dàng triển khai các bài thí nghiệm theo tiếp
cận học qua dự án PBL (Project Based Learning) từ đơn giản đến nâng cao cho người học.
In this paper, the IoT platform is designed to teach the IoT course in our university. The
designed ideas have covered some important aspects of a building platform including easy
to implement, low-cost, ability to data acquisition and control, easy to expand multi-node
connection. The IoT platform includes 4 components such as “IoT gateway” based
Raspberry Pi 3 B+, “IoT Node” based TMS320 chip, “IoT networks” supported LoRaWAN,
Modbus RTU, Internet, and “Server” based ThingSpeak platform. The results show that the
IoT platform runs stability and can meet the requirements of data acquisition, control,
transmission in a wide area. Moreover, it is easy to deploy experiments according to
learning approach through Project-Based Learning (PBL) method from simple to advanced
for students.
8


III. Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo
3.1. Kết quả nghiên cứu ( sản phẩm dạng 1,2,3)
TT

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu

kinh tế - kỹ thuật

Tên sản phẩm

Đăng ký

Đạt được

Đạt u cầu

Đạt u cầu

1

Mơ hình thiết bị phần
cứng IoT

Thiết bị chạy ổn định đáp
ứng giảng dạy mơn học
thực hành IoT; Có tính
mới; Linh hoạt, có tính
mở và dễ sử dụng.

2

Bản vẽ mơ hình thực
hành

Dễ thi công, thẩm mỹ.

Dễ sử dụng, linh hoạt; Cài
đặt mobile và máy tính.
Tài liệu phục vụ giảng
Tài liệu hướng dẫn chi
dạy
tiết, khoa học
Ít nhất 01 sinh viên hồn
Kết quả đào tạo đại học
thành khóa luận
Video bài giảng phục vụ Mỗi bài thực hành là 1
giảng dạy E-Learning
video hướng dẫn
Chương trình máy tính

3
4
5
6

7

Bài báo khoa học

01 bài báo IUH

Đạt yêu cầu
Đạt yêu cầu
Đạt yêu cầu
Đạt yêu cầu
1. Nguyen Ngoc Son, Cao Van

Kien, Pham Quang Tri,
“Design IoT Platform For
Laboratory”, YSC2019,
ĐHCN TPHCM.
2. Phạm Quang Trí, Cao Văn
Kiên, Nguyễn Ngọc Sơn,
“Thiết kế “mơ hình thí nghiệm
IoT” ứng dụng trong giảng
dạy bậc đại học”, Tạp chí
Khoa học và Công nghệ Trường Đại học Công nghiệp
TP.HCM, 2020.

3.2. Kết quả đào tạo
TT

Họ và tên

Thời gian
thực hiện đề tài

Sinh viên Đại học
Thái Vi Hùng
1/2019 đến 6/2019

Tên đề tài
Tên chuyên đề nếu là NCS
Tên luận văn nếu là Cao học
Ứng dụng hệ thống nhúng trong
mơ hình trồng rau thủy canh

Đã bảo vệ
Đạt

9


IV. Tình hình sử dụng kinh phí
TT
A
1
2
3
4
5
6
7
8
B
1
2

Nội dung chi
Chi phí trực tiếp
Th khốn chun mơn
Ngun, nhiên vật liệu, cây con..
Thiết bị, dụng cụ
Cơng tác phí
Dịch vụ th ngồi
Hội nghị, hội thảo,thù lao nghiệm thu giữa kỳ
In ấn, Văn phòng phẩm

Chi phí khác
Chi phí gián tiếp
Quản lý phí
Chi phí điện, nước
Tổng số

Kinh phí
được duyệt
(triệu đồng)

Kinh phí
thực hiện
(triệu đồng)

43

43

27.5

27.5

2
3

2
3

2

2

77.5

77.5

Ghi
chú

V. Kiến nghị ( về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)
 Nhân rộng mơ hình phần cứng IoT thành một phòng thực hành gồm 10 cụm thiết bị để
triển khai giảng dạy trong thực tế với sĩ số sinh viên 1 ca học từ 20-30 sinh viên.
 Xuất bản tài liệu hướng dẫn thực hành IoT để sinh viên có tài liệu tham khảo trong q
trình thực hành thí nghiệm.
VI. Phụ lục sản phẩm ( liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)
 Phụ lục 5.1. Bài báo đăng tạp chí IUH.
 Phụ lục 5.2. Bài báo tham gia hội nghị khoa học trẻ YSC2019.
 Phụ lục 5.3. Bản vẽ bo mạch IoT node và IoT Gateway; bản vẽ mơ hình thí nghiệm.
 Phụ lục 5.4. Minh chứng bài báo sinh viên Thái Vi Hùng tham gia hội nghị YSC2019.
 Phụ lục 5.5. Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm

Chủ nhiệm đề tài

Tp. HCM, ngày ........ tháng........ năm .......
Phòng QLKH&HTQT
Trưởng đơn vị
(Họ tên, chữ ký)

