Xây dựng hệ thống giám sát môi trường tại phòng máy chủ

Hệ thống giám sát môi trường phòng máy chủ là một phần quan trọng trong việc bảo vệ cơ sở hạ tầng công nghệ thông… 69 trang · Trường Đại Học An Giang · 2022.

• Tác giả: Nguyễn Quan Dinh
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Phước Hải
• Trường học: Trường Đại Học An Giang
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin
• Đề tài: Hệ Thống Giám Sát Môi Trường Tại Phòng Máy Chủ
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: An Giang

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.1. TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 1.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Định nghĩa Thiết bị (device)
• 2.2. Internet Of Things
• 2.3. Khái niệm IoT
• 2.4. IoT từ góc nhìn kỹ thuật
• 2.5. Mô hình của một hệ thống IoT
• 2.6. Application Layer
• 2.7. Service support and application support layer
• 2.8. Network Layer
• 2.9. Device Layer
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG SERVER ROOM BỆNH VIỆN ĐA KHOA CHÂU ĐỐC
• 3.1. KIẾN TRÚC HỆ THỐNG
• 3.2. THIẾT KẾ CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ
• 3.2.1. Bảng dht22list (danh sách cảm biến nhiệt độ / độ ẩm DHT22)
• 3.2.2. Bảng room_detail (chi tiết phòng)
• 3.2.3. Bảng mq135list (danh sách cảm biến chất lượng không khí MQ135)
• 3.3. CÁC XỬ LÝ CHÍNH
• 3.3.1. Thu thập, cảnh báo và hiển thị dữ liệu
• 3.3.2. Phân quyền hệ thống
• 3.4. PHÂN TÍCH YÊU CẦU
• 3.4.1. Đặc tả chi tiết một số Use case
• 3.4.2. Sơ đồ tuần tự một số Use case
• 3.5. GIAO DIỆN CỦA PHẦN MỀM
• 3.5.1. Giao diện đăng nhập
• 3.5.2. Giao diện trang chủ
• 3.5.3. Giao diện cảm biến
• 3.5.4. Giao diện dữ liệu cảm biến
• 3.5.5. Giao diện danh sách phòng
• 3.5.6. Giao diện thêm người dùng vào phòng
• 3.5.7. Giao diện danh sách cảm biến DHT22
• 3.5.8. Giao diện thêm cảm biến DHT22
• 3.5.9. Giao diện sửa cảm biến DHT22
• 3.5.10. Giao diện danh sách cảm biến MQ135
• 3.5.11. Giao diện danh sách cảm biến MH-RD
• 3.5.12. Giao diện danh sách người dùng
• 3.5.13. Giao diện thêm người dùng
• 3.5.14. Giao diện sửa người dùng
• 3.5.15. Giao diện cấp lại mật khẩu người dùng
• 3.5.16. Giao diện đổi mật khẩu
• 3.5.17. Giao diện đăng xuất
• 3.5.18. Giao diện quên mật khẩu
• 3.6. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 3.7. MÃ NGUỒN RASPBERRY PI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống giám sát môi trường phòng máy chủ

Hệ thống giám sát môi trường phòng máy chủ là một phần quan trọng trong việc bảo vệ cơ sở hạ tầng công nghệ thông tin. Việc duy trì điều kiện môi trường lý tưởng như nhiệt độ và độ ẩm là cần thiết để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị. Hệ thống này sử dụng các cảm biến để theo dõi và quản lý các thông số môi trường, từ đó giúp ngăn ngừa các sự cố có thể xảy ra.

1.1. Khái niệm về giám sát môi trường

Giám sát môi trường là quá trình theo dõi các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí trong phòng máy chủ. Điều này giúp đảm bảo rằng các thiết bị hoạt động trong điều kiện tối ưu.

1.2. Tầm quan trọng của phòng máy chủ

Phòng máy chủ là nơi lưu trữ và xử lý dữ liệu quan trọng của tổ chức. Việc duy trì môi trường ổn định trong phòng máy chủ là cần thiết để đảm bảo hoạt động liên tục và an toàn cho hệ thống.

II. Vấn đề và thách thức trong giám sát môi trường

Mặc dù việc giám sát môi trường phòng máy chủ rất quan trọng, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức. Các vấn đề như sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ và độ ẩm có thể gây ra hư hỏng cho thiết bị. Ngoài ra, việc thiếu hệ thống giám sát hiệu quả có thể dẫn đến những thiệt hại lớn về tài chính.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường phòng máy chủ

Nhiệt độ và độ ẩm là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị trong phòng máy chủ. Sự thay đổi đột ngột có thể gây ra sự cố nghiêm trọng.

2.2. Hệ thống giám sát không hiệu quả

Nhiều tổ chức vẫn chưa áp dụng hệ thống giám sát hiện đại, dẫn đến việc không phát hiện kịp thời các vấn đề môi trường, gây thiệt hại cho thiết bị.

III. Phương pháp giám sát môi trường hiệu quả

Để đảm bảo giám sát môi trường hiệu quả, các tổ chức cần áp dụng các công nghệ hiện đại như cảm biến IoT. Hệ thống này cho phép theo dõi liên tục và tự động gửi cảnh báo khi có sự cố xảy ra.

