Nghiên cứu, thiết kế hệ thống quản lý nông trại, ứng dụng công nghệ iot

TĨM TẮT
Luận văn này trình bày nội dung nghiên cứu và thiết kế hệ thống nông trại thông
minh ứng dụng công nghệ IoT. Đề tài này tập trung nghiên cứu phương pháp thu thập
dữ liệu từ các cảm biến môi trường, tổng hợp, lưu trữ và gửi dữ liệu lên server. Đề tài
ứng dụng logic mờ để đưa ra lời khuyên cho người nông dân dựa trên các thông số
thu thập được. Một số thuật toán lựa chọn và lọc dữ liệu được ứng dụng để sàn lọc và
tiết kiệm dung lượng dữ liệu cần truyền.
Luận văn thực nghiệm trên phần cứng tự thiết kế, bao gồm các thiết bị thu dữ liệu,
bộ điều khiển trung tâm cùng các phần mềm hỗ trợ cài đặt và theo dõi các chỉ số.
Logic mờ được mơ phỏng trên Matlab và lập trình lên vi điều khiển STM32F107
bằng trình biên dịch Keil C. Việc lập trình thuật tốn logic mờ lên vi điều khiển là
khởi đầu cho q trình nhúng các thuật tốn phức tạp hơn lên nền tảng MCU 32 bit.

iv


ABSTRACT
The thesis presents research content and design smart farm system using Internetof-Thing (IoT) technology. This thesis focused on methods of collecting data from
environmental sensors, synthesize, store and send data to the server. This paper
applies the Fuzzy logic to give advice to farmers based on the data collected. Several
algorithms for selecting and filtering data are used to eliminate unnecessary data and
save data storage during transmission.
This thesis is performed on self-designed hardware, including Node (the data
acquisition devices), Gateway (the central controller), and software for setting and
monitoring indicators. Fuzzy logic is simulated on Matlab software and programmed
on STM32F107 microcontroller with Keil-C compiler. Fuzzy logic programming on
microcontrollers is the beginning of the process of embedding more complex
algorithms on 32-bit MCU platforms.

v

MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
LÝ LỊCH KHOA HỌC............................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ iii
TÓM TẮT .............................................................................................................. iv
ABSTRACT ............................................................................................................ v
MỤC LỤC ............................................................................................................. vi
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... ix
DANH SÁCH CÁC HÌNH ...................................................................................... x
DANH SÁCH BẢNG BIỂU .................................................................................. xii
Chương 1................................................................................................................. 1
TỔNG QUAN ......................................................................................................... 1
1.1.

Đặt vấn đề ................................................................................................ 1

1.2.

Mục tiêu của đề tài.................................................................................... 4

1.3.

Nhiệm vụ và giới hạn đề tài ...................................................................... 4

1.4.

Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 5

1.5.

Bố cục luận văn ........................................................................................ 6

Chương 2................................................................................................................. 7
CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................................. 7
2.1.

Giới thiệu công nghệ IoT .......................................................................... 7

2.1.1.

Khái niệm IoT...................................................................................... 7

2.1.2.

Xu hướng và tính chất của IoT ............................................................. 8

vi


2.1.3.

Ứng dụng của IoT .............................................................................. 10

2.1.4.

Kiến trúc IoT ..................................................................................... 10

2.2.

Logic mờ ................................................................................................ 12

2.2.1.

Khái niệm logic mờ ........................................................................... 12

2.2.2.

Ứng dụng của logic mờ ...................................................................... 12

2.2.3.

Nhầm lẫn và tranh cãi ........................................................................ 13

2.3.

Wifi ........................................................................................................ 15

2.3.1.

Giới thiệu về Wifi .............................................................................. 15

2.3.2.

Nguyên tắc hoạt động của Wifi .......................................................... 15

2.3.3.

Một số chuẩn kết nối Wifi phổ biến ................................................... 16

2.4.

Lora ........................................................................................................ 17

2.4.1.

Giới thiệu về Lora .............................................................................. 17

2.4.2.

Nguyên lý hoạt động của Lora ........................................................... 17

2.4.3.

Các thông số hoạt động của Lora ....................................................... 19

2.5.

Ethernet .................................................................................................. 20

2.5.1.

Giới thiệu về Ethernet ........................................................................ 20

2.5.2.

Tiêu chuẩn hóa Ethernet .................................................................... 21

2.5.3.

Sự phát triển của Ethernet .................................................................. 22

2.5.4.

Cấu trúc frame ................................................................................... 23

Chương 3............................................................................................................... 24
THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG ................................................................................... 24
3.1.

Bài tốn của đề tài nghiên cứu ................................................................ 24

3.2.

Thiết kế phần cứng ................................................................................. 32

3.3.1.

Thiết kế hệ thống nhận dữ liệu cảm biến giao tiếp LoRa .................... 32

vii


3.3.2.
3.3.

Thiết kế cổng gateway ....................................................................... 38
Thiết kế phần mềm ................................................................................. 46

3.4.1.

Ứng dụng trên smartphone ................................................................. 46

3.4.2.

Phần mềm trên máy tính .................................................................... 47

3.4.3.

Ứng dụng web ................................................................................... 47

Chương 4............................................................................................................... 48
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ................................................................................. 48
VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................................. 48
4.1.