10

PHẦN II. BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Sau hơn bốn thập kỷ kể từ khi Internet [1] ra đời, thuật ngữ "Internet" giờ đây trực tiếp
đề cập đến các ứng dụng khổng lồ được xây dựng trên mạng máy tính và được kết nối, phục
vụ cho hàng tỷ người dùng trên toàn thế giới liên tục 24/7. Chúng ta đang ở giai đoạn khởi
đầu của một kỷ nguyên mới, nơi truyền thơng và kết nối ở khắp mọi nơi, nó khơng cịn là
giấc mơ hay thách thức. Giờ đây, trọng tâm cơng nghệ đã chuyển sang tích hợp con người
và thiết bị thông qua một môi trường ảo gọi là Internet of Things (IoT). IoT được dự báo sẽ
là xu hướng công nghệ của thế giới vào năm 2020. Gartner [2] ước tính rằng đến cuối năm
2020, sẽ có 25 tỷ vật dụng kết nối Internet. Cisco [2] dự kiến sẽ tăng gấp đơi, sẽ có 50 tỷ
mặt hàng được kết nối Internet vào cuối năm 2020. Mọi vật dụng đều có khả năng trở nên
"thơng minh" khi có kết nối Internet. Cũng như chính con người, IoT có thể được ứng dụng
trong các lĩnh vực như nhà thông minh [3], [4], giao thông thông minh [5], y tế thông minh
[6], nông nghiệp thông minh [7], thành phố thông minh [8], [9] và các ngành công nghiệp
khác. IoT đã và đang thay đổi cách con người tương tác với thiết bị, giữa thiết bị với thiết bị
từ đó tạo ra nhiều cơ hội kinh doanh, hình thức kinh doanh khác nhau cho các doanh nghiệp
và cộng đồng khởi nghiệp.
Hiện nay, các Trường Đại học và tập đoàn lớn trên thế giới đã phát triển các phòng
LAB chuyên nghiên cứu và giảng dạy trong lĩnh vực IoT. Chẳng hạn như, bài báo [10] giới
thiệu về nền tảng mơ hình thí nghiệm mở FIT IoT-LAB. FIT IoT-LAB cung cấp một nền
tảng thí nghiệm quy mô lớn cho phép các nhà nghiên cứu, nhà thiết kế IoT, nhà phát triển và
kỹ sư IoT thiết kế, đánh giá và tối ưu hóa các giao thức, ứng dụng và dịch vụ của họ. Trung
tâm C-DAC (Centre For Development of Advanced Computing) [11] đã phát triển IoT-Lab
bao gồm Wi-Fi Mote, Ubimote, BLE Mote, UbiSense and WINGZ. Bài báo này mô tả các
thông số kỹ thuật, các ứng dụng thời gian thực và cơ hội nghiên cứu của các thiết bị như là
một phần của bộ công cụ IoT Lab. Bài báo [12] giới thiệu nền tảng IoT Lab dùng
Arduino/Genuino UNO, ngơn ngữ lập trình Python và ThingSpeak IoT.

Tại Việt Nam, ứng dụng IoT đang được quan tâm và kêu gọi đầu tư rất lớn từ chính
quyền, các quỹ đầu tư mạo hiểm và từ các tập đồn lớn trên thế giới: Khu Cơng nghệ cao
Tp.HCM: đang ưu tiên ươm tạo các công ty khởi nghiệp mảng IoT và thường xuyên tổ chức
11


các hội thảo về IoT. Hiện này, khu công nghệ cao đang phát động cuộc thi với chủ đề “Phát
triển đô thị thông minh và nâng cao chất lượng cuộc sống dựa trên nền tảng IoT” vào tháng
09/2019. Đề xuất xây dựng chính quyền điện tử của Bí thư Thành ủy Tp.HCM với đối tác
Microsoft vào ngày 31/03/2016. Tỉnh Bình Dương đang tích cực tìm hiểu để triển khai xây
dựng “Thành phố thông minh ứng dụng công nghệ thông tin”. Hội thảo do UBND tỉnh Bình
Dương và Tổng Lãnh sự quán Hà Lan tại Tp.HCM phối hợp tổ chức vào ngày 28/03/2016,
tại Trung tâm Hội nghị và Triển lãm tỉnh. Các công ty hàng đầu thế giới như Intel, Cisco,
IBM, Google,… cùng lập quỹ đầu tư IoT trên toàn thế giới và quỹ này đang dành nhiều ưu
tiên tại Việt Nam. Hiện nay, IoT đã và đang được các trường đại học trong cả nước đưa vào
chương trình giảng dạy chính khóa dành cho sinh viên các bậc học, các LAB nghiên cứu
của các giảng viên. Chẳng hạn như: Ngày 7/7/2016 tại Khu Cơng nghệ cao Hịa Lạc, Bộ
Khoa học Cơng nghệ đã tổ chức khai trương Phịng thí nghiệm Hịa Lạc IoT Lab (HIL). IoT
Lab trưng bày cơng nghệ IoT như Smart Home, Smart City, IoT trong công nghiệp, giao
thơng, y tế, giáo dục thơng minh. Nhóm nghiên cứu UiTiO tại Bộ mơn Mạng máy tính,
Trường ĐH CNTT – ĐHQG HCM, hiện đang tập trung nghiên cứu, phát triển và xây dựng
các giải pháp, ứng dụng trong các lĩnh vực: Internet of Things (IoTs). Tháng 03/2019,
Vintech đã khánh thành phịng LAB IoT tại Hàn Quốc. Các tập đồn cơng nghệ lớn của
Việt Nam đều có phịng LAB IoT như VNPT, FPT, VNG, VIETTEL, VINTECH, INTEL,
National Instruments, SIEMENs and so on.
Đại học Công nghiệp Tp.HCM đang định hướng xây dựng các chương trình đào tạo
đáp ứng u cầu cơng nghiệp 4.0. Trong đó, IoT là một lĩnh vực then chốt, là hạt nhân của
cuộc cách mạng công nghiệp này. Hiện nay, IoT đã được xây dựng thành môn học giảng
dạy cho sinh viên hệ Đại học cho các ngành đào tạo của Khoa Công nghệ Điện tử, Khoa
Công nghệ Điện và Khoa Công nghệ Thông tin.

