Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Anten Vi Dải Có Mặt Bức Xạ Tròn Ứng Dụng Trong Truyền Thông IIoT

Nghiên cứu thiết kế anten vi dải mặt bức xạ tròn ứng dụng trong truyền thông IIoT, đóng góp vào phát triển công nghệ IoT công nghiệp hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Mạnh Cường
• Người hướng dẫn: TS. Dương Thị Thanh Tú
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Nghiên cứu anten vi dải có mặt bức xạ tròn cho truyền thông IIoT
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• 1. CHƯƠNG 1: IOT/IIOT. Tổng quan và công nghệ IoT/IIoT
• 1.1. Các công nghệ truyền thông trong IIoT
• 1.2. Giới thiệu chung
• 1.3. Truyền thông qua hệ thống mạng diện thoại di động
• 1.4. Zwave và ZigBee
• 1.5. Ứng dụng của IIoT trong kỷ nguyên công nghiệp 4
• 1.6. Anten cho thiết bị IoT/IIoT
• 1.7. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: ANTEN VI DẢI CÓ MẶT BỨC XẠ TRÒN
• 2.1. Tổng quan về anten vi dải
• 2.2. Cấu tạo anten vi dải
• 2.3. Nguyên lý hoạt động của anten vi dải
• 2.4. Sóng trong cấu trúc anten vi dải
• 2.5. Phân loại anten vi dải
• 2.6. Phân loại theo cấu trúc anten
• 2.7. Phân loại theo hình dáng bức xạ
• 2.8. Anten vi dải có mặt bức xạ tròn
• 2.9. Tính chất điện và từ của anten
• 2.10. Các tham số thiết kế của anten vi dải có mặt bức xạ tròn
• 2.11. Tần số cộng hưởng
• 2.12. Bán kính bức xạ
• 2.13. Mật độ dòng tương đương và trường bức xạ
• 2.14. Trở kháng đầu vào
• 2.15. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI CÓ MẶT BỨC XẠ TRÒN CHO ỨNG DỤNG IIoT
• 3.1. Lựa chọn công nghệ
• 3.2. Lựa chọn công cụ
• 3.3. Thiết kế anten IIoT sử dụng anten vi dải có mặt bức xạ tròn
• 3.4. Thiết kế phần tử bức xạ có cấu trúc vòng ring
• 3.5. Thiết kế đa băng dựa trên vòng cộng hưởng SRR
• 3.6. Thiết kế anten
• 3.7. Đánh giá và phân tích thiết kế thông qua các kết quả mô phỏng. Tham số tán xạ S11
• 3.8. Phân tích dòng trên bề mặt của anten
• 3.9. Đồ thị bức xạ 2D/3D
• 3.10. Kết luận chương 3
• DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về anten vi dải và truyền thông IIoT

Anten vi dải là một trong những công nghệ quan trọng trong lĩnh vực truyền thông IIoT. Với đặc điểm nhỏ gọn, chi phí thấp và hiệu suất cao, anten vi dải được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin vô tuyến hiện đại. Truyền thông IIoT (Industrial Internet of Things) là một phần của IoT, tập trung vào việc kết nối các thiết bị công nghiệp để thu thập, giám sát và phân tích dữ liệu. Sự kết hợp giữa anten vi dải và truyền thông IIoT mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng truyền dữ liệu ổn định, độ tin cậy cao và tiết kiệm năng lượng.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của anten vi dải

Anten vi dải bao gồm ba lớp chính: lớp bức xạ, lớp điện môi và lớp mặt đất. Lớp bức xạ thường được thiết kế với hình dạng tròn, chữ nhật hoặc tam giác để tối ưu hóa hiệu suất. Nguyên lý hoạt động của anten vi dải dựa trên sự lan truyền sóng điện từ trong lớp điện môi, tạo ra bức xạ điện từ ở tần số cộng hưởng. Mặt bức xạ tròn được ưa chuộng do khả năng phân cực tròn, phù hợp với các ứng dụng đa hướng trong truyền thông IIoT.