3.1. Sử dụng cảm biến IoT trong giám sát

Cảm biến IoT giúp thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí một cách chính xác và liên tục, từ đó cung cấp thông tin kịp thời cho người quản lý.

3.2. Lợi ích của việc tự động hóa giám sát

Tự động hóa giúp giảm thiểu sai sót do con người và đảm bảo rằng các thông số môi trường luôn được theo dõi một cách chính xác.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống giám sát môi trường

Hệ thống giám sát môi trường đã được áp dụng thành công tại nhiều tổ chức, giúp cải thiện hiệu suất hoạt động và giảm thiểu rủi ro. Các ứng dụng này không chỉ giúp bảo vệ thiết bị mà còn tiết kiệm chi phí cho tổ chức.

4.1. Kết quả nghiên cứu từ các tổ chức

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng hệ thống giám sát môi trường giúp giảm thiểu sự cố và tăng cường hiệu suất hoạt động của phòng máy chủ.

4.2. Các mô hình thành công trong giám sát

Một số tổ chức đã triển khai thành công hệ thống giám sát môi trường, từ đó tạo ra mô hình mẫu cho các tổ chức khác học hỏi.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống giám sát môi trường

Hệ thống giám sát môi trường phòng máy chủ sẽ tiếp tục phát triển với sự tiến bộ của công nghệ. Việc áp dụng các giải pháp mới sẽ giúp nâng cao hiệu quả giám sát và bảo vệ thiết bị tốt hơn.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ giám sát

Công nghệ IoT và các giải pháp tự động hóa sẽ tiếp tục được cải tiến, giúp nâng cao khả năng giám sát môi trường trong phòng máy chủ.

5.2. Tầm quan trọng của việc đầu tư vào giám sát

Đầu tư vào hệ thống giám sát môi trường không chỉ bảo vệ thiết bị mà còn giúp tổ chức tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu suất hoạt động.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Phòng máy chủ (Server Room) và trung tâm dữ liệu giữ vai trò là trung tâm xử lý, lưu trữ toàn bộ dữ liệu và điều hành hạ tầng công nghệ thông tin của các cơ quan, tổ chức, doanh nghiệp. Sự gián đoạn hoạt động của hệ thống máy tính có thể dẫn đến tổn thất lớn về kinh tế, với chi phí ước tính trung bình cho mỗi giờ ngưng trệ lên đến hàng chục nghìn USD, thậm chí hàng trăm nghìn USD mỗi năm. Tại các đơn vị đặc thù như bệnh viện (cụ thể là Bệnh viện Đa khoa Châu Đốc được tác giả khảo sát làm cơ sở nghiên cứu), hệ thống máy chủ vận hành liên tục phục vụ quản lý hồ sơ và các dịch vụ khám chữa bệnh; do đó, sự cố môi trường gây hỏng hóc phần cứng máy chủ sẽ làm tê liệt hoạt động của toàn bộ bệnh viện.

Để duy trì hiệu suất hoạt động ổn định và kéo dài tuổi thọ phần cứng, môi trường phòng máy chủ đòi hỏi các tiêu chuẩn khắt khe về nhiệt độ (nhiệt độ tối ưu từ 19 – 22°C), kiểm soát độ ẩm (ngăn ngừa hiện tượng ngưng tụ nước gây ăn mòn, chập điện khi độ ẩm cao hoặc phóng tĩnh điện khi độ ẩm quá thấp), cũng như phòng ngừa nguy cơ rò rỉ nước từ đường ống và chập cháy điện phát sinh khói. Khóa luận tốt nghiệp "Xây dựng hệ thống giám sát môi trường tại phòng máy chủ" của tác giả Nguyễn Quan Dinh (ngành Công nghệ Thông tin, Trường Đại học An Giang, thực hiện tháng 05/2022 dưới sự hướng dẫn của TS. Huỳnh Phước Hải) được xây dựng nhằm giải quyết bài toán kiểm soát môi trường tự động, liên tục thông qua ứng dụng công nghệ mạng vạn vật kết nối (IoT).

Mục tiêu nghiên cứu:

1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công nghệ IoT, các cảm biến đo lường môi trường và máy tính nhúng Raspberry Pi.
2. Thiết kế và xây dựng một hệ thống phần cứng kết hợp ứng dụng phần mềm có khả năng giám sát các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí, rò rỉ nước) trong phòng máy chủ.
3. Cung cấp cơ chế cảnh báo tự động tại chỗ và từ xa, hỗ trợ quản trị viên vận hành hệ thống máy chủ an toàn, giảm thiểu rủi ro gián đoạn dịch vụ.

Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu:

• Phạm vi chức năng: Hỗ trợ theo dõi các chỉ số chất lượng môi trường phòng máy chủ theo thời gian thực; thống kê dữ liệu đo lường; kích hoạt cảnh báo bằng còi và thư điện tử (email) khi các chỉ số vượt ngưỡng an toàn; cho phép cấu hình và điều chỉnh tham số cảnh báo của cảm biến.
• Đối tượng nghiên cứu: Mạng cảm biến giám sát môi trường (DHT22, MQ135, MH-RD), vi máy tính Raspberry Pi 4 Model B, hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL và giao diện web điều khiển.
• Địa bàn và thời gian áp dụng khảo sát: Phòng máy chủ Bệnh viện Đa khoa Châu Đốc, tỉnh An Giang; thời gian hoàn thành khóa luận vào tháng 05/2022.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thiết lập nền tảng nghiên cứu dựa trên các khái niệm kỹ thuật và mô hình phân tầng chuẩn của hệ thống IoT:

