Chương 1: Tổng quan Chương 6. Kết luận và hướng phát triển: Đưa ra các kết luận về những vấn đề mà trong quá trình nghiên cứu đã đạt được và chưa đạt được. Đưa ra hướng phát triển đề tài trong tương lai. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ IOT 2.1 Khái niệm[1] Internet of Things (IoT) là một khái niệm rộng lớn và khó hình dung vì liên quan đến rất nhiều nguyên tắc, công nghệ và các lĩnh vực khác nhau.
Về cơ bản, IoT mô tả các hệ thống cảm biến nối mạng và các đối tượng thông minh làm việc cùng nhau để tạo ra một môi trường thông minh, hữu dụng và lập trình được. Công nghệ IoT bao gồm cảm biến, mạch, hệ thống nhúng truyền thông, giao diện thông minh, quản lý năng lượng, quản lý dữ liệu, truyền dữ liệu, quản lý tri thức, hệ thống thời gian thực, xử lý phân tán, thiết kế hệ thống và các phần mềm phức tạp. Các hệ thống IoT (như hình 2.1) bao gồm các cấu trúc nhỏ được trang bị vài bộ cảm biến và bộ xử lý được lắp đặt trong một khu vực giới hạn cung cấp dịch vụ ứng dụng cho một số ít người cho đến các hệ thống trải rộng ra liên quan đến hàng triệu cảm biến, xử lý thông tin phân tán phức tạp như hệ thống điều khiển một thành phố thông minh.1: Minh họa hệ thống IoT 2.2 Đặc tính cơ bản[2] Những vấn đề quan trọng nhất của hệ thống IoT bao gồm trí thông minh nhân tạo, kết nối, cảm biến và các thiết bị nhỏ nhưng mang tính cơ động cao, chúng được mô tả sơ lược như bên dưới: - AI (Artifical Intelligence - Trí tuệ nhân tạo): Hệ thống IoT về cơ bản được hiểu là làm cho mọi thiết bị trở nên thông minh, nghĩa là nó giúp nâng cao mọi khía cạnh của cuộc sống bằng những dữ liệu thu thập BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an Chương 2: Cơ sở lý thuyết được, thông qua các thuật toán tính toán nhân tạo và kết nối mạng. Một ví dụ đơn giản như hộp đựng gạo của bạn, khi biết rằng gạo sắp hết, hệ thống tự động đặt một đơn hàng mới cho nhà cung cấp.
- Connectivity (Kết nối): Là một đặc trưng cơ bản của IoT, hiện nay các mạng thiết bị đang trở nên phổ biến, nhiều mạng thiết bị ngày càng nhỏ hơn, rẻ hơn và được phát triển phù hợp với thực tế cũng như nhu cầu của người dùng. - Sensor (Cảm biến): IoT sẽ mất đi sự quan trọng của mình nếu không có các cảm biến. Các cảm biến hoạt động giống như một công cụ giúp IoT chuyển từ mạng lưới các thiết bị thụ động sang mạng lưới các thiết bị tích cực, đồng thời có thể tương tác với thế giới thực. - Active Engagement (Thực hiện tích cực): Ngày nay, phần lớn các tương tác của những công nghệ kết nối xảy ra 1 cách thụ động.
IoT được cho là sẽ đem đến những hệ thống mang tích tích cực về nội dung, sản phẩm cũng như các dịch vụ gắn kết. - Small Devices (Thiết bị thu nhỏ): Như đã được dự đoán từ trước, các thiết bị ngày càng được tối ưu với mục đích nâng cao độ chính xác, khả năng mở rộng cũng như tính linh hoạt. Nó được thiết kế ngày càng nhỏ hơn, rẻ hơn và mạnh mẽ hơn theo thời gian.3 Cấu phần của hệ thống IoT[3] Kiến trúc IoT (như hình 2.2) được đại diện cơ bản bởi bốn phần: Vạn vật (Things), trạm kết nối (Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud) và các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-creation and Solutions Layers). Vạn vật (Things): Ví dụ xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối trực tiếp thông qua băng tần 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 thông minh” thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trạm kết nối (Gateways): Các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một trung gian trực tiếp, cho phép các thiết bị có sẵn này kết nối với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý. 2: Mô hình kiến trúc IoT Hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud): Cơ sở hạ tầng kết nối Internet bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ. Trung tâm dữ liệu/hạ tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ (Server), hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối.
Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers): Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (Application Progmraming Interface) là Mashery và Aepona để giúp đưa các sản phẩm và giải pháp IoT ra thị trường một cách chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ hệ thống và tài sản đang có sẵn.4 Ứng dụng IoT có thể ứng dụng được trong bất kì lĩnh vực nào mà chúng ta muốn. Một số lĩnh vực nổi bật hiện nay được ứng dụng IoT nhiều nhất như: - Nhà thông minh; - Quản lý các thiết bị cá nhân: Thiết bị đeo tay để đo nhịp tim huyết áp, theo dõi sức khỏe; - Quản lý môi trường, thời tiết; - Xử lý trong các tình huống khẩn cấp; BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 do an Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Quản lý giao thông; - Lĩnh vực mua sắm thông minh; - Đồ dùng sinh hoạt hằng ngày: Như máy pha cà phê, bình nước nóng lạnh, máy điều hòa; - Tự động hóa: Các công xưởng sản xuất xe hơi đã áp dụng công nghệ IoT để cắt giảm hầu hết các công nhân, thay vào đó là các bộ máy tích hợp trí thông minh nhân tạo cho năng suất tăng gấp nhiều lần và độ chính xác cao hơn.5 Lợi ích mang lại và thách thức Những lợi ích mà IoT đem lại được dàn trải hầu hết đến các tất cả các lĩnh vực trong đời sống, kinh doanh như cải thiện việc gắn kết với khách hàng, tối ưu hóa công nghệ, giảm sự hao phí, tăng cường việc thu thập dữ liệu. Mặc dù IoT mang lại khá nhiều lợi ích ấn tượng, nó cũng gặp phải những thách thức đáng kể về kiểm soát an ninh, bảo mật, tính phức tạp, lo ngại về tính linh hoạt cũng như việc phải tuân thủ các tiêu chuẩn.2 GIỚI THIỆU VỀ LORA[4] 2.1 Khái niệm Lora LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012. Với công nghệ này, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu.
Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như sensor network trong đó các sensor node có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động trong thời gian dài trước khi cần thay pin (như hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của LoRa LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum. Theo nguyên lý này thì dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (công việc này gọi là chipped); sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 do an Chương 2: Cơ sở lý thuyết tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up - chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up - chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down - chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi. 3: Cấu trúc hệ thống Lora Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơn nữa LoRa không cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu Lora có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh. Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới: - 430MHz cho châu Á; - 780MHz cho Trung Quốc; - 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu; - 915MHz cho Hoa Kỳ.
Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các tỉ lệ chirp khác nhau có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau. Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho 1 tỉ lệ chirp). LoraWan là gì? BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 do an Chương 2: Cơ sở lý thuyết LoRaWAN là giao thức mạng năng lượng thấp, diện rộng (LPWA) được phát triển bởi Liên minh LoRa, kết nối không dây hoạt động với internet trong các mạng khu vực, quốc gia hoặc toàn cầu, nhắm mục tiêu các yêu cầu chính của Internet of Things (IoT) như thiết bị thông tin liên lạc hai chiều, dịch vụ bảo mật đầu cuối, di động và nội địa hóa. LoRaWAN sử dụng phổ không được cấp phép trong các dải ISM để xác định giao thức truyền thông và kiến trúc hệ thống cho mạng trong khi lớp vật lý LoRa tạo ra các liên kết giao tiếp tầm xa giữa các cảm biến từ xa và các cổng kết hoặc riêng tư ở bất cứ đâu bằng phần cứng và phần mềm.
Các tính năng chính của hệ thống LoRaWAN - Tầm xa (>5 km ở khu vực đô thị, >10 km ở khu vực ngoại ô, >80 km ở đường ngầm); - Tuổi thọ pin lâu (>10 năm); - Chi phí thấp (<5 USD/module); - Tốc độ dữ liệu thấp (0,3 bps – 50 kbps, thường khoảng ~ 10 kB/ngày); - Hỗ trợ bản địa hóa; - Truyền hai chiều; - Đảm bảo ổn định; - Hoạt động không cần giấy phép.