1.2. Ứng dụng của anten vi dải trong IIoT

Anten vi dải được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị IIoT như cảm biến, thiết bị giám sát và hệ thống điều khiển công nghiệp. Với khả năng hoạt động ở nhiều dải tần khác nhau, anten vi dải đáp ứng được yêu cầu kết nối đa dạng trong môi trường công nghiệp. Tối ưu hóa anten là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất cao và độ tin cậy trong các hệ thống truyền thông công nghiệp.

II. Thiết kế anten vi dải mặt bức xạ tròn

Thiết kế anten vi dải mặt bức xạ tròn đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng về các tham số như tần số cộng hưởng, bán kính bức xạ và trở kháng đầu vào. Mặt bức xạ tròn mang lại nhiều ưu điểm như độ lợi cao, phân cực tròn và khả năng hoạt động ổn định trong môi trường đa tần số. Đây là yếu tố quan trọng trong việc phát triển các hệ thống truyền thông IIoT hiệu quả.

2.1. Các tham số thiết kế chính

Các tham số thiết kế chính của anten vi dải mặt bức xạ tròn bao gồm tần số cộng hưởng, bán kính bức xạ và trở kháng đầu vào. Tần số cộng hưởng quyết định dải tần hoạt động của anten, trong khi bán kính bức xạ ảnh hưởng đến độ lợi và hiệu suất bức xạ. Trở kháng đầu vào cần được tối ưu hóa để đảm bảo sự phù hợp với các mạch điện tử đi kèm.

2.2. Phương pháp mô phỏng và đánh giá

Các công cụ mô phỏng như CST và HFSS được sử dụng để thiết kế và đánh giá anten vi dải mặt bức xạ tròn. Các tham số như S11, đồ thị bức xạ 2D/3D và mật độ dòng điện được phân tích để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Kết quả mô phỏng cho thấy anten vi dải mặt bức xạ tròn đạt được độ lợi cao và phân cực tròn, phù hợp với các ứng dụng truyền thông IIoT.

III. Giá trị và ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu về anten vi dải mặt bức xạ tròn mang lại nhiều giá trị thực tiễn trong lĩnh vực truyền thông IIoT. Việc thiết kế và tối ưu hóa anten giúp cải thiện hiệu suất truyền dẫn, giảm thiểu nhiễu và tiết kiệm năng lượng. Đây là yếu tố quan trọng trong việc phát triển các hệ thống công nghiệp thông minh và tự động hóa.

3.1. Ứng dụng trong công nghiệp 4.0

Anten vi dải mặt bức xạ tròn được ứng dụng rộng rãi trong Công nghiệp 4.0, đặc biệt là trong các hệ thống giám sát và điều khiển tự động. Khả năng hoạt động ổn định trong môi trường đa tần số và độ tin cậy cao giúp cải thiện hiệu quả sản xuất và giảm chi phí vận hành.