Kết quả thực nghiệm của đề tài ............................................................... 48

4.1.1.

Node .................................................................................................. 48

4.1.2.

Gateway............................................................................................. 50

4.1.3.

Phần mềm máy tính ........................................................................... 53

4.1.4.

Ứng dụng android .............................................................................. 54

4.1.5.

Ứng dụng web ................................................................................... 57

4.2.

Hướng phát triển đề tài ........................................................................... 58

Chương 5............................................................................................................... 59
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 61
PHỤ LỤC.............................................................................................................. 62

viii


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
IoT:

Internet of Things

GPS:

Global Positioning System

LoRa:

Long Range

RFID:

Radio-frequency identification

IEEE:

The Institute of Electrical and Electronics Engineers

ISP:

Internet Service Provider

SF:

Spreading Factor

BW:

Bandwidth

CF:

Coding Rate

WiFi:

Wireless Fidelity

LAN:

Local Area Network

MAN:

Offset quadrature phase shift keying

WAN:

Wide Area Network

FDDI:

Personal Area Network

ARCNET:

Personal Computer

OSI:

Open Systems Interconnection

MAC:

Media Access Control

ECMA:

European Computer Manufacturers Association

IEC:

The International Electrotechnical Commission

ISO:

The International Organization for Standardization

MF:

Membership Function

ix


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1: Mơ hình nơng trại ứng dụng IoT ............................................................. 2
Hình 1.2: Hệ thống tưới chính xác của Mimosa TEK ............................................. 3

Hình 2.1: Hệ sinh thái IoT ...................................................................................... 7
Hình 2.2: Nest, một bộ điều khiển nhiệt dùng trong nhà ......................................... 8
Hình 2.3: Xe đạp cũng có thể trở thành một thiết bị IoT ....................................... 10
Hình 2.4: Cấu trúc của IoT ................................................................................... 11
Hình 2.5: Hàm MF của logic mờ .......................................................................... 13
Hình 2.6: Mạng wifi ............................................................................................. 15
Hình 2.7: Router wifi kết nối các thiết bị .............................................................. 16
Hình 2.8: LoRa là hướng đi mới cho IoT .............................................................. 17
Hình 2.9: Radio packet của LoRa ......................................................................... 18
Hình 2.10: Mạng kết nối Ethernet ......................................................................... 20
Hình 2.11: Ethernet Protocol ................................................................................ 21
Hình 3.1: Quản lý nơng trại qua internet ............................................................... 24
Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống quản lý nơng trại ................................................... 25
Hình 3.3: Phương thức kết nối IoT ....................................................................... 25
Hình 3.4: Sơ đồ khối của thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm ............................................ 32
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của khối MCU ............................................................ 32
Hình 3.6: Xung start cảm biến SHT-10 ................................................................. 33
Hình 3.7: Biểu đồ chuyển đổi 𝑆𝑂𝑅𝐻 qua độ ẩm tương đối ..................................... 34
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến ............................................................. 34
Hình 3.9: Module LoRa E32TTL100S1 433MHz ................................................. 35
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khối Lora .................................................................. 35
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khối ổn áp ................................................................. 36
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý khối LED, nút nhấn và đo pin ................................... 36
Hình 3.13: Phần cứng thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm ................................................. 37

x


Hình 3.14: Định dạng dữ liệu gửi ........................................................................ 37
Hình 3.15: Lưu đồ giải thuật ................................................................................. 38

Hình 3.16: Sơ đồ khối gateway ............................................................................. 39
Hình 3.17: Sơ đồ mạch nguồn LM2596S 3.3V 3A ............................................... 40
Hình 3.18: Sơ đồ mạch khối MCU ....................................................................... 40
Hình 3.19: Sơ đồ mạch khối LoRa ........................................................................ 41
Hình 3.20: Sơ đồ mạch module wifi ESP8266 ...................................................... 42
Hình 3.21: Sơ đồ mạch ethernet ENC28J60 .......................................................... 42
Hình 3.22: Sơ đồ mạch LCD ................................................................................ 43
Hình 3.23: Sơ đồ mạch điều khiển ........................................................................ 43
Hình 3.24: Sơ đồ mạch eeprom 24LC512 ............................................................. 44
Hình 3.25: Lưu đồ giải thuật của gateway............................................................. 46
Hình 3.26: Giao diện App Inventor 2 .................................................................... 47
Hình 4.1: Biểu đồ tiêu thụ dòng của thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm ............................ 48
Hình 4.2: Khoảng cách thực tế đo được ............................................................... 49
Hình 4.3: Phần cứng Gateway .............................................................................. 50
Hình 4.4: Giao diện cơng cụ Fuzzy logic trên Matlab ........................................... 50
Hình 4.5: Hàm MF ngõ vào và ngõ ra ................................................................... 51
Hình 4.6: Kết quả ngõ ra sau khi giải mờ .............................................................. 51
Hình 4.7: Giao diện cấu hình thiết bị gateway ...................................................... 53
Hình 4.8: Giao diện đăng nhập THL ..................................................................... 54
Hình 4.9: Thơng số giám sát và bảng điều khiển................................................... 55
Hình 4.10: Giao diện đổi mật khẩu đăng nhập ...................................................... 55
Hình 4.11: Giao diện đăng nhập trên web ............................................................. 57
Hình 4.12: Giao diện thơng số hiển thị ................................................................. 57