Trong đề tài này, chúng tơi thiết kế nền tảng mơ hình thí nghiệm để giảng dạy học
phần IoT ở trường đại học. Ý tưởng thiết kế bao gồm các khía cạnh quan trọng được xét đến
đó là dễ dàng thực hiện, chi phí thấp, có khả năng mở rộng đa trạm kết nối, thu thập dữ liệu
và điều khiển được các thiết bị công nghiệp. Mơ hình thí nghiệm đề xuất là một hệ thống
IoT hoàn chỉnh gồm 3 thành phần như phần cứng, phần mềm và truyền thơng, với các tính
năng mở. Sau đó, chúng tơi thực hiện biên soạn bài giảng dựa vào mơ hình thí nghiệm đề
xuất và cách tiếp cận học tập dựa trên dự án PBL [13], [14] (Project Based Learning). Các
dự án đi từ đơn giản đến phức tạp sẽ giúp sinh viên có khả năng: hiểu được kiến trúc IoTs,
12


xu hướng công nghệ và thách thức của IoTs, xu hướng thiết kế IoTs cho các ứng dụng công
nghiệp; nắm bắt được nền tảng phần cứng được sử dụng để thiết kế các ứng dụng IoTs trong
công nghiệp; hiểu được nền tảng mạng truyền thơng có dây và khơng dây thường được sử
dụng cho các ứng dụng IoTs; tư duy phân tích và lựa chọn thiết bị phần cứng, truyền thông
và phần mềm cho một ứng dụng IoTs trong công nghiệp; thiết kế, lập trình và chạy thử
nghiệm một ứng dụng IoTs trong công nghiệp.
1.2. Mục tiêu
a) Mục tiêu tổng qt.
Xây dựng mơ hình thực hành đáp ứng chuẩn đầu ra môn học IoT công nghiệp.
b) Mục tiêu cụ thể.
 Xây dựng mơ hình thiết bị mẫu gồm phần cứng, truyền thông, server lưu trữ và giao diện
ứng dụng trên nền Mobile/web để triển khai bài học thực hành.
 Biên soạn tài liệu hướng dẫn thực hành
 Tài liệu giấy bám sát đề cương môn học IoT công nghiệp, hướng dẫn chi tiết từng bài
học cụ thể.
 Tài liệu video hướng dẫn thực hành cho từng bài học cụ thể để sinh viên có thể học
tại nhà qua cơng cụ e-learning.
1.3. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
 Nội dung 1 : Nghiên cứu kiến trúc IoT và phác thảo ý tưởng mơ hình phần cứng

 Cách tiếp cận: Khảo sát các nghiên cứu liên quan để phác thảo ý tưởng mơ hình
 Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Nghiên cứu lý thuyết, phân tích và đánh
giá ưu nhược điểm của các giải pháp.
 Kết quả dự kiến: Phác thảo được bản vẽ chi tiết mơ hình thực hành
 Nội dung 2 : Thiết kế và thi công mơ hình thực hành
 Cách tiếp cận: Xây dựng mơ hình mẫu gồm phần cứng, mạng, server lưu trữ và giao
diện ứng dụng trên nền Mobile/web để triển khai bài học thực hành như hình 1.1.

13


Hình 1.1 Sơ đồ khối mơ hình thực hành IoT
Phần cứng gồm Gateway và các node điều khiển-giám sát:
-

Có khả năng tùy biến cao, và hỗ trợ khả năng mở rộng kết nối đa điểm.

-

Có khả năng ghi nhớ khi mất kết nối và có hỗ trợ tính năng tự động reset.

-

Có thể lập trình được theo u cầu của ứng dụng.

-

Hỗ trợ đa chuẩn truyền thông không dây như mạng Zigbee, wifi và mạng có dây
gồm RS485, Ethernet.

-

Hỗ trợ thu thập dữ liệu từ tất cả các loại cảm biến ngõ ra tương tư, số như cảm
biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, ….

-

Gateway dùng bo mạch máy tính nhúng Rasperry Pi 3 có hỗ trợ hệ điều hành.

Truyền thơng được sử dụng trong mơ hình thực hành được thiết kế gồm 2 cấp:
-

Mạng cục bộ (local networks): Sử dụng mạng không dây Zigbee để kết nối
Gateway với các node thiết bị trong không gian cục bộ để thu thập dữ liệu, điều
khiển và giám sát hệ thống.