3.2. Triển vọng phát triển trong tương lai

Với sự phát triển không ngừng của truyền thông IIoT, anten vi dải mặt bức xạ tròn sẽ tiếp tục được nghiên cứu và cải tiến để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao về hiệu suất và độ tin cậy. Các công nghệ mới như 5G và IoT công nghiệp sẽ mở ra nhiều cơ hội ứng dụng cho loại anten này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh kỷ nguyên Công nghiệp 4.0, Internet vạn vật công nghiệp (IIoT) đã trở thành xu hướng phát triển tất yếu, với dự báo khoảng 70 tỷ thiết bị kết nối Internet vào năm 2025 và thị trường IIoT toàn cầu đạt khoảng 14,2 nghìn tỷ đô la Mỹ vào năm 2023. IIoT cho phép kết nối, giám sát và điều khiển các thiết bị công nghiệp thông minh với độ tin cậy cao, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí vận hành. Tuy nhiên, việc thiết kế các hệ thống anten phù hợp cho các thiết bị IIoT vẫn là thách thức lớn do yêu cầu đa băng tần, độ tin cậy và khả năng hoạt động trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế anten vi dải có mặt bức xạ tròn, một loại anten nhỏ gọn, chi phí thấp, có độ lợi cao và khả năng bức xạ đồng đều, phù hợp cho truyền thông IIoT. Mục tiêu cụ thể là phát triển một thiết kế anten vi dải bức xạ tròn có khả năng hoạt động trên nhiều băng tần, đáp ứng yêu cầu truyền thông đa chuẩn trong IIoT, đồng thời đảm bảo độ bền và hiệu suất trong môi trường công nghiệp.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế, mô phỏng và đánh giá anten vi dải bức xạ tròn sử dụng chất nền RT/duroid 5880 với hằng số điện môi 2,2 và độ dày 0,1588 cm, cộng hưởng ở tần số khoảng 10 GHz. Nghiên cứu được thực hiện tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông trong năm 2021, với ứng dụng chính hướng tới các thiết bị truyền thông IIoT trong môi trường công nghiệp.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp anten vi dải bức xạ tròn có khả năng tích hợp đa chuẩn truyền thông, góp phần nâng cao hiệu quả truyền dẫn, giảm thiểu kích thước và chi phí thiết bị, đồng thời tăng cường độ tin cậy và phạm vi phủ sóng cho các ứng dụng IIoT trong công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết anten vi dải và mô hình khoang sóng điện từ.

1. Lý thuyết anten vi dải: Anten vi dải là anten bức xạ mặt, cấu tạo gồm lớp kim loại bức xạ trên chất nền điện môi và mặt đất kim loại phía dưới. Anten vi dải có ưu điểm nhỏ gọn, dễ tích hợp và có thể thiết kế đa dạng hình dạng bức xạ như hình chữ nhật, hình tròn, hình tam giác. Trong đó, anten vi dải có mặt bức xạ tròn được nghiên cứu sâu về tính chất điện từ, tần số cộng hưởng, bán kính bức xạ và trở kháng đầu vào.

2. Mô hình khoang sóng điện từ: Sử dụng mô hình khoang hình trụ để phân tích các trường điện từ bên trong anten vi dải bức xạ tròn, dựa trên phương trình sóng trong tọa độ trụ. Các chế độ TMzmn được xác định thông qua hàm Bessel và các điều kiện biên, giúp tính toán tần số cộng hưởng và phân bố mật độ dòng điện từ tương đương trên mặt bức xạ.

Các khái niệm chính bao gồm: tần số cộng hưởng (fr), bán kính hiệu dụng (ae), mật độ dòng điện từ tương đương (Ms), trở kháng đầu vào (Zin), và các chế độ bức xạ TMz110, TMz210,... Các tham số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và đặc tính bức xạ của anten.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành về anten vi dải, các công trình nghiên cứu về IIoT và các chuẩn truyền thông không dây. Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng CST Microwave Studio để thiết kế và đánh giá anten vi dải bức xạ tròn.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Thiết kế cấu trúc anten dựa trên các tham số vật lý và điện môi đã xác định.
• Mô phỏng tham số tán xạ S11 để đánh giá băng thông và tần số cộng hưởng.
• Phân tích mật độ dòng điện trên bề mặt anten để hiểu cơ chế bức xạ.
• Vẽ đồ thị bức xạ 2D và 3D để đánh giá kiểu phân cực và độ định hướng.
• Tính toán trở kháng đầu vào để đảm bảo phù hợp với nguồn cấp.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một thiết kế anten cụ thể với chất nền RT/duroid 5880, độ dày 0,1588 cm, bán kính patch tròn khoảng 0,525 cm, mô phỏng trong môi trường CST. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng chi tiết dựa trên lý thuyết và thực nghiệm trước đó nhằm tối ưu hóa thiết kế.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2021, bao gồm giai đoạn tổng hợp lý thuyết, thiết kế mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tần số cộng hưởng và băng thông: Thiết kế anten vi dải bức xạ tròn đạt tần số cộng hưởng khoảng 10 GHz với tham số S11 dưới -10 dB trong dải băng tần rộng, cho thấy khả năng hoạt động ổn định trên nhiều băng tần. Mô phỏng cho thấy băng thông đạt khoảng 5% so với tần số trung tâm, phù hợp với yêu cầu truyền thông IIoT đa chuẩn.