xi


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
BẢNG

TRANG

Bảng 3.1: Giá trị ngõ vào ..................................................................................... 27
Bảng 3.2: Giá trị ngõ ra ....................................................................................... 27
Bảng 3.3: Bảng luật ngõ ra thứ nhất..................................................................... 28
Bảng 3.4: Bảng luật ngõ ra thứ hai....................................................................... 28
Bảng 3.5: Hằng số tính tốn điểm sương ............................................................. 31
Bảng 3.6: Bảng giá trị 𝑑1 , 𝑑2 .............................................................................. 33
Bảng 3.7: Bảng giá trị 𝑐1, 𝑐2, 𝑐3 , 𝑡1 , 𝑡2 ................................................................ 34
Bảng 4.1: Bảng so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực tế ............................. 52

xii


Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Trong bối cảnh nhu cầu xã hội về lương thực, thực phẩm tăng cao, chất lượng
lương thực, thực phẩm đang đi xuống, diện tích đất trồng đang thu hẹp dần. Tận dụng
những khoảng đất trống, cùng với sự kết hợp của công nghệ thông minh sẽ tạo ra sản
lượng lương thực thực phẩm lớn mà khơng tốn q nhiều chi phí nhân cơng.
Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống trang trại thông
minh. Họ đã ứng dụng khao học kỹ thuật tiên tiến, hệ thống giám sát môi trường, điều
khiển tự động và có sự hỗ trợ của robot. Ở Việt Nam, các mơ hình trang trại ở Đà Lạt
bước đầu triển khai theo mơ hình này và thu kết quả khả quan. Với sự phát triển của
Internet, smartphone và đặc biệt là các thiết bị cảm biến, Internet of Things (IoT)
đang trở thành xu hướng mới của thế giới. Mơ hình trang trại thơng minh ứng dụng
IoT đang hình thành và phát triển nhanh chóng.
Từ trước tới nay nơng nghiệp là một trong những lĩnh vực ít được áp dụng công

nghệ nhất. Đặc biệt là ở những quốc gia đang phát triển như Việt Nam, nông nghiệp
gần như chỉ phụ thuộc vào kinh nghiệm của những người nông dân về đặc tính của
cây trồng, về thời tiết... Chính vì vậy, năng suất và hiệu suất canh tác gần như khơng
được chú trọng, mang tính may rủi. Trong khi đó, trước những thách thức về biến đổi
khí hậu, gia tăng dân số nhanh chóng, vấn đề đảm bảo đủ lương thực là một trong
những thách thức mang tính tồn cầu. Ngành nơng nghiệp phải tìm kiếm những
phương thức tốt hơn để gia tăng hiệu quả sản xuất. Cách duy nhất chính là áp dụng
cơng nghệ mới vào hoạt động sản xuất, canh tác.
Chính vì vậy, việc đưa các ứng dụng IoT vào ngành nông nghiệp sẽ giúp minh
chứng rõ nhất cho việc IoT đem lại hiệu quả to lớn như thế nào. Đó chính là lý do mà
nơng nghiệp là lĩnh vực đang được quan tâm đầu tư và được nhiều startup lựa chọn
để gọi vốn.

1


Hình 1.1: Mơ hình nơng trại ứng dụng IoT
IoT sẽ biến nông nghiệp từ một lĩnh vực sản xuất định tính thành một lĩnh vực sản
xuất chính xác dựa vào những số liệu thu thập, tổng hợp và phân tích thống kê. Từ
việc phụ thuộc vào thời tiết, khí hậu..., người nơng dân có thể tự chủ, điều chỉnh mọi
thứ để đạt được hiệu quả như mong muốn. [1]
 Tăng hiệu suất canh tác: Những hệ thống thiết bị cảm biến, đo đạc sẽ được kết
nối với nhau, tích hợp GPS và các công nghệ theo dõi để thu thập dữ liệu, kết
nối với hạ tầng đám mây để truy xuất dữ liệu, phân tích đưa ra quyết định tối ưu
hóa lượng nước, lượng phân bón, tự động hóa các hoạt động nông nghiệp hàng
ngày và cung cấp giải pháp theo dõi thời gian thực. Nhờ đó, các điều kiện dinh
dưỡng đối với cây trồng sẽ được tối ưu, cho mức sinh trưởng tốt nhất.
 Quản lý dịch bệnh: Giảm thiểu dịch bệnh cũng là một yếu tố quan trọng trong
việc nâng cao hiệu suất canh tác. Thêm vào đó, hiện người dùng đang có xu
hướng chuộng các sản phẩm hữu cơ nên ngành nông nghiệp phải bắt đầu chú

trọng tìm kiếm các giải pháp giảm thiểu dịch bệnh cho cây trồng mà khơng sử
dụng thuốc trừ sâu.
Hiện đã có khơng ít giải pháp ứng dụng IoT giúp giám sát số lượng sâu bệnh, khi
phát hiện số lượng sâu bệnh trở nên quá cao, hệ thống tự động kích hoạt và ngăn cản
q trình kết đơi của sâu bệnh để giảm thiểu sự gia tăng, kèm theo đó sẽ cảnh báo để
nông dân lựa chọn phương thức xử lý nhân công, sinh học hay thuốc trừ sâu.