• Khái niệm và thực thể IoT: Hệ thống được nhìn nhận là mạng lưới kết nối các đối tượng vật lý (Physical Things - không gian phòng máy chủ, các cảm biến, mạch vi điều khiển) và đối tượng thông tin ảo (Virtual Things - dữ liệu đo đạc, bản ghi cơ sở dữ liệu, phần mềm ứng dụng) để thực hiện trao đổi dữ liệu hai chiều.
• Mô hình kiến trúc 4 lớp của hệ thống IoT:
  1. Lớp thiết bị (Device Layer): Gồm các thiết bị cảm nhận (sensing devices), thiết bị thực thi (actuation devices như còi báo động) và thiết bị cổng kết nối (Gateway - đóng vai trò cầu nối giao tiếp và chuyển đổi giao thức).
  2. Lớp mạng (Network Layer): Cung cấp khả năng định tuyến (networking) và vận chuyển (transporting) dữ liệu giữa thiết bị và các dịch vụ lưu trữ thông qua kết nối có dây (Ethernet) hoặc không dây (Wi-Fi).
  3. Lớp hỗ trợ dịch vụ và hỗ trợ ứng dụng (Service support and application support layer): Cung cấp các dịch vụ xử lý dữ liệu chung, lưu trữ cơ sở dữ liệu và quản lý thiết bị.
  4. Lớp ứng dụng (Application Layer): Cung cấp giao diện trực quan cho người dùng tương tác, theo dõi dữ liệu và điều khiển hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu:

• Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Tổng hợp, phân tích tài liệu kỹ thuật về các cảm biến đo môi trường, sơ đồ chân GPIO của Raspberry Pi, hệ điều hành Raspbian và các ngăn xếp công nghệ phát triển web.
• Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Khảo sát yêu cầu thực tế tại phòng máy chủ Bệnh viện Đa khoa Châu Đốc; phân tích và mô hình hóa hệ thống bằng sơ đồ ca sử dụng (Use Case) và sơ đồ tuần tự (Sequence Diagram); thiết kế cơ sở dữ liệu quan hệ; lập trình thu thập dữ liệu bằng ngôn ngữ Python trên Raspberry Pi; phát triển ứng dụng Web động trên nền tảng LAMP Stack (Linux, Apache, MySQL, PHP) kết hợp giao diện Bootstrap, JavaScript và AJAX.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

1. Kiến trúc phần cứng và thiết bị ngoại vi

Hệ thống sử dụng máy tính nhúng bo mạch đơn Raspberry Pi 4 Model B làm trung tâm thu thập và xử lý dữ liệu tại chỗ (Gateway):

• Raspberry Pi 4 Model B: Trang bị vi xử lý SoC Broadcom BCM2711 kiến trúc ARM, tích hợp GPU Broadcom VideoCore VI, bộ cổng giao tiếp ngoại vi gồm 40 chân GPIO, cổng mạng Gigabit Ethernet, cổng micro-HDMI, kết nối USB 2.0/USB 3.0 và khe cắm thẻ nhớ microSD (sử dụng thẻ nhớ microSD 32GB cài đặt hệ điều hành Raspbian).
• Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT22: Giao tiếp chuẩn 1 dây (1-Wire), phạm vi đo nhiệt độ từ -40°C đến +125°C với độ chính xác ±0.5°C, phạm vi đo độ ẩm từ 0% đến 100% với độ chính xác 2–5%.
• Cảm biến chất lượng không khí MQ135: Chuyên dụng giám sát chất lượng không khí, có khả năng phát hiện các loại khí và hợp chất như NH3, NOx, Ancol, Benzen, khói và CO2.
• Cảm biến mưa và rò rỉ nước MH-RD: Đặt tại các khu vực đường ống nước hoặc sàn phòng máy chủ để phát hiện sự cố đọng nước, tràn nước.
• Còi báo Buzzer 5V: Kết nối với chân GPIO để phát tín hiệu âm thanh cảnh báo trực tiếp tại phòng máy chủ.
• Công cụ truy cập từ xa: Sử dụng Remote.it và giao thức VNC (VNC Viewer) để điều khiển giao diện Raspberry Pi qua Internet mà không cần màn hình kết nối trực tiếp.

2. Thiết kế cơ sở dữ liệu quan hệ

Cơ sở dữ liệu của hệ thống được xây dựng trên hệ quản trị MySQL, bao gồm 9 bảng dữ liệu quan hệ phục vụ lưu trữ thông tin quản trị và dữ liệu đo:

Tên bảng	Khóa chính	Khóa ngoại	Mô tả chức năng
user	userId	Không	Quản lý thông tin tài khoản người dùng, email, số điện thoại, mật khẩu, phân quyền (level), trạng thái tài khoản và mã OTP.
room	id	Không	Quản lý danh mục các phòng máy chủ được giám sát.
room_detail	id	room_id, user_id	Bảng trung gian liên kết phân quyền người dùng quản lý phòng máy chủ cụ thể.
dht22list	id	room_id	Quản lý danh sách cảm biến DHT22 và các ngưỡng cảnh báo nhiệt độ (alarm_temp_high, alarm_temp_low), độ ẩm (alarm_hum_high, alarm_hum_low).
dht22	id	sensor_id	Lưu trữ nhật ký đo đạc nhiệt độ (temperature), độ ẩm (humidity) theo mốc thời gian (datetime).
mq135list	id	room_id	Quản lý danh sách các cảm biến chất lượng không khí MQ135 gắn tại các phòng.
mq135	id	sensor_id	Lưu trữ dữ liệu đo chất lượng không khí (quality) theo mốc thời gian (datetime).
mhrdlist	id	room_id	Quản lý danh sách cảm biến phát hiện rò rỉ nước MH-RD.
mhrd	id	sensor_id	Ghi nhận trạng thái phát hiện rò rỉ nước từ cảm biến MH-RD theo từng thời điểm.