2. Mật độ dòng điện và phân bố trường bức xạ: Phân tích mật độ dòng điện trên bề mặt anten cho thấy dòng điện tập trung đều quanh mép patch tròn, tạo ra mặt bức xạ tròn đồng đều. Đồ thị bức xạ 2D/3D minh họa kiểu phân cực ngang và độ định hướng gần như đồng đều trong mặt phẳng E và H, giúp tăng phạm vi phủ sóng và giảm vùng chết.

3. Trở kháng đầu vào: Trở kháng đầu vào của anten được điều chỉnh bằng cách thay đổi bán kính hiệu dụng ae, đạt giá trị gần 50 Ω tại tần số cộng hưởng, đảm bảo tương thích tốt với nguồn cấp và giảm thiểu tổn hao phản xạ. Đồ thị trở kháng cho thấy sự ổn định trong khoảng tần số từ 9,5 GHz đến 10,5 GHz.

4. So sánh với các thiết kế khác: So với anten vi dải hình chữ nhật hoặc lưỡng cực, anten bức xạ tròn có ưu điểm về mặt bức xạ đồng đều và khả năng tích hợp đa băng tần tốt hơn, phù hợp với các ứng dụng IIoT yêu cầu truyền thông đa chuẩn và độ tin cậy cao.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và phân tích cho thấy anten vi dải bức xạ tròn là lựa chọn tối ưu cho các thiết bị truyền thông IIoT nhờ khả năng bức xạ đồng đều và băng thông phù hợp. Việc sử dụng mô hình khoang sóng điện từ giúp dự đoán chính xác tần số cộng hưởng và phân bố trường, từ đó tối ưu hóa thiết kế anten.

So với các nghiên cứu trước đây về anten vi dải hình chữ nhật hoặc anten tái cấu hình, thiết kế anten bức xạ tròn mang lại sự ổn định về trở kháng và khả năng hoạt động đa băng tần tốt hơn, đồng thời giảm thiểu kích thước và chi phí sản xuất. Điều này phù hợp với yêu cầu của IIoT về thiết bị nhỏ gọn, đa chuẩn và bền bỉ trong môi trường công nghiệp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tham số S11, đồ thị trở kháng, hình ảnh phân bố mật độ dòng điện và giản đồ bức xạ 2D/3D để minh họa rõ ràng các đặc tính anten. Những biểu đồ này giúp trực quan hóa hiệu suất và hỗ trợ việc điều chỉnh thiết kế phù hợp với yêu cầu thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển anten đa băng tần tích hợp: Thiết kế anten vi dải bức xạ tròn nên được mở rộng để hỗ trợ nhiều băng tần truyền thông phổ biến trong IIoT như 2.4 GHz, 5 GHz, 900 MHz nhằm tăng tính linh hoạt và khả năng tương thích. Chủ thể thực hiện: các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất anten, thời gian 12-18 tháng.

2. Tối ưu hóa vật liệu và cấu trúc: Sử dụng các vật liệu điện môi có hằng số thấp và độ mất mát thấp hơn để nâng cao hiệu suất anten, đồng thời nghiên cứu các cấu trúc fractal hoặc vòng cộng hưởng SRR để giảm kích thước anten mà không ảnh hưởng đến băng thông. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu và nhà sản xuất vật liệu, thời gian 12 tháng.

3. Ứng dụng trong thiết bị IIoT thực tế: Triển khai thử nghiệm anten trong các thiết bị IIoT thực tế như cảm biến công nghiệp, thiết bị giám sát để đánh giá hiệu quả truyền thông và độ bền trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp công nghệ và nhà máy sản xuất, thời gian 6-12 tháng.

