MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Theo nghiên cứu mới nhất của Global Market Insights, Inc, thị trƣờng đồng hồ nƣớc thông minh tại thị trƣờng châu Á - Thái Bình Dƣơng dự đoán tăng hơn 85 triệu USD, lên đến hơn 300 triệu USD vào năm 2024 [1]. Yêu cầu hạn chế mức tiêu thụ nƣớc theo chính sách quốc gia về việc sử dụng nƣớc bền vững sẽ thúc đẩy quy mô thị trƣờng đo nƣớc thông minh của các nƣớc Châu Á - Thái Bình Dƣơng. Các chính phủ trong khu vực đang cơ cấu lại hệ thống cấp nƣớc để đảm bảo công tơ nƣớc và hóa đơn nƣớc đƣợc chính xác.
Xu hƣớng tránh thất thoát nƣớc, hóa đơn phản ánh chính xác lƣợng nƣớc tiêu thụ và cải thiện cơ sở hạ tầng sẽ thúc đẩy nhu cầu sản phẩm. Chi phí thấp cùng với khả năng cung cấp số liệu tiêu thụ theo thời gian thực sẽ thúc đẩy thị trƣờng đo lƣờng nƣớc thông minh. Các hệ thống này có thể thu thập và chẩn đoán dữ liệu tiêu thụ tự động từ các thiết bị đo và truyền đến cơ sở dữ liệu trung tâm để liên lạc và thanh toán một chiều [2, 3, 4]. Mạng các đồng hồ đo nước RF RF GW Internet TCP/IP Server CHÚ THÍCH: Người dùng GW Internet Gateway Đồng hồ đo nước có két nối mạng Hình 0.1: Mô hình hệ thống đo lƣờng tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ theo mô hình IoT.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu mô hình ứng dụng tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ tại Việt Nam theo mô hình mạng Internet kết nối vạn vật (IoT) [5]. Các đồng hồ nƣớc đƣợc gắn thêm thiết bị đọc chỉ số thông minh và gửi dữ liệu về máy chủ trung tâm thông qua sóng vô tuyến RF.1 là mô hình hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ. Các thiết bị đọc chỉ số nƣớc thông minh đƣợc kết nối với nhau và gửi dữ liệu về cổng trung gian (Gateway) qua chuẩn truyền thông không dây IEEE 802. Gateway có nhiệm vụ thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu về máy chủ (Server) qua đƣờng truyền Internet.
Tại máy chủ, các dữ liệu sau đây sẽ đƣợc lƣu trữ: Cơ sở dữ liệu (CSDL) về khách hàng; CSDL về ngƣời dùng hệ thống; CSDL về các thiết bị đo lƣợng nƣớc tiêu thụ; CSDL về lƣợng nƣớc tiêu thụ và hóa đơn tiền nƣớc của khách hàng. Các thiết bị đọc chỉ số nƣớc thông minh sử dụng nguồn năng lƣợng hạn chế bằng pin. Vì vậy, cần thiết phải áp dụng các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lƣợng cho mạng lƣới các thiết bị đọc chỉ số nƣớc thông minh nhằm tăng thời gian hoạt động của mạng. Do đó, trong phạm vi luận văn này tác giả cũng sẽ tập trung nghiên cứu và đánh giá hiệu năng mạng khi áp dụng giao thức định tuyến thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lƣợng cho mạng lƣới các thiết bị đọc chỉ số nƣớc thông minh.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn là hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu là mô hình ứng dụng đƣợc triển khai trong điều kiện hiện tại của Việt Nam, tập trung vào việc tìm hiểu các thiết kế bổ sung cho các đồng hồ nƣớc hiện tại đang đƣợc triển khai. Mục tiêu của đề tài Hƣớng nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu về mô hình hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ theo mô hình IoT nhằm nâng cao chất lƣợng phục vụ của các nhà máy nƣớc, tiết kiệm chi phí nguồn nhân lực trong việc ghi đọc chỉ số nƣớc hoàn toàn thủ công nhƣ hiện nay. Giao thức định tuyến thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lƣợng cho hệ thống nhằm nâng cao thời gian sống của mạng lƣới đồng hồ nƣớc thông minh cũng đƣợc tác giả tập trung nghiên cứu thực thi trên hệ điều hành Contiki [7, 8] và đánh giá bằng công cụ mô phỏng Cooja [9].
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu của luận văn là thu thập, phân tích các nghiên cứu lý thuyết đã có để làm chủ hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ tại Việt Nam từ đó tập trung nghiên cứu đánh giá hiệu quả của hệ thống khi áp dụng giao thức định tuyến thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lƣợng cho hệ thống dựa trên mô phỏng. Nội dung của luận văn Luận văn đƣợc trình bày thành 03 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về mạng Internet kết nối vạn vật. Chƣơng 2: Hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ tại Việt Nam.
Chƣơng 3: Giao thức định tuyến cho hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ. Cuối cùng là kết luận, tóm tắt các nội dung nghiên cứu và dự kiến hƣớng nghiên cứu tiếp theo của luận văn. Đóng góp của luận văn Hiện nay, các nhà máy nƣớc vẫn đang thực hiện những biện pháp thủ công trong việc ghi lƣợng nƣớc sinh hoạt tiêu thụ và thanh toán tiền nƣớc tiêu thụ hàng tháng tại các hộ gia đình. Những biện pháp thủ công này rất mất thời gian và gây tốn kém chi phí về nguồn nhân lực lao động.