3. Cơ chế thu thập dữ liệu và vận hành hệ thống

Quy trình vận hành và trao đổi dữ liệu của hệ thống diễn ra theo chu trình:

1. Đo lường: Kịch bản lập trình Python chạy trên Raspberry Pi đọc dữ liệu định kỳ từ các chân GPIO kết nối với các cảm biến DHT22, MQ135 và MH-RD.
2. Truyền tải và lưu trữ: Dữ liệu đo được nhúng vào các tham số URL qua yêu cầu HTTP gửi đến tệp add_data.php đặt trên Web Server. Mã nguồn PHP tại máy chủ tiếp nhận tham số và thực thi câu lệnh chèn dữ liệu vào các bảng tương ứng trong CSDL MySQL.
3. Xử lý cảnh báo: Kịch bản kiểm tra các giá trị đo được so với ngưỡng cấu hình trong bảng dht22list. Nếu giá trị vượt ngưỡng an toàn:
   • Hệ thống kích hoạt tín hiệu xuất ra chân GPIO điều khiển còi Buzzer 5V hú còi tại chỗ.
   • Hệ thống tự động kích hoạt dịch vụ gửi thư điện tử thông báo sự cố đến địa chỉ email của người quản trị được phân công quản lý phòng đó.
4. Hiển thị và thống kê: Người dùng truy cập ứng dụng web từ trình duyệt trên máy tính hoặc thiết bị di động để xem dữ liệu thời gian thực được làm mới tự động qua AJAX, đồng thời truy xuất biểu đồ và số liệu thống kê lịch sử.

---

Nội dung chính theo từng chương

Khóa luận được cấu trúc thành 3 chương chính với nội dung chi tiết như sau:

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương này tập trung trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh công nghệ thông tin ngày càng phát triển và vai trò sống còn của hạ tầng phòng máy chủ đối với các tổ chức. Tác giả phân tích các tác động tiêu cực khi trung tâm dữ liệu gặp sự cố môi trường, xác định rõ mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng IoT để xây dựng nền tảng giám sát - cảnh báo phòng máy chủ, đồng thời xác lập phạm vi chức năng và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.

Chương 2: Tổng quan cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng lý thuyết và công nghệ được sử dụng trong khóa luận:

• Lý thuyết IoT: Trình bày định nghĩa IoT, các loại đối tượng (Things), phân loại thiết bị giao tiếp, thiết bị thu thập dữ liệu, cảm biến/chấp hành và phân tích chuyên sâu mô hình kiến trúc 4 lớp IoT (Lớp thiết bị, Lớp mạng, Lớp hỗ trợ dịch vụ/ứng dụng, Lớp ứng dụng).
• Phần cứng máy tính nhúng: Giới thiệu lịch sử các thế hệ Raspberry Pi, chi tiết cấu tạo phần cứng và thông số kỹ thuật của model Raspberry Pi 4B (SoC BCM2711, hệ thống 40 chân GPIO, kết nối mạng, các cổng giao tiếp âm thanh/hình ảnh, quy trình nạp hệ điều hành Raspbian qua công cụ Raspberry Pi Imager và cấu hình hệ thống).
• Cảm biến và công cụ kết nối: Giới thiệu nguyên lý và thông số của cảm biến nhiệt ẩm DHT22, cảm biến chất lượng không khí MQ135, cảm biến rò rỉ nước MH-RD; giải pháp điều khiển thiết bị từ xa qua Remote.it và VNC.
• Công nghệ phát triển phần mềm: Giới thiệu các ngôn ngữ và công nghệ web gồm HTML, ngôn ngữ lập trình kịch bản máy chủ PHP, ngôn ngữ Python, JavaScript, kỹ thuật AJAX cập nhật dữ liệu không cần tải lại trang, framework giao diện Bootstrap và hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL.