4. Phát triển phần mềm mô phỏng và tối ưu hóa: Xây dựng công cụ mô phỏng chuyên dụng kết hợp trí tuệ nhân tạo để tự động hóa quá trình thiết kế và tối ưu anten vi dải bức xạ tròn, giúp rút ngắn thời gian nghiên cứu và nâng cao độ chính xác. Chủ thể thực hiện: các nhóm nghiên cứu công nghệ thông tin và viễn thông, thời gian 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành viễn thông, điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế anten vi dải bức xạ tròn, giúp nâng cao hiểu biết và kỹ năng thiết kế anten cho các ứng dụng IIoT.

2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị IoT/IIoT: Các công ty phát triển thiết bị truyền thông có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế anten nhỏ gọn, đa băng tần, nâng cao hiệu suất truyền dẫn và giảm chi phí sản xuất.

3. Chuyên gia phát triển mạng truyền thông công nghiệp: Thông tin về các chuẩn truyền thông và yêu cầu anten trong môi trường công nghiệp giúp tối ưu hóa hệ thống mạng IIoT, đảm bảo độ tin cậy và hiệu quả vận hành.

4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách công nghệ: Hiểu rõ về xu hướng phát triển anten và IIoT giúp xây dựng chiến lược phát triển công nghệ phù hợp, thúc đẩy chuyển đổi số trong ngành công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Anten vi dải có mặt bức xạ tròn khác gì so với anten vi dải hình chữ nhật?
   Anten bức xạ tròn có mặt bức xạ đồng đều hơn, giúp tăng phạm vi phủ sóng và giảm vùng chết, trong khi anten hình chữ nhật thường có bức xạ định hướng hơn. Điều này làm anten tròn phù hợp với các ứng dụng IIoT cần truyền thông đa hướng.

2. Tại sao chọn chất nền RT/duroid 5880 cho thiết kế anten?
   RT/duroid 5880 có hằng số điện môi thấp (2,2) và độ mất mát thấp, giúp anten hoạt động hiệu quả với tổn hao thấp, đồng thời hỗ trợ thiết kế anten nhỏ gọn và băng thông rộng, phù hợp với yêu cầu IIoT.

3. Làm thế nào để điều chỉnh tần số cộng hưởng của anten vi dải tròn?
   Tần số cộng hưởng được điều chỉnh chủ yếu bằng cách thay đổi bán kính patch tròn (a) và bán kính hiệu dụng (ae). Tăng bán kính sẽ giảm tần số cộng hưởng và ngược lại, cho phép thiết kế anten phù hợp với các băng tần mong muốn.

4. Phương pháp mô phỏng CST có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
   CST cung cấp môi trường mô phỏng trường điện từ 3D chính xác, hỗ trợ phân tích tham số S11, mật độ dòng điện và giản đồ bức xạ, giúp tối ưu hóa thiết kế anten trước khi chế tạo thực tế, tiết kiệm thời gian và chi phí.

5. Anten vi dải bức xạ tròn có thể ứng dụng trong những thiết bị IIoT nào?
   Anten phù hợp cho các thiết bị cảm biến công nghiệp, thiết bị giám sát từ xa, thiết bị truyền thông không dây trong nhà máy thông minh, nơi yêu cầu anten nhỏ gọn, đa băng tần và độ tin cậy cao trong môi trường khắc nghiệt.

Kết luận

• Luận văn đã nghiên cứu và thiết kế thành công anten vi dải có mặt bức xạ tròn, đáp ứng yêu cầu truyền thông đa băng tần cho ứng dụng IIoT.
• Mô hình khoang sóng điện từ và phương pháp mô phỏng CST được áp dụng hiệu quả để phân tích và tối ưu thiết kế anten.
• Kết quả cho thấy anten có tần số cộng hưởng khoảng 10 GHz, băng thông rộng, trở kháng đầu vào ổn định và mặt bức xạ đồng đều.
• Thiết kế anten này phù hợp với các thiết bị IIoT trong môi trường công nghiệp, góp phần nâng cao hiệu suất truyền thông và giảm chi phí sản xuất.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng thiết kế đa băng tần, thử nghiệm thực tế và phát triển công cụ mô phỏng tự động, nhằm hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Hành động đề xuất: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực viễn thông và công nghiệp nên tiếp cận và ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các thiết bị IIoT hiệu quả, góp phần thúc đẩy chuyển đổi số và công nghiệp hóa hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: IOT/IIOT 1.Tổng quan và công nghệ IoT/IIoT 1. IoT Internet of Things (IoT) là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối. Đây là một viễn cảnh trong đó mọi vật, mọi con vật hoặc con người được cung cấp các định danh và khả năng tự động truyền tải dữ liệu qua một mạng lưới mà không cần sự tương tác giữa con người-với-con người hoặc con người-với-máy tính. IoT tiến hoá từ sự hội tụ của các công nghệ không dây, hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) và Internet.