-

Mạng toàn cục (global networks): Sử dụng mạng có dây internet và mạng không
dây 4G để Gateway gửi dữ liệu lên Cloud server.

Thiết lập server lưu trữ:
-

Dễ dàng kết nối thiết bị phần cứng, thu thập và quản lý dữ liệu từ các cảm biến,
tích hợp sẵn các cơng cụ phân tích để tăng khả năng tự động hóa cho các ứng
dụng.

-

Có khả năng tùy biến cao trong việc mở rộng số thiết bị, tự động cấu trúc lại phần
cứng và giao diện người dùng sao cho phù hợp.

-

Tích hợp sẵn các thuật tốn mã hóa hiện đại trong việc truyền dữ liệu để có độ
bảo mật cao, ổn định và tránh được các cuộc tấn công mạng.
14


Thiết kế giao diện người dùng trên nền WEB và điện thoại thông minh để thu thập
dữ liệu, điều khiển và giám sát từ xa. Cụ thể:
-

Giao diện đơn giản, linh hoạt, dễ sử dụng.

-

Giao diện có khả năng tùy biến theo ứng dụng/ bài tập thực hành.

 Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Lý thuyết đến thực nghiệm
 Kết quả dự kiến: Mơ hình đạt u cầu về tính thẩm mỹ, hoạt động ổn định, đủ chức
năng và có tính năng mở.
 Nội dung 3: Biên soạn tài liệu thực hành
 Cách tiếp cận: Biên soạn, giảng thử, seminar chuyên môn thảo luận, triễn khai sử
dụng mô hình TN
 Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Dùng phương pháp Step by Step kết hợp
dạy theo dự án PBL.
 Kết quả dự kiến: Bộ tài liệu và video hướng dẫn thực hành.

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM
2.1. Cơ sở lý thuyết
2.1.1. Internet vạn vật (Internet of Things - IoT) là gì?
Sau bốn thập kỷ kể từ sự ra đời của Internet bởi ARPANET, thuật ngữ “Internet” giờ
đây trực tiếp đề cập đến danh mục ứng dụng khổng lồ được xây dựng trên các mạng máy
tính và kết nối với nhau, phục vụ đến hàng tỷ người dùng trên toàn thế giới liên tục 24/7.
Chúng ta đang ở giai đoạn khởi đầu của một kỷ nguyên mới nơi truyền thơng và kết nối có
mặt khắp mọi nơi, nó khơng cịn là giấc mơ hay thách thức nữa. Giờ đây, trọng tâm công
nghệ đã chuyển sang sự tích hợp giữa con người và thiết bị qua mơi trường ảo được gọi là
Internet of Things (IoT).
Quan sát kỹ hơn về hiện tượng này cho thấy hai thành phần quan trọng của IoT là:
“Internet” và “Things”. Mặc dù dường như mọi đối tượng có khả năng kết nối Internet sẽ
thuộc danh mục của Things, nhưng ký hiệu này được sử dụng để bao gồm một tập hợp các
thực thể chung hơn, bao gồm các thiết bị thông minh, cảm biến, con người và bất kỳ đối
tượng nào khác biết về bối cảnh của nó và có thể giao tiếp với các thực thể khác, làm cho nó
có thể truy cập mọi lúc, mọi nơi. Điều này ngụ ý rằng các đối tượng được yêu cầu có thể
truy cập mà khơng có bất kỳ hạn chế về thời gian hoặc địa điểm.

15


Thiết kế giao diện người dùng trên nền WEB và điện thoại thông minh để thu thập
dữ liệu, điều khiển và giám sát từ xa. Cụ thể:
-

Giao diện đơn giản, linh hoạt, dễ sử dụng.

-

Giao diện có khả năng tùy biến theo ứng dụng/ bài tập thực hành.

 Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Lý thuyết đến thực nghiệm
 Kết quả dự kiến: Mơ hình đạt u cầu về tính thẩm mỹ, hoạt động ổn định, đủ chức
năng và có tính năng mở.
 Nội dung 3: Biên soạn tài liệu thực hành
 Cách tiếp cận: Biên soạn, giảng thử, seminar chuyên môn thảo luận, triễn khai sử
dụng mô hình TN
 Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Dùng phương pháp Step by Step kết hợp
dạy theo dự án PBL.
 Kết quả dự kiến: Bộ tài liệu và video hướng dẫn thực hành.