Chương 3: Phân tích thiết kế hệ thống

Chương 3 là phần trọng tâm kỹ thuật của khóa luận, mô tả chi tiết quá trình hiện thực hóa giải pháp:

• Phân tích hiện trạng môi trường phòng máy chủ tại Bệnh viện Đa khoa Châu Đốc và các yêu cầu giám sát về nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí, rò rỉ nước và cảnh báo khói.
• Thiết kế kiến trúc hệ thống và xây dựng mô hình cơ sở dữ liệu quan hệ chi tiết gồm 9 bảng dữ liệu.
• Phân tích phân quyền hệ thống với 2 tác nhân (Actor):
  • Admin: Toàn quyền quản trị người dùng (cấp mới, phục hồi, thu hồi tài khoản), quản lý phòng (thêm, xóa, sửa, gán người dùng vào phòng), quản lý danh mục cảm biến, thiết lập ngưỡng cảnh báo và quản lý/xóa dữ liệu đo.
  • Quản lý: Có quyền cập nhật thông tin phòng, điều chỉnh tham số cảm biến và quản lý/xóa dữ liệu cảm biến trong phạm vi được phân công.
• Xây dựng hệ thống biểu đồ phân tích gồm sơ đồ Use Case tổng thể, các sơ đồ Use Case phân rã cho từng chức năng quản lý, các bảng đặc tả Use Case chi tiết (Đăng nhập, Thêm mới người dùng, Cập nhật thông tin phòng, Điều chỉnh cảnh báo DHT22, Thống kê dữ liệu) và các sơ đồ tuần tự.
• Hiện thực hóa và trình bày hệ thống giao diện website hoàn chỉnh: Đăng nhập, Trang chủ, Giao diện danh sách cảm biến, Giao diện dữ liệu đo thời gian thực, Giao diện quản lý phòng, Giao diện gán người dùng, Giao diện quản lý từng loại cảm biến (DHT22, MQ135, MH-RD), Quản lý người dùng, Đổi/quên mật khẩu qua OTP.

---

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả chính đạt được

• Về mặt phần cứng và tích hợp: Xây dựng thành công trạm giám sát Gateway sử dụng Raspberry Pi 4 Model B kết nối ổn định với 3 module cảm biến (DHT22, MQ135, MH-RD) qua các chân GPIO, đi kèm module còi Buzzer 5V cảnh báo tại chỗ. Thiết lập thành công cơ chế truy cập và bảo trì Raspberry Pi từ xa qua giao thức VNC và dịch vụ Remote.it.
• Về mặt phần mềm và truyền thông dữ liệu: Xây dựng quy trình truyền dữ liệu từ script Python trên Raspberry Pi lên Web Server bằng phương thức URL HTTP đơn giản và hiệu quả; thiết lập cơ sở dữ liệu MySQL 9 bảng tối ưu cho việc ghi nhận và truy vấn chuỗi thời gian; hoàn thiện ứng dụng web quản trị đầy đủ chức năng quản lý phân quyền (Admin, Quản lý), hiển thị biểu đồ trực quan và cập nhật dữ liệu liên tục qua AJAX.
• Về mặt vận hành cảnh báo: Hệ thống xử lý kích hoạt đồng thời hai kênh cảnh báo khi môi trường vượt ngưỡng cho phép: còi hú tại chỗ để nhân viên trực phát hiện ngay lập tức và gửi email tự động chứa thông số cảnh báo đến người chịu trách nhiệm.

2. Giải pháp và đóng góp của đề tài

• Đề xuất một mô hình giám sát môi trường phòng máy chủ chi phí thấp, cấu hình linh hoạt dựa trên máy tính nhúng mã nguồn mở, thay thế các giải pháp giám sát công nghiệp đắt đỏ.
• Thiết kế giải pháp phân quyền người dùng gắn liền với từng phòng máy chủ cụ thể thông qua bảng liên kết room_detail, cho phép mở rộng quản lý nhiều phòng máy chủ phân tán trên cùng một nền tảng.
• Ứng dụng thành công vào bối cảnh thực tế tại Bệnh viện Đa khoa Châu Đốc, giúp bộ phận kỹ thuật chủ động kiểm soát rủi ro môi trường, đảm bảo hạ tầng CNTT vận hành liên tục phục vụ khám chữa bệnh.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi triển khai của khóa luận, hệ thống còn một số điểm hạn chế và hướng mở phát triển như sau:

• Hạn chế:

  • Phương thức truyền dữ liệu giữa trạm Gateway (Raspberry Pi) và Web Server sử dụng kỹ thuật truyền tham số qua URL HTTP; phương thức này đơn giản nhưng chưa tích hợp các giao thức chuyên dụng cho IoT như MQTT/CoAP nhằm tối ưu băng thông và bảo mật truyền nhận.
  • Các cảm biến kết nối vật lý trực tiếp bằng dây dẫn vào cổng GPIO của một board Raspberry Pi, làm hạn chế phạm vi không gian giám sát nếu phòng máy chủ có diện tích lớn hoặc có nhiều tủ rack đặt cách xa nhau.
  • Khóa luận tập trung kiểm thử trên cấu hình hệ điều hành Raspbian và môi trường máy chủ cục bộ, chưa triển khai thử nghiệm trên nền tảng đám mây quy mô lớn.

• Hướng nghiên cứu tiếp (Hướng phát triển):

  • Mở rộng thêm các loại cảm biến mới như cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc, cảm biến khói chuyên dụng công nghiệp, cảm biến dòng điện và điện áp nguồn máy chủ.
  • Nâng cấp mạng cảm biến theo hướng không dây phân tán (sử dụng các vi điều khiển không dây như ESP32/ESP8266 kết nối về trạm Raspberry Pi trung tâm qua Wi-Fi hoặc ZigBee).
  • Tối ưu hóa giao diện ứng dụng di động, tích hợp thêm các kênh cảnh báo tức thời như tin nhắn SMS hoặc thông báo qua ứng dụng OTT (Telegram, Zalo).