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.1: Internet of Things "Thing" - sự vật - trong Internet of Things, có thể là một trang trại động vật với bộ tiếp sóng chip sinh học, một chiếc xe ô tô tích hợp các cảm biến để cảnh báo lái xe khi lốp quá non, hoặc bất kỳ đồ vật nào do tự nhiên sinh ra hoặc do con người sản xuất ra mà có thể được gán với một địa chỉ IP và được cung cấp khả năng truyền tải dữ liệu qua mạng lưới. IoT phải có 2 thuộc tính: một là đó phải là một ứng dụng internet. Hai là, nó phải lấy được thông tin của vật chủ.2: Sự gia tăng nhanh chóng của giao tiếp máy - máy Một ví dụ điển hình cho IoT là tủ lạnh thông minh, nó có thể là một chiếc tủ lạnh bình thường nhưng có gắn thêm các cảm biến bên trong giúp kiểm tra được số lượng các loại thực phẩm có trong tủ lạnh, cảm biến nhiệt độ, cảm biến phát hiện mở cửa,.và các thông tin này được đưa lên internet.

Với một danh mục thực phẩm được thiết lập trước bởi người dùng, khi mà một trong các loại thực phẩm đó sắp hết thì nó sẽ thông báo ngay cho chủ nhân nó biết rằng cần phải bổ sung gấp, thậm chí nếu các loại sản phẩm được gắn mã ID thì nó sẽ tự động trực tiếp gửi thông báo cần nhập hàng đến siêu thị và nhân viên siêu thị sẽ gửi loại thực phẩm đó đến tận nhà.3: Ứng dụng tủ lạnh trong IoT e 5 Quá trình phát triển của IoT: Ngày nay, các thiết bị như điện thoại thông minh, xe cộ, hệ thống công nghiệp, máy ảnh, đồ chơi, tòa nhà, thiết bị gia dụng, các hệ thống công nghiệp và vô số hệ thống khác đều có thể chia sẻ thông tin qua Internet. Bất kể kích thước của chúng và chức năng, những thiết bị này có thể thực hiện tái tổ chức thông minh, theo dõi, định vị, kiểm soát, giám sát thời gian thực và quy trình điều khiển. Trong những năm qua, truyền thông đã chỉ ra rất nhiều các thiết bị có khả năng kết nối Internet. Mặt tích cực nhất hiệu quả thương mại đáng kể đã được quan sát thấy trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng; tức là đặc biệt là cuộc cách mạng của điện thoại thông minh và sự quan tâm đến thiết bị đeo được (đồng hồ,tai nghe, v.), kết nối mọi người đã trở thành một mảnh vỡ của một phong trào lớn hơn hướng tới sự liên kết của thế giới kỹ thuật số và vật lý.

Với tất cả những điều này, Internet of Things (IoT) là dự kiến sẽ tiếp tục mở rộng phạm vi tiếp cận vì liên quan đến số lượng thiết bị và chức năng mà nó có thể chạy. Đây là rõ ràng từ sự mơ hồ trong cách diễn đạt "Things" điều này gây khó khăn cho việc vạch ra các giới hạn ngày càng tăng của IoT [4]. Trong khi thành công thương mại tiếp tục hiện thực hóa, IoT liên tục cung cấp hầu như vô hạn cung cấp các cơ hội, không chỉ trong các doanh nghiệp mà còn trong các nghiên cứu. Theo đó, các cơ sở hạ tầng giải quyết các lĩnh vực tiềm năng để ứng dụng các lĩnh vực IoT và nghiên cứu những thách thức liên quan đến các ứng dụng này.