2


Ngành nông nghiệp Việt Nam cũng không ngoại lệ. Công nghệ trong nơng nghiệp
là một trong những từ khóa được nhắc tới khá nhiều trong giới khởi nghiệp tại Việt
Nam trong thời gian gần đây. Một vài trong số đó đã nhận được tài trợ để tiếp tục
phát triển, nổi bật là hệ thống giải pháp của Mimosa TEK. Giải pháp này đã giải nhất
của chương trình Go Live! Vietnam Venture Cup và nhận được ngay 15.000 USD
vốn đầu tư.

Hình 1.2: Hệ thống tưới chính xác của Mimosa TEK
Hệ thống của Mimosa TEK hiện bao gồm: các hệ thống thiết bị cảm biến đo các
thông số như nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, độ ẩm đất, ánh sáng, cường độ gió, mưa để
giám sát tồn bộ khu vực trồng trọt; nền tảng đám mây IoT nhận tất cả các dữ liệu
mà thiết bị giám sát gửi về; phần mềm quản lý tưới chính xác chạy trên đám mây
phân tích dữ liệu lớn và đưa ra khuyến nghị, cảnh báo và thống kê, báo cáo hàng ngày
về việc tưới và điều kiện môi trường; Ứng dụng trên thiết bị đầu cuối để người dùng
tự điều khiển việc tưới nước...
Ngoài giải pháp dành cho trồng trọt, vừa qua Mimosa TEK đã cùng hợp tác với
một số đối tác thử nghiệm thành công mơ hình ứng dụng cơng nghệ cao trên nền tảng
IoT cho sản xuất nuôi tôm với các chức năng đo nhiệt độ nước, đo độ pH và nồng độ
oxy trong nước, kết nối đưa dữ liệu về trung tâm để phân tích và ra quyết định tư vấn
gửi lại máy tính của người dân.

Khơng chỉ Mimosa TEK, rất nhiều doanh nghiệp cơng nghệ khác cũng có những
giải pháp tồn diện tương tự, hoặc giải pháp riêng cho từng khâu nào đó trong hoạt

3


động nuôi trồng. Chúng thực sự đang đem lại hiệu quả trông thấy cho ngành nông
nghiệp (tăng từ 25% - 30% năng suất các sản phẩm cây trồng). Chính vì vậy, số lượng
đơn vị đưa công nghệ vào hoạt động sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam đang ngày
càng gia tăng, nhanh hơn bất kỳ ngành nghề nào khác.
Cùng với sự phát triển mạnh của nhu cầu thực phẩm sạch, giá thành cạnh tranh và
sự bùng nổ của công nghệ thì đề tài Nơng trại thơng minh đang được xem là có dư
địa phát triển rất lớn. Các mơ hình quản lý nơng trại tiên tiến đang hình thành trên
khắp thế giới. Đối với Việt Nam, đây là thời điểm thích hợp để phát triển giải pháp
này. Trong tương lai, nông trại ứng dụng công nghệ sẽ là một xu hướng mới cho nền
nơng nghiệp hiện đại. Đó là lý do chọn đề tài Nghiên cứu, thiết kế hệ thống quản
lý nông trại, ứng dụng công nghệ IoT.
1.2. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, thiết kế hệ thống nông trại, ứng dụng công nghệ
IoT. Thiết kế, thi cơng mơ hình vật lý – phần cứng và phần mềm của node và cổng
Gateway để thu thập dữ liệu, giám sát, điều khiển, lưu trữ và bảo mật dữ liệu (Bigdata)
từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm thông qua chuẩn giao tiếp LoRa. Dữ liệu của hệ
thống thu thập sẽ được tổng hợp, tính tốn và gửi lên server để người dùng truy cập,
giám sát và điều khiển thông qua các ứng dụng trên Android hoặc webside, giúp
người quản lý có thể xem hiển thị các thông số và điều khiển hệ thống tưới tiêu, điều
khiển nhiệt độ, máy điều hòa cho hệ thống khi có thay đổi. Đặc biệt hệ thống ứng
dụng giải thuật fuzzy logic vào để xử lý các dữ liệu từ cảm biến để tối ưu hóa giám
sát và điều khiển hệ thống của mơ hình trang trại.
1.3. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
a. Tìm hiểu nguyên lý truyền dữ liệu

b. Thiết kế, thi công thiết bị (Node) đo nhiệt độ, độ ẩm
- Sử dụng vi điều khiển STM32L151 tiết kiệm năng lượng, giá thành phù hợp.
- Sử dụng module LoRa E32TTL100S1 có khả năng truyền dữ liệu lên đến
3km và tiêu thụ điện năng thấp.