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM
2.1. Cơ sở lý thuyết
2.1.1. Internet vạn vật (Internet of Things - IoT) là gì?
Sau bốn thập kỷ kể từ sự ra đời của Internet bởi ARPANET, thuật ngữ “Internet” giờ
đây trực tiếp đề cập đến danh mục ứng dụng khổng lồ được xây dựng trên các mạng máy
tính và kết nối với nhau, phục vụ đến hàng tỷ người dùng trên toàn thế giới liên tục 24/7.
Chúng ta đang ở giai đoạn khởi đầu của một kỷ nguyên mới nơi truyền thơng và kết nối có
mặt khắp mọi nơi, nó khơng cịn là giấc mơ hay thách thức nữa. Giờ đây, trọng tâm công
nghệ đã chuyển sang sự tích hợp giữa con người và thiết bị qua mơi trường ảo được gọi là
Internet of Things (IoT).
Quan sát kỹ hơn về hiện tượng này cho thấy hai thành phần quan trọng của IoT là:
“Internet” và “Things”. Mặc dù dường như mọi đối tượng có khả năng kết nối Internet sẽ
thuộc danh mục của Things, nhưng ký hiệu này được sử dụng để bao gồm một tập hợp các
thực thể chung hơn, bao gồm các thiết bị thông minh, cảm biến, con người và bất kỳ đối
tượng nào khác biết về bối cảnh của nó và có thể giao tiếp với các thực thể khác, làm cho nó
có thể truy cập mọi lúc, mọi nơi. Điều này ngụ ý rằng các đối tượng được yêu cầu có thể
truy cập mà khơng có bất kỳ hạn chế về thời gian hoặc địa điểm.

15

Kết nối là một yêu cầu quan trọng của IoT và để đáp ứng nó các ứng dụng cần hỗ trợ
một bộ thiết bị và giao thức truyền thông đa dạng, từ các cảm biến nhỏ có khả năng đo
lường một đại lượng vật lý mong muốn, đến các máy chủ back-end mạnh mẽ được sử dụng
cho phân tích dữ liệu. Điều này cũng yêu cầu tích hợp các thiết bị di động, các thiết bị hỗ trợ
kết nối như bộ định tuyến “Router” và bộ liên kết mạng “Hub” và Bộ điều khiển.
Ban đầu, nhận dạng dùng tần số vô tuyến (RFID) từng là công nghệ chủ đạo trong phát
triển IoT, nhưng với những thành tựu công nghệ gần đây, mạng cảm biến không dây (WSN)
và các thiết bị hỗ trợ Bluetooth đã và đang trở thành xu hướng IoT. Các công nghệ và ứng
dụng IoT đã được khảo sát rộng rãi trước đây, tuy nhiên, người ta ít chú ý đến các đặc điểm
và yêu cầu riêng của IoT, như khả năng mở rộng, hỗ trợ không đồng nhất, khả năng tích hợp
hệ thống và xử lý thời gian thực.
 Internet of Things – IoT
Là khái niệm sử dụng Internet để kết nối “Things”, con người “People” và dịch vụ điện
tốn đám mây “Cloud services” với nhau.

Hình 2.1 Minh họa về khái niệm IoT
Thuật ngữ “Internet of Things - IoT” được Kevin Ashton giới thiệu lần đầu tiên năm
1999 trong bài trình bày về quản lý chuỗi cung ứng [6]. Anh ấy tin vào khía cạnh của những
thứ mà con người tương tác và sống trong thế giới vật chất xung quanh chúng ta cần xem
xét lại một cách nghiêm túc, nhờ những tiến bộ trong điện toán, Internet và tốc độ truyền dữ
liệu bằng các thiết bị thơng minh. Vào thời điểm đó, ơng là một giám đốc điều hành tại
Trung tâm ID-Auto MIT, nơi ông đã góp phần mở rộng các ứng dụng RFID đa lĩnh vực và
xây dựng nền tảng cho tầm nhìn IoT hiện tại.
16


“Thing” trong IoT có thể là người có máy theo dõi nhịp tim hoặc ơ tơ tích hợp cảm
biến, tức là các đối tượng đã được gán địa chỉ IP và có khả năng thu thập và truyền dữ liệu

qua mạng mà không cần hỗ trợ hoặc can thiệp thủ công. Công nghệ nhúng trong các đối
tượng giúp chúng tương tác với các trạng thái bên trong hoặc môi trường bên ngồi, từ đó
ảnh hưởng đến các quyết định được đưa ra.
 Industrial Internet of Things.
Còn được gọi là IoT công nghiệp (IIoT) là một dạng ứng dụng IoT khác được ưa
chuộng bởi các công ty công nghệ cao lớn. Thực tế là máy móc có thể thực hiện các tác vụ
cụ thể như dữ liệu tiếp thu và giao tiếp chính xác hơn con người đã thúc đẩy việc áp dụng
IIoTùi. Máy để giao tiếp máy (M2M), phân tích dữ liệu lớn và kỹ thuật học máy là cơng
trình chính các khối khi nói đến định nghĩa của IIoT. Những dữ liệu này cho phép các công
ty phát hiện và giải quyết vấn đề nhanh hơn, do đó dẫn đến tiết kiệm tiền và thời gian tổng
thể. Ví dụ, trong một sản xuất cơng ty, IIoT có thể được sử dụng để theo dõi và quản lý hiệu
quả chuỗi cung ứng, thực hiện kiểm soát chất lượng và đảm bảo, và giảm tổng mức tiêu thụ
năng lượng.
2.1.2. Things trong IoT
Trong ngữ cảnh của IoT, “Things” là một thuật ngữ mô tả phần cứng đã được thiết kế
hoặc điều chỉnh cho một mục đích cụ thể. “Things” là một hệ thống nhúng có khả năng
truyền và nhận thơng tin qua mạng.
Các thiết bị phần cứng hỗ trợ kết nối mạng “Things” là trung tâm của mọi giải pháp
IoT. Thiết bị phần cứng này có chức năng thực hiện đo lường và điều khiển các thiết bị
công nghiệp, thiết bị gia dụng, thiết bị ứng dụng trong tòa nhà, xe hơi, nhà kho và các thiết
bị mang đeo của con người. Nó được sử dụng để chỉ các thành phần phần cứng tích hợp bao
gồm cảm biến và thiết bị chấp hành, cũng như các bộ điều khiển dùng vi xử lý – vi điều
khiển, PLC, máy tính nhúng. Và hỗ trợ các kết nối mạng từ cục bộ như wifi, bluetooth,
lorawan, CAN, ethernet cho đến các mạng toàn cầu như Internet, 3G, 4G và 5G.
“Things” trong IoT thường được phân chia thành 2 loại đó là: “IoT device hoặc IoT
node” và “IoT gateway” được minh họa như hình 2.2.