Các giao thức trao đổi bản tin trong IoT Trong IoT, các thiết bị phải giao tiếp được với nhau (D2D). Dữ liệu sau đó phải được thu thập và gửi tới máy chủ (D2S). Máy chủ cũng có để chia sẻ dữ liệu với nhau (S2S), có thể cung cấp lại cho các thiết bị, để phân tích các chương trình, hoặc cho người dùng. Các giao thức có thể dùng trong IoT là: - MQTT: Một giao thức cho việc thu thập dữ liệu và giao tiếp cho các máy chủ (D2S).

- XMPP: Giao thức tốt nhất để kết nối các thiết bị với mọi người, một trường hợp đặc biệt của mô hình D2S, kể từ khi người được kết nối với các máy chủ. e 6  DDS: Giao thức tốc độ cao cho việc tích hợp máy thông minh (D2D).  AMQP: Hệ thống hàng đợi được thiết kế để kết nối các máy chủ với nhau (S2S). * MQTT (Message Queue Telemetry Transport),mục tiêu thu thập dữ liệu và giao tiếp D2S.

Mục đích là đo đạc từ xa, hoặc giám sát từ xa, thu thập dữ liệu từ nhiều thiết bị và vận chuyển dữ liệu đó đến máy trạm với ít xung đột nhất. MQTT nhắm đến các mạng lớn của các thiết bị nhỏ mà cần phải được theo dõi hoặc kiểm soát từ các đám mây. MQTT hoạt động đơn giản, cung cấp nhiều lựa chọn điều khiển và QoS. MQTT không có yêu cầu quá khắt khe về thời gian, tuy nhiên hiều quả của nó là rất lớn, đáp ứng tính thời gian thực với đơn vị tính bằng giây.

Các giao thức hoạt động trên nền tàng TCP, cung cấp các đáp ứng đơn giản, đáng tin cậy.4: Ví dụ về MQTT * XMPP ban đầu được gọi là "Jabber."Nó được phát triển cho các tin nhắn tức thời (IM) để kết nối mọi người với những người khác thông qua tin nhắn văn bản. XMPP là viết tắt của Extensible Messaging và Presence Protocol.5: Ví dụ XMPP XMPP sử dụng định dạng văn bản XML, và cũng tương tự như MQTT chạy, XMPP chạy trên nền tảng TCP, hoặc có thể qua HTTP trên TCP. Sức mạnh chính của nó là một chương trình [e-mail] trong mạng Internet khổng lồ. Khái niệm: Mặc dù IoT được cho là có nhiều lợi ích trong nhiều ứng dụng IoT như nhà thông minh, chăm sóc sức khỏe, giao thông và môi trường, nó cũng được cho là có tác động đáng kể trong ngành bằng cách đạt được hiệu quả hơn, giám sát và kiểm soát tối ưu hóa với giảm chi phí.

IoT được kỳ vọng sẽ mang lại những đổi mới và lợi ích cho ngành công nghiệp dẫn đến khái niệm IIoT. Hệ thống IIoT cho phép ngành công nghiệp thu thập và phân tích một lượng lớn dữ liệu có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất tổng thể của các hệ thống công nghiệp, cung cấp nhiều loại dịch vụ khác nhau. Hệ thống IIoT cũng được cho là sẽ giúp giảm chi phí trong Chi tiêu vốn (CAPEX) và Chi phí hoạt động (OPEX). Nhiều thuật ngữ tương tự được đặt ra để mô tả khái niệm IoT thành Công nghiệp, ví dụ, Công nghiệp 4.0, IoT công nghiệp và Sản xuất thông minh, v.