4


- Sử dụng cảm biến SHT-10 có độ chính xác cao và tiết kiệm năng lượng
c. Thiết kế, thi công hệ thống cổng (Gateway) truyền dữ liệu
- Sử dụng vi điều khiển STM32F107 với hiệu năng khá, tài nguyên và ngoại
vi vừa đủ để sử dụng cho hệ thống.
- Sử dụng module LoRa E32TTL1W có độ nhạy cao và cơng suất phát lớn để
truyền nhận dữ liệu với các node.
- Sử dụng module wifi ESP8266 và IC Ethernet ENC28J60 để kết nối mạng
internet và truyền nhận dữ liệu.
- Sử dụng bộ nhớ Eeprom 24LC512 để lưu dữ liệu cần thiết.
- Ứng dụng thuật tốn fuzzy logic để tính tốn và đưa ra lời khuyên người
dùng và tiến tới khả năng điều khiển hệ thống tự động hồn tồn.
d. Lập trình gửi nhận dữ liệu trên Firebase của Google
e. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển dữ liệu
- Lập trình ứng dụng trên Android bằng ứng dụng App Inventor 2.
- Lập trình ứng dụng trên máy tính bằng ngơn ngữ lập trình C.
- Lập trình ứng dụng web bằng ngơn ngữ lập trình Java.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu sử dụng các phương pháp sau:
 Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu về IoT và Nông nghiệp thơng minh
từ các tạp chí khoa học, các hội nghị chuyên môn, các bài báo công bố trên
thư viện điện tử IEEE Xplore, Springer….
 Nghiên cứu về kỹ thuật lập trình MCU 32 bits.

 Ứng dụng thuật tốn Fuzzy logic, xây dựng mơ hình mơ phỏng Matlab và thuật
tốn xử lý trên MCU 32 bits.
 Kiểm chứng mạch bằng mơ hình thực nghiệm.
 Lập trình trên trình biên dịch Keil-C cho MCU STM32F107, STM32L151 và
lập trình trên trình biên dịch Arduino cho ESP8266.

5


 Các thực nghiệm được thực hiện trên mơ hình vật lý và đo đạc bằng thiết bị
đo của ATTEN và FLUKE.
1.5. Bố cục luận văn
Với mục đích và yêu cầu như trên, đề tài được xây dựng gồm các chương:
 Chương 1: Tổng quan
 Chương 2: Cơ sở lý thuyết
 Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống
 Chương 4: Kết quả thực hiện và hướng hoàn thiện đề tài
 Chương 5: Kết luận

6


Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Giới thiệu công nghệ IoT
2.1.1. Khái niệm IoT
IoT là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết (identifiable)
cũng như chỉ sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối. Cụm từ này
được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999. Ông là một nhà khoa học đã sáng lập

ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID
cũng như một số loại cảm biến khác. IoT sau đó cũng được dùng nhiều trong các ấn
phẩm đến từ các hãng và nhà phân tích.

Hình 2.1: Hệ sinh thái IoT
Vào tháng 6 năm 2009, Ashton từng cho biết rằng "hiện nay máy tính - và do đó,
Internet - gần như phụ thuộc hoàn toàn vào con người để chuyển tải dữ liệu. Gần như
tất cả trong số 50 petabyte dữ liệu đang có trên Internet (vào thời điểm đó) đều được
ghi lại hoặc tạo ra bởi con người chúng ta, thông qua các các thức như gõ chữ, nhấn
nút, chụp ảnh, quét mã vạch...". Con người chính là nhân tố quyết định trong thế giới

7


Internet hiện nay. Thế nhưng con người lại có nhiều nhược điểm: chúng ta chỉ có thời
gian hạn chế, khả năng tập trung và độ chính xác cũng ở mức thấp so với máy móc.
Điều đó có nghĩa là chúng ta không giỏi trong việc thu thập thông tin về thế giới xung
quanh, và đây là một vấn đề lớn.
Còn nếu như máy tính có khả năng giúp con người thu thập tất cả những dữ liệu
về mọi thứ xung quanh, chúng ta có thể "theo dõi và đếm mọi thứ, giúp giảm hao phí,
chi phí và lỗ. Chúng ta sẽ biết chính xác khi nào các vật dụng cần phải sửa chữa, thay
thế, khi nào chúng còn mới và khi nào thì chúng hết hạn sử dụng. Chưa kể đến việc
chúng ta có thể kiểm sốt chúng mọi lúc mọi nơi. IoT có tiềm năng thay đổi thế giới,
giống như cách mà Internet đã thay đổi cuộc sống của chúng ta. Ngơi nhà thơng minh
với các bóng đèn thơng minh, máy giặt thơng minh, tủ lạnh thơng minh,... có thể xem
là bước đầu của IoT bởi chúng đều được liên kết với nhau và/hoặc liên kết vào
Internet.

Hình 2.2: Nest, một bộ điều khiển nhiệt dùng trong nhà
2.1.2. Xu hướng và tính chất của IoT

a. Thơng minh
Sự thơng minh và tự động trong điều khiển thực chất không phải là một phần trong
ý tưởng về IoT. Các máy móc có thể dễ dàng nhận biết và phản hồi lại môi trường
xung quanh (ambient intelligence), chúng cũng có thể tự điều khiển bản thân
(autonomous control) mà không cần đến kết nối mạng. Tuy nhiên, trong thời gian gần
đây người ta bắt đầu nghiên cứu kết hợp hai khái niệm IoT và autonomous control lại
với nhau. Tương lai của IoT có thể là một mạng lưới các thực thể thơng minh có khả