17

IoT node 1

Mạng cục bộ
Local networks

Mạng toàn cầu
Global networks
Cloud server

IoT
Gateway

IoT node 2

IoT node n

Hình 2.2 Minh họa IoT node và IoT gateway
Các thiết bị và nền tảng thiết bị phần cứng IoT hay “Things” liên tục được giới thiệu
đến người dùng và các nhà phát triển ứng dụng. Do đó, bạn cần phải hiểu các đặc điểm kỹ
thuật quan trọng trong hầu hết các thiết bị IoT để có thể so sánh và đánh giá một thiết bị mới
ngay khi chúng được tung ra thị trường. Chúng ta có thể mơ tả các đặc tính kỹ thuật quan
trọng cần có của “Things” bao gồm các khả năng sau:
 Thu thập dữ liệu và điều khiển
Thu thập dữ liệu là quá trình lấy mẫu để đo lường các đại lượng vật lý chuyển đổi
thành các tín hiệu điện cho q trình xử lý, phân tích và lữu trữ. Trong hầu hết các ứng
dụng, hệ thu thập dữ liệu (Data Acquisition (DAQ)) được thiết kế không những chỉ để thu
thập dữ liệu mà cịn cả chức năng điều khiển. Vì vậy khi nói hệ DAQ thường hàm ý cả chức
năng điều khiển (Data Acquisition and Control). Các thành phần cơ bản của DAQ bao gồm:
 Xử lý và lưu trữ dữ liệu
Dữ liệu đang dẫn dắt internet của vạn vật – IoT. Việc thu thập, gởi và xử lý lượng dữ

liệu lớn địi hỏi các hệ thống phải trở nên thơng minh hơn, hành động nhanh chóng hơn và
đưa ra quyết định sáng suốt hơn.
Các thiết bị IoT yêu cầu khả năng xử lý và lưu trữ dữ liệu để thực hiện xử lý, chuyển
đổi và phân tích cơ bản dữ liệu mà chúng thu thập được. Các thiết bị IoT có thể xử lý dữ
liệu trực tiếp hoặc chúng có thể truyền dữ liệu này đến các thiết bị khác, thiết bị gateway
hoặc các dịch vụ điện toán đám mây hoặc ứng dụng để tổng hợp và phân tích. Tuy nhiên,
việc gởi tất cả dữ liệu đến máy chủ điện toán đám mây để xử lý, lưu trữ có thể làm gia tăng
độ trễ do q trình truyền dẫn. Do đó, Điện toán biên (Edge Computing) đang phát triển để

18


giải quyết vấn đề này. Điện toán biên sẽ di chuyển phần lớn việc xử lý dữ liệu tới gần các
bộ xử lý của IoT hơn.
Điện toán biên là một mạng lưới các trung tâm xử lý và lưu trữ dữ liệu cục bộ trước
khi nó được gởi đến Trung tâm dữ liệu hoặc đưa lên các Đám mây. Nó tối ưu hóa các hệ
thống truyền dẫn để tránh gián đoạn hoặc làm chậm việc gửi và nhận dữ liệu. Mọi thứ được
tính tốn để xử lý ngay tại các biên (Edge) của hệ thống mạng.
Dữ liệu có thể được phân tích thời gian thực trên chính thiết bị “IoT node” hoặc trên
thiết bị “IoT gateway” nơi mà các thiết bị IoT được kết nối ngay lập tức, thay vì các thiết bị
truyền khối lượng lớn dữ liệu ngược lên máy chủ đám mây hoặc trung tâm dữ liệu để phân
tích thêm. Xử lý dữ liệu ở điện tốn biên cung cấp một cơ hội để tổng hợp và lọc dữ liệu
ngay khi nó được thu thập, chỉ với dữ liệu quan trọng nhất được chọn để gửi lên máy chủ
trung tâm. Cuối cùng, điện toán biên làm giảm các yêu cầu lưu trữ và xử lý dữ liệu cũng
như giảm tải cho mạng.
Sức mạnh xử lý và lưu trữ được sử dụng trong một ứng dụng IoT sẽ phụ thuộc vào
mức độ xử lý dữ liệu xảy ra trên chính thiết bị IoT. Dung lượng bộ nhớ khả dụng và thông
số kỹ thuật của bộ xử lý, bao gồm tốc độ xung nhịp và số lõi sẽ xác định tốc độ mà dữ liệu
có thể được xử lý. Dung lượng của bộ nhớ flash được sử dụng để duy trì dữ liệu cho đến khi
có thể truyền lên máy chủ điện tốn sẽ xác định lượng dữ liệu có thể được lưu trữ trên thiết