Khái niệm cốt lõi đằng sau tất cả các thuật ngữ này là việc sử dụng các công nghệ và ứng dụng tiên tiến (ví dụ: IoT, 5G, Điện toán e 8 đám mây, Điện toán Edge / Fog, Máy học, v.) được tối ưu hóa đặc biệt cho các quy trình công nghiệp. Vào năm 2011, một sáng kiến do chính phủ Đức đứng đầu, được gọi là “Công nghiệp 4.0” hoặc đôi khi được gọi là “Công nghiệp 4.0”, đã được đưa ra nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất trong ngành công nghiệp. Nó nhằm mục đích trao đổi và thu thập thông tin trong toàn bộ vòng đời của bất kỳ sản phẩm nào. IIoT được định nghĩa là: IOT công nghiệp (IIoT) là mạng lưới các thành phần công nghiệp thông minh và có tính kết nối cao được triển khai để đạt được tốc độ sản xuất cao với chi phí vận hành giảm thông qua giám sát thời gian thực, quản lý và kiểm soát hiệu quả các quy trình công nghiệp, tài sản và hoạt động thời gian.

IIoT là một tập hợp con của IoT yêu cầu mức độ an toàn, bảo mật và giao tiếp đáng tin cậy cao hơn mà không làm gián đoạn các hoạt động công nghiệp theo thời gian thực do các môi trường công nghiệp quan trọng. Trọng tâm của IIoT là quản lý hiệu quả các hoạt động và tài sản công nghiệp cùng với bảo trì dự đoán.1: Phác thảo sự khác biệt chính giữa các hệ thống IoT và IIoT Danh mục IIoT IoT Lĩnh vực trong tâm Ứng dụng công nghiệp Ứng dụng chung Trọng tâm phát triển Hệ thống công nghiệp Thiết bị thông minh Các biện pháp an ninh Nâng cao và mạnh mẽ Tập trung vào tiện ích và rủi ro Khả năng tương tác CPS Tích hợp Tự chủ Khả năng mở rộng Mạng quy mô lớn Mạng quy mô thấp Độ chính xác và sự Được đồng bộ hóa đến ms Được giám sát nghiêm ngặt chính xác Khả năng lập trình Lập trình tại chỗ từ xa Lập trình off-site dễ dàng Đầu ra Hiệu quả hoạt động Thuận tiện và thuận lợi sử dụng Khả năng phục hồi Yêu cầu khả năng chịu lỗi Không yêu cầu cao Bảo dưỡng Đã lên lịch và lên kế hoạch Người tiêu dùng ưa thích e 9 Mặt khác, Công nghiệp 4.0 là một tập hợp con của IIoT tập trung vào an toàn và hiệu quả trong sản xuất. Sự phát triển của IIoT cũng được mong đợi rộng rãi trong các mạng công nghiệp trong tương lai. IIoT sẽ cho phép các hệ thống Industry 5.0 thu hẹp khoảng cách giữa con người và máy móc và nó sẽ giúp đạt được tầm nhìn cá nhân hóa lớn của Industry 6.

Với những tiến bộ đáng chú ý trong lĩnh vực IoT và IIoT, theo những ước tính sẽ có 70 tỷ thiết bị được kết nối Internet vào năm 2025 và vào năm 2023, thị phần của IIoT trên thị trường toàn cầu sẽ đạt khoảng 14,2 nghìn tỷ đô la Mỹ. Kiến trúc và khung IIoT: Một kiến trúc chung của các hệ thống IIoT đã được thảo luận bởi hiệp hội internet công nghiệp [11], được trình bày trong Hình 1.6 trong đó các thiết bị IIoT và các nguồn dữ liệu công nghiệp tạo ra các luồng dữ liệu liên tục ở Lớp-1 trong khi các máy chủ biên và hệ thống điện toán đám mây trao quyền cho các ứng dụng IIoT ở Lớp -2 và Lớp-3, tương ứng. Các ứng dụng doanh nghiệp được mô tả ở Lớp-4.6 cũng cho thấy luồng dữ liệu và thông tin giữa các lớp khác nhau cũng như nó cho thấy luồng điều phối để quản lý tài nguyên và luồng hoạt động để quản lý tài sản trong mạng công nghiệp.