8


năng tự tổ chức và hoạt động riêng lẻ tùy theo tình huống, mơi trường, đồng thời
chúng cũng có thể liên lạc với nhau để trao đổi thông tin, dữ liệu.
Việc tích hợp trí thơng minh vào IoT 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 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.
b. Kiến trúc dựa trên sự kiện
Các thực thể, máy móc trong IoT sẽ phản hồi dựa theo các sự kiện diễn ra trong
lúc chúng hoạt động theo thời gian thực. Một số nhà nghiên cứu từng nói rằng một
mạng lưới các cảm biến chính là một thành phần đơn giản của IoT.
c. Hệ thống phức tạp
Trong một thế giới mở, IoT sẽ mang tính chất phức tạp bởi nó bao gồm một lượng
lớn các đường liên kết giữa những thiết bị, máy móc, dịch vụ với nhau, ngồi ra cịn
bởi khả năng thêm vào các nhân tốc mới.
d. Kích thước
Một mạng lưới IoT có thể chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối
và mạng lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng. Một con người
sống trong thành thị có thể bị bao bọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối tượng có
khả năng theo dõi.

e. Vấn đề khơng gian, thời gian
Trong IoT, vị trí địa lý chính xác của một vật nào đó là rất quan trọng. Hiện nay,
Internet chủ yếu được sử dụng để quản lí thơng tin được xử lý bởi con người. Do đó
những thơng tin như địa điểm, thời gian, không gian của đối tượng không mấy quan
trọng bởi người xử lí thơng tin có thể quyết định các thơng tin này có cần thiết hay
khơng, và nếu cần thì họ có thể bổ sung thêm. Trong khi đó, IoT về lý thuyết sẽ thu
thập rất nhiều dữ liệu, trong đó có thể có dữ liệu thừa về địa điểm, và việc xử lí dữ
liệu đó được xem như khơng hiệu quả. Ngồi ra, việc xử lí một khối lượng lớn dữ
liệu trong thời gian ngắn đủ để đáp ứng cho hoạt động của các đối tượng cũng là một
thác thức hiện nay.

9


2.1.3. Ứng dụng của IoT
IoT có ứng dụng rộng vơ cùng, có thể kể ra một số thư như sau:
 Quản lí chất thải
 Quản lí và lập kế hoạch quản lí đơ thị
 Quản lí mơi trường
 Phản hồi trong các tinh huống khẩn cấp
 Mua sắm thông minh
 Quản lí các thiết bị cá nhân
 Đồng hồ đo thơng minh
 Tự động hóa ngơi nhà
Một trong những vấn đề với IoT đó là khả năng tạo ra một ứng dụng IoT nhanh
chóng. Để khắc phục, hiện nay nhiều hãng, công ty, tổ chức trên thế giới đang nghiên
cứu các nền tảng giúp xây dựng nhanh ứng dụng dành cho IoT. Đại học British
Columbia ở Canada hiện đang tập trung vào một bộ toolkit cho phép phát triển phần
mềm IoT chỉ bằng các công nghệ/tiêu chuẩn Web cũng như giao thức phổ biến. Cơng
ty như ioBridge thì cung cấp giải pháp kết nối và điều khiển hầu như bất kì thiết bị

nào có khả năng kết nối Internet, kể cả đèn bàn, quạt máy...

Hình 2.3: Xe đạp cũng có thể trở thành một thiết bị IoT
2.1.4. Kiến trúc IoT
Kiến trúc IoT được đại diện cơ bản bởi 4 phần: Vạn vật (Things), trạm kết nối
(Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud) và các lớp
cung cấp dịch vụ và giải pháp (Services-creation and Solutions Layers). [2]

10


Hình 2.4: Cấu trúc của IoT
a. Vạn vật
Ngày nay có hàng tỷ vật dụng đang hiện hữu trên thị trường gia dụng và công
nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của người dùng. Chẳng hạn như xe hơi, thiết bị cảm
biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối trực tiếp thông qua băng
tầng mạng không dây và truy cập vào Internet. Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông
minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ, còn các thiết bị chưa
thơng minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối .
b. Trạm kết nối
Một rào cản chính khi triển khai IoT đó là gần 85% các vật dụng đã khơng được
thiết kế để có thể kết nối với Internet và không thể chia sẻ dữ liệu với điện toán đám
mây. Để khắc phục vấn đề này, các trạm kết nối sẽ đóng vai trị là một trung gian trực
tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện tốn đám mây một cách bảo
mật và dễ dàng quản lý.
c. Hạ tầng mạng và điện toán đám mây
- Cơ sở hạ tầng kết nối: Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IP được
kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính. Cơ sở hạ tầng mạng này bao gồm
thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác
có thể kiểm sốt lưu lượng dữ liệu lưu thơng và cũng được kết nối đến mạng lưới

viễn thông và cáp - được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ.