Ngoài ra, các thiết bị đọc lƣợng nƣớc tiêu thụ vận hành bằng pin nên cần thiết phải triển khai giao thức định tuyến thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lƣợng nhằm tăng thời gian sống của mạng. Do vậy, hƣớng nghiên cứu của đề tài vừa có giá trị khoa học và thực tiễn. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ INTERNET KẾT NỐI VẠN VẬT 1.
Khái niệm về Internet kết nối vạn vật Thực chất, biểu hiện của Internet of Things (IoT) đã xuất hiện ngay từ thời kỳ sơ khai của Internet, khi các nhà phát minh mong muốn kết nối tất cả mọi thứ qua một mạng lƣới đồng nhất để có thể điều khiển chúng phục vụ cho mục đích của con ngƣời. Trong các tƣ liệu về IoT, ngƣời ta thƣờng nhắc đến một chiếc máy bán nƣớc giải khát tự động tại trƣờng Đại học Carnegie Melon (Mỹ) vào đầu những năm 1980 nhƣ là một thiết bị đầu tiên mở màn cho xu hƣớng này, chiếc máy đƣợc lập trình để có thể kết nối với ngƣời điều khiển qua Internet, nhằm kiểm tra tình trạng của máy và bổ sung nƣớc khi cần thiết mà không cần sự tiếp xúc kiểm tra trực tiếp. Sau đó, khái niệm IoT chỉ thực sự đƣợc đƣa ra vào năm 1999, khi mà ngƣời ta bắt đầu nhận thấy tiềm năng của xu hƣớng này, bên cạnh việc mạng Internet cũng nhƣ nhiều rào cản về mặt khoa học công nghệ đã dần đƣợc khai phá. Theo định nghĩa từ Wikipedia: Internet of Things là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính.
IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nhƣ vậy có thể tạm hiểu, IoT là khi tất cả mọi thứ đều đƣợc kết nối với nhau qua mạng Internet, ngƣời dùng có thể kiểm soát mọi đồ vật của mình qua mạng chỉ bằng một thiết bị thông minh, chẳng hạn nhƣ smartphone, tablet, PC hay thậm chí chỉ bằng một chiếc smartwatch nhỏ bé trên tay.1 minh họa mô hình mạng IoT. Gần đây, IoT còn bao gồm cả những giao tiếp theo kiểu máy với máy (M2M), hạn chế sự tác động của con ngƣời nhƣng chủ yếu đƣợc áp dụng trong sản xuất năng lƣợng hay các ngành công nghiệp nặng. Viễn cảnh tƣởng chừng chỉ có trên phim ảnh này đã dần hiển hiện trên thực tế, với sự phát triển của nhà thông minh, ti vi thông minh, tủ lạnh thông minh,….
và cũng không thể không kể tới sự mở rộng không gian địa chỉ lên IPv6 thay vì IPv4 nhƣ trƣớc đây. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1: Mô hình mạng IoT 1. Tầm nhìn tƣơng lai của IoT Mặc dù đã manh nha từ lâu nhƣng kỷ nguyên IoT chỉ thực sự đƣợc sự đƣợc chú ý và bùng nổ trong những năm gần đây, sau sự phát triển của smartphone, tablet và những kết nối không dây,… Và ngay sau khi nhận đƣợc sự chú ý của cộng đồng, IoT đã cho thấy tiềm năng của mình với những số liệu đáng kinh ngạc. Cisco, nhà cung cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo: Đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, bao gồm hàng tỷ thiết bị di động, tivi, máy giặt, … Để thấy đƣợc sự phát triển của lĩnh vực này, họ cũng đƣa ra số liệu vào năm 1984, khi mà Cisco mới thành lập mới chỉ có khoảng 1.000 thiết bị đƣợc kết nối mạng toàn cầu, đến năm 2010, con số này đã lên mức 10 tỷ.
Intel, đơn vị mới tham gia vào thị trƣờng sản xuất chip cho các thiết bị thông minh phục vụ IoT cũng đã thu về hơn 2 tỷ USD trong năm 2014 từ lĩnh vực này, tăng trƣởng 19% so với năm 2013. Và không thể không kể tới một thƣơng hiệu Việt Nam là Bkav cũng đã đạt đƣợc những thành tựu đáng ghi nhận về IoT. Hệ thống nhà thông minh SmartHome của Bkav là một tổ hợp các thiết bị thông minh trong một ngôi nhà, đều đƣợc kết nối Internet và có thể tự động điều chỉnh cũng nhƣ điều khiển qua smartphone. Sau hàng chục năm nghiên cứu và sản xuất, Bkav SmartHome đã có chỗ đứng nhất định trên thị trƣờng và hoàn toàn có thể cạnh tranh với những giải pháp nhà thông minh khác trên thế giới.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Bên cạnh đó, các ông lớn nhƣ Google, Apple, Samsung, Microsoft cũng không hề giấu diếm ý định xâm nhập thị trƣờng này, hứa hẹn một cuộc cạnh tranh mạnh mẽ trong thời gian tới đây, đƣa kỷ nguyên IoT đến sớm hơn với mọi ngƣời. Rõ ràng, IoT có thể thay đổi hoàn toàn cách sống của con ngƣời trong tƣơng lai. Khi mọi thứ đã đƣợc “Internet hóa”, ngƣời dùng hoàn toàn có thể điều khiển chúng từ bất cứ đâu, chỉ cần một chiếc điện thoại có kết nối Internet. Sở hữu những thành tựu trong lĩnh vực này nghĩa là chúng ta đang nắm giữ trong tay chìa khóa thành công của mọi thời đại.
IoT chính là xu hƣớng của tƣơng lai.