---

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên ngành Công nghệ Thông tin, Kỹ thuật Máy tính, Hệ thống Thông tin: Tham khảo cấu trúc hoàn chỉnh của một đồ án tốt nghiệp kết hợp phần cứng IoT và phần mềm ứng dụng; tham khảo cách viết kịch bản Python giao tiếp ngoại vi GPIO trên Raspberry Pi 4B và quy trình cấu hình hệ điều hành Raspbian.
• Người nghiên cứu và phát triển hệ thống nhúng / Web: Cung cấp tài liệu mẫu về thiết kế cơ sở dữ liệu quan hệ cho các hệ thống giám sát thời gian thực, phương pháp đồng bộ dữ liệu cảm biến lên web server qua PHP/MySQL và kỹ thuật hiển thị dữ liệu động không tải lại trang bằng AJAX.
• Cán bộ quản trị mạng và hạ tầng CNTT tại các cơ quan, bệnh viện: Tham khảo mô hình kiến trúc kỹ thuật để tự thiết kế và triển khai giải pháp giám sát môi trường chi phí thấp cho phòng máy chủ nội bộ.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận sử dụng những loại cảm biến nào để giám sát môi trường phòng máy chủ và thông số kỹ thuật của chúng ra sao?
Hệ thống tích hợp 3 loại cảm biến chính kết nối trực tiếp với Raspberry Pi:

• Cảm biến DHT22: Đo nhiệt độ (dải đo -40°C đến +125°C, sai số ±0.5°C) và độ ẩm (dải đo 0% đến 100%, sai số 2–5%) qua chuẩn giao tiếp 1-Wire.
• Cảm biến MQ135: Giám sát chất lượng không khí, phát hiện các khí như NH3, NOx, Ancol, Benzen, khói và CO2.
• Cảm biến MH-RD: Phát hiện mực nước và sự cố rò rỉ nước trên sàn hoặc quanh đường ống.

2. Raspberry Pi 4 Model B đóng vai trò gì và có cấu hình phần cứng như thế nào trong hệ thống?
Raspberry Pi 4 Model B đóng vai trò là trạm thu thập dữ liệu trung tâm (Gateway). Thiết bị chạy hệ điều hành Raspbian trên thẻ nhớ microSD 32GB, sử dụng vi xử lý Broadcom BCM2711 kiến trúc ARM, tích hợp GPU VideoCore VI và hệ thống 40 chân GPIO để đọc tín hiệu từ cảm biến và điều khiển còi báo Buzzer 5V.

3. Dữ liệu từ cảm biến trên Raspberry Pi được gửi về cơ sở dữ liệu Web Server bằng cách nào?
Kịch bản Python chạy trên Raspberry Pi đọc các thông số môi trường từ cảm biến, sau đó gửi yêu cầu HTTP với các tham số đo được đính kèm trên đường dẫn URL tới tệp add_data.php đặt trên Web Server. Tệp PHP này thực thi việc nhận dữ liệu và chèn trực tiếp vào các bảng tương ứng trong CSDL MySQL.

4. Hệ thống phân quyền người dùng như thế nào và có những vai trò nào?
Hệ thống phân chia thành 2 tác nhân chính:

• Admin: Có quyền quản lý toàn diện người dùng (cấp phát, thu hồi tài khoản), quản lý phòng (thêm, xóa, sửa, gán người dùng quản lý phòng), quản lý danh mục cảm biến, cấu hình ngưỡng cảnh báo và xóa dữ liệu đo.
• Quản lý: Được phân công phụ trách phòng cụ thể, có quyền sửa thông tin phòng, điều chỉnh tham số cảnh báo của cảm biến và xóa dữ liệu đo trong phạm vi được giao.

5. Khi phát hiện thông số môi trường vượt ngưỡng, hệ thống phát tín hiệu cảnh báo qua các kênh nào?
Hệ thống kích hoạt đồng thời 2 kênh cảnh báo:

• Kênh cảnh báo tại chỗ: Xuất tín hiệu qua chân GPIO của Raspberry Pi để kích hoạt còi Buzzer 5V phát âm thanh báo động trực tiếp tại phòng máy chủ.
• Kênh cảnh báo từ xa: Tự động kích hoạt dịch vụ gửi email thông báo chi tiết tình trạng sự cố đến hộp thư của người quản trị được phân công quản lý phòng máy chủ đó.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Quan Dinh đã xây dựng hoàn chỉnh một hệ thống giám sát môi trường phòng máy chủ tích hợp giữa phần cứng máy tính nhúng Raspberry Pi 4B, các module cảm biến (DHT22, MQ135, MH-RD) và nền tảng ứng dụng web quản trị PHP/MySQL. Hệ thống giải quyết trọn vẹn chu trình từ đo lường thông số, truyền tải dữ liệu, lưu trữ tập trung, hiển thị trực quan đến kích hoạt cảnh báo kép qua còi báo và email khi có sự cố. Đây là công trình mang tính ứng dụng thực tiễn cao, đáp ứng tốt yêu cầu bảo vệ hạ tầng máy chủ tại các cơ quan, đơn vị, tiêu biểu là trường hợp khảo sát tại Bệnh viện Đa khoa Châu Đốc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ 1. TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc cách mạng về công nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống của chúng ta, theo hướng hiện đại hơn. Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch vụ, các tiện ích từ đó cũng được hình thành và phát triển theo. Đặc biệt là áp dụng các công nghệ của các ngành điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người.