11


- Trung tâm dữ liệu/ hạ tầng điện toán đám mây: Các trung tâm dữ liệu và hạ tầng
điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ và mạng
ảo hóa được kết nối.
d. Các lớp cung cấp dịch vụ và giải pháp
2.2. Logic mờ
2.2.1. Khái niệm logic mờ
Logic mờ được phát triển từ lý thuyết tập mờ để thực hiện lập luận một cách xấp
xỉ thay vì lập luận chính xác theo lơgic vị từ cổ điển. Logic mờ có thể được coi là mặt
ứng dụng của lý thuyết tập mờ để xử lý các giá trị trong thế giới thực cho các bài toán
phức tạp (Klir 1997). [3]
Người ta hay nhầm lẫn mức độ đúng với xác suất. Tuy nhiên, hai khái niệm này
khác hẳn nhau; độ đúng đắn của lôgic mờ biểu diễn độ liên thuộc với các tập được
định nghĩa không rõ ràng, chứ không phải khả năng xảy ra một biến cố hay điều kiện
nào đó. Các tập mờ được đặt cơ sở trên các định nghĩa mờ về các tập hợp chứ không
phải dựa trên sự ngẫu nhiên.
Logic mờ cho phép độ liên thuộc có giá trị trong khoảng đóng 0 và 1, và ở hình
thức ngơn từ, các khái niệm khơng chính xác như "hơi hơi", "gần như", "khá là" và
"rất". Cụ thể, nó cho phép quan hệ thành viên không đầy đủ giữa thành viên và tập
hợp. Tính chất này có liên quan đến tập mờ và lý thuyết xác suất. Logic mờ đã được
đưa ra lần đầu vào năm 1965 bởi GS. Lotfi Zadeh tại Đại học California, Berkeley.
Mặc dù được chấp nhận rộng rãi và có nhiều ứng dụng thành cơng, logic mờ vẫn
bị phê phán tại một số cộng đồng nghiên cứu. Nó bị phủ nhận bởi một số kỹ sư điều
khiển vì khả năng thẩm định và một số lý do khác, và bởi một số nhà thống khẳng
định rằng xác suất là mơ tả tốn học chặt chẽ duy nhất về sự khơng chắc chắn. Những
người phê phán cịn lý luận rằng lôgic mờ không thể là một siêu tập của lý thuyết tập

hợp vì các hàm liên thuộc của nó được định nghĩa theo các tập hợp truyền thống.
2.2.2. Ứng dụng của logic mờ
Một ứng dụng cơ bản có thể có đặc điểm là các khoảng con của một biến liên tục.
Ví dụ, một đo đạc nhiệt độ cho phanh (anti-lock brake) có thể có một vài hàm liên

12


thuộc riêng biệt xác định các khoảng nhiệt độ cụ thể để điều khiển phanh một cách
đúng đắn. Mỗi hàm ánh xạ cùng một số đo nhiệt độ tới một chân giá trị trong khoảng
từ 0 đến 1. Sau đó các chân giá trị này có thể được dùng để quyết định các phanh nên
được điều khiển như thế nào.

Hình 2.5: Hàm MF của logic mờ
Trong hình, cold (lạnh), warm (ấm), và hot (nóng) là các hàm ánh xạ một thang
nhiệt độ. Một điểm trên thang nhiệt độ có 3 chân trị — mỗi hàm cho một giá trị. Đối
với nhiệt độ cụ thể trong hình, 3 chân giá trị này có thể được giải nghĩa là 3 miêu tả
sau về nhiệt độ này: "tương đối lạnh", "hơi hơi ấm", và "khơng nóng".
Ví dụ về các ứng dụng của logic mờ
-

Các hệ thống con của ô tô và các phương tiện giao thông khác, chẳng hạn các
hệ thống con như ABS và quản lý hơi (ví dụ Tokyo monorail)

-

Máy điều hòa nhiệt độ

-

Phần mềm MASSIVE dùng trong các tập phim Chúa nhẫn, phần mềm đã giúp
trình diễn những đội quân lớn, tạo các chuyển động một cách ngẫu nhiên
nhưng vẫn có thứ tự

-

Xử lý ảnh số (Digital image processing), chẳng hạn như phát hiện biên (edge
detection)

-

Máy giặt và các thiết bị gia dụng khác

-

Trí tuệ nhân tạo trong trị chơi điện tử

-

Lơgic mờ cũng đã được tích hợp vào một số bộ vi điều khiển và vi xử lý, ví
dụ Freescale 68HC12.

2.2.3. Nhầm lẫn và tranh cãi
Logic mờ chính xác không kém dạng logic bất kỳ nào khác: đây là một phương
pháp tốn học có tổ chức để làm việc với các khái niệm có bản chất khơng chính xác.

13


Khái niệm "lạnh" không thể được biểu diễn trong một phương trình, vì mặc dù nhiệt