bị. Các thiết bị thực hiện điện toán biên yêu cầu nhiều khả năng xử lý hơn so với thiết bị chỉ
thực hiện xử lý dữ liệu cơ bản như đánh giá, chuẩn hóa, chia tỷ lệ hoặc chuyển đổi dữ liệu.
 Kết nối qua mạng
Khả năng kết nối mạng là một trong những đặc điểm cần phải có của bất kỳ thiết bị
IoT nào. Các thiết bị có thể giao tiếp với các thiết bị cục bộ khác và truyền dữ liệu lên các
dịch vụ và ứng dụng trên đám mây.
Một số thiết bị giao tiếp không dây bằng cách sử dụng các công nghệ 802.11 (wifi),
Bluetooth, RFID, mạng di động hoặc mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) như LoRa,
SigFox hoặc NB-IoT.
Giao tiếp có dây phù hợp với các thiết bị tĩnh, được cài đặt trong các tịa nhà thơng
minh, tự động hóa gia đình và các ứng dụng điều khiển cơng nghiệp, nơi chúng có thể được
kết nối với Ethernet. Giao tiếp nối tiếp cũng là một hình thức kết nối có dây giữa các thiết
19


bị, sử dụng các giao thức tiêu chuẩn như UART (Universal Asynchronous Receiver
Transmitter) hoặc giao thức CAN (Controller Area Network), …
 Năng lượng tiêu thụ
Quản lý năng lượng tiêu thụ là vấn đề đặc biệt cần quan tâm đối với các thiết bị IoT.
Bạn phải biết được thiết bị hoạt động dựa vào nguồn năng lương từ đâu? Ví dụ, một thiết bị
IoT chẩn đốn huyết áp người giả thì phải được mang/đeo trực tiếp trên con người, vậy
nguồn năng lượng cấp cho thiết bị này lấy từ đâu, từ nguồn Pin, sạc không dây hay là năng
lượng mặt trời.
Hơn nữa, tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng và yêu cầu năng lượng của các cảm biến, bộ
truyền động hoặc IC tích hợp kèm theo để cung cấp khả năng thu thập và kiểm soát dữ liệu,
lưu trữ, xử lý và kết nối mạng, thiết bị có thể cần được đưa vào chế độ ngủ hoặc ở mức thấp
chế độ năng lượng định kỳ để tiết kiệm năng lượng hoặc kéo dài tuổi thọ pin. Ví dụ, một
máy tính một bo mạch như Raspberry Pi 3 cần khoảng 700 - 1000mA dịng điện để hoạt
động theo cách sử dụng thơng thường. Nếu bạn truyền dữ liệu liên tục qua mạng wifi hoặc
nếu bạn đặt thiết bị dưới tải nặng bằng cách thực hiện nhiều xử lý dữ liệu trên thiết bị, việc

sử dụng năng lượng sẽ ở mức cao hơn của thang đo đó và sẽ giảm xuống bất cứ khi nào
thiết bị đã nhàn rỗi. Nếu bạn kết nối một mô-đun máy ảnh, yêu cầu hiện tại tăng khoảng
250mA bất cứ khi nào máy ảnh được sử dụng. Các cảm biến thường yêu cầu nguồn điện để
hoạt động và các chân GPIO trên Raspberry Pi cung cấp 3,3V hoặc 5V, lên đến tổng dòng
50mA trên tất cả các chân, do đó, mức tiêu thụ điện của tồn bộ thiết bị cũng tăng khi bạn
tăng số lượng các thành phần được gắn vào các chân I/O của thiết bị
2.1.3. Kiến trúc IoT
Mơ hình kiến trúc IoT đóng vai trị quan trọng để có tư duy thiết kế một ứng dụng IoT
trong thực tiễn. Các bài báo [15]–[17] đã thực hiện khảo sát và kết luận rằng mơ hình kiến
trúc IoT có thể được chia thành nhiều lớp. Chẳng hạn như, nghiên cứu [18] đề xuất mơ hình
kiến trúc 3 lớp gồm lớp ứng dụng, lớp mạng và lớp vật lý. Nghiên cứu [19] đề xuất mơ hình
kiến trúc 5 lớp gồm lớp cảm biến, lớp truy nhập dữ liệu, lớp mạng, lớp middleware và lớp
ứng dụng. Một số ứng dụng tiếp cận kiến trúc IoT 4 lớp bao gồm lớp cảm biến và thiết bị
chấp hành, lớp thu thập dữ liệu và Internet Gateway, lớp thực hiện điện toán biên, lớp trung
tâm dữ liệu điện tốn. Tùy vào quy mơ hệ thống mà mơ hình kiến trúc có thể từ 3 lớp đến
nhiều lớp.
20


Trong đề tài này, mơ hình kiến trúc IoT được chúng tơi đề xuất bao gồm 3 lớp cơ bản
đó là lớp thiết bị, lớp mạng và lớp ứng dụng, được mơ tả như hình 2.3.