Công nghệ IoT được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v., phạm vi này ngày càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau. Hiện nay, mặc dù khái niệm IoT đã trở nên khá quen thuộc và được ứng dụng khá nhiều trong các lĩnh vực của đời sống con người, đặc biệt ở các nước phát triển có nền khoa học công nghệ tiên tiến. Tuy nhiên, những công nghệ này chưa được áp dụng một cách rộng rãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng. Song nó vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng.

Được sự định hướng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Huỳnh Phước Hải, em đã chọn đề tài khóa luận “Xây dựng hệ thống giám sát môi trường tại phòng máy chủ”. Trên cơ sở tìm hiểu về IoT, khóa luận còn thực hiện một thực nghiệm cho mạng cảm biến để giám sát các thông số môi trường tiêu biểu (nhiệt độ, độ ẩm, không khí) đối với việc theo dõi và bảo trì phòng máy chủ. Phòng máy chủ/Server Room chính là Trung tâm xử lý và lưu trữ dữ liệu của mỗi tổ chức doanh nghiệp. Do đó, việc Quản lý giám sát phòng máy chủ/Server Room nhằm đảm bảo các điều kiện hoạt động liên tục cho hệ thống công nghệ thông tin, cung cấp điều kiện tiêu chuẩn về môi trường như: hệ thống thông gió, làm mát, hệ thống chống ẩm, đảm bảo duy trì hoạt động ổn định của trung tâm dữ liệu và nâng cao tuổi thọ các thiết bị phần cứng là nhu cầu bắt buộc không thể thiếu đối với mỗi tổ chức, doanh nghiệp.

Là cơ sở để các hoạt động sản xuất kinh doanh của tổ chức doanh nghiệp được diễn ra bình thường, liên tục. Với tầm quan trọng đó mà vấn đề an toàn cho phòng máy chủ cần được đưa lên hàng đầu, và giải pháp tiêu biểu nhất chính là lắp đặt hệ thống giám sát môi trường cho phòng máy chủ, nhằm giúp việc kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, 1 không khí,.trong phòng tốt hơn, giúp giải quyết các rủi ro hoặc vấn đề phát sinh kịp thời và an toàn. Từ đó, duy trì tuổi thọ của phần cứng ở mức tối đa và hoạt động hết công suất. PHẠM VI - Hỗ trợ theo dõi chất lượng môi trường tại phòng máy chủ.

- Hỗ trợ thống kê dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí. - Hỗ trợ cảnh báo bằng còi và email khi chất lượng môi trường phòng không đạt chuẩn. - Hỗ trợ điều chỉnh tham số cảm biến. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Đề tài tập trung nghiên cứu dựa trên cơ sở là công nghệ IoT để tạo ra một nền tảng, ứng dụng giúp giám sát, cảnh báo và vận hành tốt hệ thống phòng máy chủ.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tài liệu về các module cảm biến, Raspberry Pi và các ứng dụng của chúng. Phương pháp thực nghiệm: phân tích, thiết kế, xây dựng, phát triển và kiểm thử phần mềm. 2 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Định nghĩa Thiết bị (device): Đối với Internet Of Things, đây là một phần của cả hệ thống với chức năng bắt buộc là truyền thông và chức năng không bắt buộc là: cảm biến, thực thi, thu thập dữ liệu, lưu trữ và xử lý dữ liệu.

Internet Of Things: Là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, mang đến những dịch vụ tiên tiến bằng cách kết nối các “Things” (cả physical lẫn virtual) dựa trên sự tồn tại của thông tin, dựa trên khả năng tương tác của các thông tin đó, và dựa trên các công nghệ truyền thông. Things: Đối với Internet Of Things, “Things” là một đối tượng của thế giới vật chất (physical things) hay thế giới thông tin ảo (virtual things). “Things” có khả năng được nhận diện, và “Things” có thể được tích hợp vào trong mạng lưới thông tin liên lạc. Khái niệm IoT IoT là mạng kết nối các đồ vật và thiết bị thông qua cảm biến, phần mềm và các công nghệ khác, cho phép các đồ vật và thiết bị thu thập và trao đổi dữ liệu với nhau.

IoT lan tỏa lợi ích của mạng internet tới mọi đồ vật được kết nối, chứ không chỉ dừng lại ở phạm vi một chiếc máy tính. Khi một đồ vật được kết nối với internet, nó sẽ trở nên thông minh hơn nhờ khả năng gửi và/hoặc nhận thông tin và tự động hoạt động dựa trên các thông tin đó. Các thiết bị IoT có thể là đồ vật được gắn thêm cảm biến để thu thập dữ liệu về môi trường xung quanh (giống như các giác quan), các máy tính/bộ điều khiển tiếp nhận dữ liệu và ra lệnh cho các thiết bị khác, hoặc cũng có thể là các đồ vật được tích hợp cả hai tính năng trên. IoT có thể được coi là một tầm nhìn sâu rộng của công nghệ và cuộc sống.