độ là một đại lượng đo được nhưng "lạnh" thì lại khơng. Tuy nhiên, người ta vẫn có
khái niệm về "lạnh", và đồng ý với nhau rằng khơng có ranh giới chính xác giữa
"lạnh" và "khơng lạnh" chẳng hạn như một thứ gì đó ở nhiệt độ N được gọi là lạnh
nhưng khi ở nhiệt độ N + 1 thì được xem là "khơng lạnh" — một khái niệm mà logic
cổ điển không thể dễ dàng xử lý được.
Logic mờ và xác suất nói đến các loại không chắc chắn khác nhau. Logic mờ được
thiết kế để làm việc với các sự kiện khơng chính xác (các mệnh đề logic mờ), trong
khi xác suất làm việc với các khả năng sự kiện đó xảy ra (nhưng vẫn coi kết quả là
chính xác). Tuy nhiên, đây là một điểm gây tranh cãi. Nhiều nhà thống kê đã bị thuyết
phục bởi cơng trình nghiên cứu của Bruno de Finetti rằng chỉ cần đến duy nhất một
loại không chắc chắn tốn học và do đó logic mờ là không cần thiết. Mặt khác, Bart
Kosko lý luận rằng xác suất là một lý thuyết con của logic mờ, do xác suất chỉ làm
việc với một loại không chắc chắn. Ơng cịn khẳng định rằng mình đã chứng minh
một dẫn xuất định lý Bayes từ khái niệm tập con mờ. Lotfi Zadeh, người tạo ra logic
mờ, lý luận rằng logic mờ khác xác suất về đặc tính, và khơng phải là một sự thay thế
cho xác suất. Ông đã tạo một loại xác suất mờ khác, và gọi đó là lý thuyết khả năng
(possibility theory). Các cách tiếp cận gây tranh cãi khác tới sự không chắc chắn bao
gồm: lý thuyết Dempster-Shafer và tập thô (rough set).
Năm 1993, trong một bài báo được lan truyền rộng và gây nhiều tranh cãi, Charles
Elkan bình luận rằng "...có rất ít, nếu khơng muốn nói là khơng hề có, các báo cáo đã
cơng bố về hệ chuyên gia được sử dụng thực tế dùng đến lập luận đó về logic mờ. Có
vẻ như là các hạn chế của logic mờ đã không gây hại trong các ứng dụng điều khiển
là vì các bộ điều khiển mờ hiện hành đơn giản hơn nhiều so với các hệ thống dựa tri
thức khác. Trong tương lai, các hạn chế kỹ thuật của logic mờ có thể trở nên quan
trọng trong thực tiễn, và các cơng trình về các bộ điều khiển mờ sẽ gặp phải một số
vấn đề về triển khai được biết với các hệ thống dựa tri thức khác". Các phản ứng đối
với bài báo của Elkan có nhiều và đa dạng, một số cho rằng đơn giản là ông đã nhầm,
một số khác công nhận rằng Elkan đã chỉ ra những hạn chế quan trọng của logic mờ

14

mà những người thiết kế hệ thống cần phải quan tâm. Trong thực tế, vào thời điểm
đó, logic mờ chưa được sử dụng rộng rãi, cịn ngày nay, nó đã được dùng để giải
những bài toán rất phức tạp trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo.
2.3. Wifi
2.3.1. Giới thiệu về Wifi
Wifi hiện đã và đang chiếm vai trò rất quan trọng trong cuộc sống, cơng việc cũng
như giải trí thường ngày của chúng ta. Hiểu theo cách nơm na thì Wifi mà mạng kết
nối Internet khơng dây, sử dụng sóng vơ tuyến để truyền tín hiệu. Loại sóng vơ tuyến
này tương tự như sóng điện thoại, truyền hình và radio. Và trên hầu hết các thiết bị
điện tử ngày nay như máy tính, laptop, điện thoại, máy tính bảng… đều có thể kết nối
Wifi.

Hình 2.6: Mạng wifi
Kết nối Wifi dựa trên các loại chuẩn kết nối IEEE 802.11, và chủ yếu hiện nay
Wifi hoạt động trên băng tần 54 Mbps và có tín hiệu mạnh nhất trong khoảng cách
100 feet (gần 31 mét).
2.3.2. Nguyên tắc hoạt động của Wifi
Để có được sóng Wifi thì chúng ta cần phải có bộ phát Wifi - chính là các thiết bị
như modem, router. Đầu vào, tín hiệu Internet nguồn (được cung cấp bởi các đơn vị
ISP như FPT, Viettel, VNPT, CMC... hiện nay). Thiết bị modem, router sẽ lấy tín

15


hiệu Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển thành tín hiệu vơ tuyến, và gửi đến các
thiết bị sử dụng như điện thoại smartphone, máy tính bảng, laptop... Đây là q trình
nhận tín hiệu khơng dây (hay cịn gọi là adapter) - chính là card wifi trên laptop, điện
thoại... và chuyển hóa thành tín hiệu Internet. Và q trình này hồn tồn có thể thực

hiện ngược lại, nghĩa là router, modem nhận tín hiệu vơ tuyến từ adapter và giải mã
chúng, gửi qua Internet.

Hình 2.7: Router wifi kết nối các thiết bị
2.3.3. Một số chuẩn kết nối Wifi phổ biến
Về bản chất kỹ thuật, tín hiệu Wifi hoạt động gửi và nhận dữ liệu ở tần số 2.5GHz
đến 5GHz, cao hơn khá nhiều so với tần số của điện thoại di động, radio... do vậy tín
hiệu Wifi có thể chứa nhiều dữ liệu nhưng lại bị hạn chế ở phạm vi truyền - khoảng
cách. Cịn các loại sóng khác tuy tần số thấp nhưng lại có thể truyền đi ở khoảng cách
rất xa.
Sóng Wifi sử dụng chuẩn kết nối 802.11 trong thư viện IEEE, chuẩn này bao gồm
4 chuẩn nhỏ hơn là a/b/g/n. Cụ thể như sau:


Chuẩn 802.11b là phiên bản yếu nhất, hoạt động ở mức 2.4GHz và có thể xử
lý đến 11 megabit/giây.



Chuẩn 802.11g nhỉnh hơn đơi chút so với chuẩn b, tuy nó cũng hoạt động ở
tần số 2.4GHz nhưng nó có thể xử lý 54 megabit/giây.



Chuẩn 802.11a phát ở tần số cao hơn là 5GHz và tốc độ xử lý đạt 54
megabit/giây.

16