Hình 2.3 Kiến trúc IoT
 Lớp thiết bị - Things
 Lớp này bao gồm các cảm biến, thiết bị chấp hành và các bộ điều khiển như vi xử
lý/vi điều khiển, PLC, FPGA đến các máy tính nhúng.
 Lớp thiết bị thực hiện đo lường và thu thập dữ liệu các đại lượng vật lý thông qua các
cảm biến, điều khiển các thiết bị chấp hành và có thể truyền và nhận dữ liệu từ các
thiết bị khác qua mạng.
 Lớp mạng - Networks

 Chức năng lớp mạng xác định các giao thức truyền thông khác nhau được sử dụng
cho việc kết nối mạng và thực hiện điện toán biên.
 Lớp mạng bao gồm các thiết bị liên kết mạng như Hub, Switch, Router; các thiết bị
chuyển đổi giao thức mạng như Gateways; đến các thiết bị có khả năng lưu trữ, xử lý
cục bộ trước khi gửi dữ liệu lên Server trung tâm.
 Các “Things” ở lớp thiết bị được kết nối với thiết bị Gateway ở lớp mạng thông qua
các mạng cục bộ như Wifi, Zigbee, Bluetooth, LoRaWAN … đến các mạng có dây
như CAN, Modbus, Profibus, RS485, Ethernet,…. Sau đó, thiết bị ở lớp mạng thực
hiện xử lý và gửi lên trung tâm dữ liệu qua mạng toàn cầu như Internet, 3G/4G/LTE,
GSM.
21


 Lớp ứng dụng - Applications
 Đây là trung tâm lưu trữ dữ liệu hay đám mây điện tử.
 Lớp này thực hiện thu nhận dữ liệu từ lớp mạng, lưu trữ, xử lý dữ liệu và ra quyết
định dựa trên các thuật tốn AI/ML hoặc các cơng cụ phân tích dữ liệu hiện đại.
2.2. Thiết kế và thi cơng
Ý tưởng thiết kế mơ hình thí nghiệm bao gồm các khía cạnh quan trọng được xét đến
đó là dễ dàng thực hiện, chi phí thấp, có khả năng mở rộng đa trạm kết nối, thu thập dữ liệu
và điều khiển được các thiết bị cơng nghiệp, và đặc biệt có khả năng kết nối không dây ở
khoảng cách xa. Dựa vào mơ hình kiến trúc IoT được đề xuất gồm 3 lớp như mơ tả ở trên,
nền tảng mơ hình thí nghiệm bao gồm 4 thành phần chính như sau: “IoT networks”, “IoT
Node”, “IoT Gateway” và máy chủ (Server).

Hình 2.4 Sơ đồ khối các thành phần mơ hình thí nghiệm IoT
2.2.1. “IoT networks”
Việc lựa chọn mạng không dây để kết nối các “IoT node” với nhau và để kết nối các
“IoT node” và “IoT Gateway” đóng vai trị rất quan trọng trong thiết kế. Dựa vào đặc tính
kỹ thuật được mô tả trong bảng 2.1, mạng LoraWan với các ưu điểm nổi bật về khoảng cách

truyền, năng lượng tiêu thụ đã được chúng tơi sử dụng thiết kế mơ hình thí nghiệm.

22


Bảng 2.1 Đặc tính kỹ thuật một số kỹ thuật mạng không dây
Thông số

IEE
802.15.4

Bluetooth

868/915
Băng tần

MHZ, 2.4

2.4 GHz

GHZ
Tốc độ
truyền
Khoảng cách
Năng lượng
tiêu thụ

250 Kpbs
10 - 300
m

Rất thấp

723 Kpbs
10 m
Thấp

WiFi

2.4, 5.8
Ghz

Zigbee

2.4GHz,
868MHz,
915MHz

Z-wave
868.42 MHz
EU,
908.42 MHz
USA

LoraWan
867 to 869
MHz EU
902.3 to
914.9
MHz USA

11 - 105

20–

Lên đến

Mpbs

250Kbps

100kbit/s

1–75 m

30 m

15 - 20 km

Rất thấp

Thấp

Thấp

10 - 100
m
Cao

21.9 kbps

2.2.2. “IoT Node”
Chức năng của “IoT Node” là thu thập thông tin của các cảm biến thông qua mô-đun
A/D hoặc thông qua truyền thông nối tiếp (RS232, RS485), song song (SPI, I2C) và xuất tín
hiệu điều khiển các thiết bị chấp hành thơng qua mô-đun A/D, PWM hoặc truyền thông nối
tiếp (RS232, RS485), song song (SPI, I2C). “IoT Node” sẽ thực hiện việc truyền thông với
“IoT Gateway” thông qua mạng không dây LoRa. Sơ đồ khối của “IoT node” được trình
bày trong hình 2.5.

Hình 2.5 Sơ đồ khối của mô-đun “IoT Node”

23