Từ quan điểm của tiêu chuẩn kỹ thuật, IoT có thể được xem như là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, tạo điều kiện cho các dịch vụ tiên tiến thông qua sự liên kết các “Things”. IoT dự kiến sẽ tích hợp rất nhiều 3 công nghệ mới, chẳng hạn như các công nghệ thông tin machine-to-machine, mạng tự trị, khai thác dữ liệu và ra quyết định, bảo vệ sự an ninh và sự riêng tư, điện toán đám mây. Như hình dưới, một hệ thống thông tin trước đây đã mang đến 2 chiều – “Any TIME” và “Any PLACE” communication. Giờ IoT đã tạo thêm một chiều mới trong hệ thống thông tin đó là “Any THING” Communication (Kết nối mọi vật).

IoT kết nối vạn vật Trong hệ thống IoT, “Things” là đối tượng của thế giới vật chất (Physical) hoặc các thông tin (Virtual). “Things” có khả năng nhận diện và có thể tích hợp vào mạng thông tin. “Things” có liên quan đến thông tin, có thể là tĩnh hay động. “Physical Things” tồn tại trong thế giới vật lý và có khả năng được cảm nhận, được kích thích và kết nối.

Ví dụ về “Physical Things” bao gồm các môi trường xung quanh, robot công nghiệp, hàng hóa, hay thiết bị điện… “Virtual Things” tồn tại trong thế giới thông tin và có khả năng được lưu trữ, xử lý, hay truy cập. Ví dụ về “Virtual Things” bao gồm các nội dung đa phương tiện và các phần mềm ứng dụng… 2. IoT từ góc nhìn kỹ thuật Như đề cập ở 2.1, “Things” trong IoT có thể là đối tượng vật lý (Physical) hoặc là đối tượng thông tin (hay còn gọi là đối tượng ảo – Virtual). Hai loại đối tượng này có thể ánh xạ (mapping) qua lại lẫn nhau.

Một đối tượng vật lý có thể được trình bày hay đại diện bởi một đối tượng thông tin, tuy nhiên một đối tượng thông tin có thể tồn tại mà không nhất thiết phải được ánh xạ từ một đối tượng vật lý nào. Hệ thống IoT từ góc nhìn kỹ thuật Trong hình 1, một “device” là một phần của hệ thống IoT. Chức năng bắt buộc của một device là giao tiếp, và chức năng không bắt buộc là cảm biến, thực thi, thu thập dữ liệu, lưu trữ dữ liệu và xử lý dữ liệu. Các thiết bị thu thập các loại thông tin khác nhau và cung cấp các thông tin đó cho các network khác nơi mà thông tin được tiếp tục xử lý.

Một số thiết bị cũng thực hiện các hoạt động dựa trên thông tin nhận được từ network. Truyền thông thiết bị - thiết bị: Có 3 cách các devices giao tiếp lẫn nhau. (a) Các devices giao tiếp thông qua các mạng lưới thông tin liên lạc gọi là gateway, (b) các devices giao tiếp qua mạng lưới thông tin liên lạc mà không có một gateway, hoặc (c) các device liên lạc trực tiếp với nhau qua mạng nội bộ. Trong hình 1, mặc dù ta thấy chỉ có sự tương tác diễn ra ở Physical Things (các thiết bị giao tiếp với nhau).

Thực ra vẫn còn hai sự tương tác khác đồng thời diễn ra. Đó là tương tác Virtual Things (trao đổi thông tin giữa các virtual things), và tương tác giữa Physical Things và Virtual Things. Các ứng dụng IoT rất đa dạng, ví dụ, “hệ thống giao thông thông minh”, “Lưới điện thông minh”, “sức khỏe điện tử”, hoặc “nhà thông minh”. Các ứng dụng có thể được dựa trên một nền tảng riêng biệt,cũng có thể được xây dựng dựa trên dịch vụ chung, chẳng hạn như chứng thực, quản lý thiết bị, tính phí, thanh toán… Các “Communication networks” chuyển dữ liệu được thu thập từ devices đến các ứng dụng và device khác, và ngược lại, các network này cũng chuyển các mệnh lệnh thực thi từ ứng dụng đến các device.

Vai trò của communication network là truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả và tin cậy. Các loại thiết bị khác nhau và mối quan hệ Yêu cầu tối thiểu của các “device” trong IoT là khả năng giao tiếp. Thiết bị sẽ được phân loại vào các dạng như thiết bị mang thông tin, thiết bị thu thập dữ liệu, thiết bị cảm ứng (sensor), thiết bị thực thi: - Thiết bị mang dữ liệu (Data carrierring device): Một thiết bị mang thông tin được gắn vào một Physical Thing để gián tiếp kết nối các Physical Things với các mạng lưới thông tin liên lạc. - Thiết bị thu thập dữ liệu (Data capturing device): Một device thu thập dữ liệu có thể được đọc và ghi, đồng thời có khả năng tương tác với Physical Things.

Sự tương tác có thể xảy ra một cách gián tiếp thông qua device mang dữ liệu, hoặc trực tiếp thông qua dữ liệu gắn liền với Physical Things. Trong trường hợp đầu tiên, các device thu thập dữ liệu sẽ đọc thông tin từ một device mang tin và có ghi thông tin từ các network và các device mang dữ liệu. - Thiết bị cảm ứng và thiết bị thực thi (sensing device and actuation device): Một device cảm nhận và device thực thi có thể phát hiện hoặc đo lường thông tin liên quan đến môi trường xung quanh và chuyển đổi nó sang tín hiệu dạng số.