CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU Chương | sẽ giới thiệu về tong quan tình hình, bối cảnh xây dựng đề tai, xu hướng IoT hiện nay trên thế giới, vai trò của điện toán đám mây đối với IoT. Bên cạnh đó, nhóm tac giả cũng đưa ra van dé đang tồn tại và mục tiêu hướng đến cũng như đưa ra giới hạn, phạm vi nghiên cứu trong đề tài này.1 Bối cảnh xây dựng đề tài Ô nhiễm môi trường dang là van đề nhức nhối trên thé giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Tại Việt Nam với sự phát trién nhanh chóng của các thành phố lớn cũng dẫn tới việc ô nhiễm môi trường ngày càng tăng lên. Trong đó thành phố Hồ Chí Minh là thành phó lớn nhất và có số dân cư đông nhất Việt Nam, theo như ước tính World Population Review thi năm 2022 [1] dân số thành phố sẽ khoảng 9 triệu người.
Dân cư đông kết hợp với điều kiện đất được đang phát triển, mật độ giao thông lớn, tốc độ đô thị hóa, hiện đại hóa nhanh đã và đang dé lại một số hệ lụy về môi trường như ô nhiễm đất, ô nhiễm nước va dé thấy nhất là ô nhiễm không khí.1 Tình trạng ô nhiém không khí tại TP.2 Tống quan về xu hướng IoT Internet of Things (IoT) mô tả mạng lưới các đối tượng vật lý - “mọi thứ” - được nhúng với các cảm biến, phần mềm và các công nghệ khác nhằm mục đích kết nối và trao đổi dit liệu với các thiết bị và hệ thống khác qua Internet. Các thiết bị này bao gồm từ các đồ vật gia đình thông thường đến các công cụ công nghiệp tinh vi. IoT khiến cho các vật thé trở nên "thông minh" bang cách làm cho chúng có khả năng truyền dữ liệu và tự động hóa các tác vụ mà ít cần bất kỳ sự can thiệp thủ công nào. Một thiết bị IoT có thé đơn giản như một thiết bị theo dõi sức khỏe, hoặc phức tạp như một thành phố thông minh với các cảm biến trên tất cả các khu vực của nó.
Một trong những vi dụ nổi bật nhất về IoT có lẽ là Nhà thông minh. Nó cho phép ta điều khiển mọi thứ trong nhà - từ điều khiên nhiệt độ đến ánh sáng cho đến âm thanh vòm một cách dễ dàng qua các giao diện ứng dụng hay giọng nói. Nói tóm gọn một cách dễ hiểu, bat kỳ đối tượng nào có thé được kết nối và được kiểm soát bởi Internet đều có thê được xem là thiết bị IoT. ig INTERNET Theo báo cáo từ "IoT Analytics Research" [2], bat chap dai dich Covid-19 dang diễn ra, thi trường cho Internet of Things vẫn tiếp tục phát triển.
Vào năm 2020, lần đầu tiên có nhiều kết nói IoT (vi du: ô tô được kết nối, thiết bị nhà thông minh, thiết bi công nghiệp được kết nối) so với các kết nối không phải IoT (điện thoại thông minh, máy tinh xách tay và máy tính). Trong số 21,7 tỷ thiết bị được kết nối đang hoạt động trên toàn thé giới, 11,7 tỷ (hay 54%) sẽ là kết nói thiết bị loT vào cuối năm 2020. Đến năm 2025, dự kiến sẽ có hon 30 tỷ kết nói IoT, trung bình gan 4 thiết bị IoT trên mỗi người. So với một phân tích được thực hiện vào giữa năm 2018, loT Analytics hiện đã nâng dự bao về số lượng thiết bị IoT được kết nối vào năm 2025 (từ 21,5 tỷ lên 30,9 tỷ).
+r ' trlgfT1x thet areperaer rai tn vrviervtarel iT rriwfbeis fie 107 Total number of device connections (incl. Non-loT) 20,08n in 2019~ expected to grow 13% to 41.2Bn in 2025 Hình 1.3 Tổng số thiết bị kết nói từ 2010 — 2025 Thị trường IoT hiện tại dang dần được tăng trưởng mạnh. Các phần mềm và nền tảng IoT dự kiến sẽ tiếp tục thúc day thị trường khi nhiều dit liệu được chuyền lên Cloud dé lưu trữ, tính toán và xử lý, hướng đến áp dụng với các công nghệ Big Data, trí tuệ nhân tạo (AJ) ở Cloud computing.3 Vai trò của điện toán đám mây với IoT Điện toán đám mây (Cloud Computing) là một thuật ngữ chỉ các dịch vụ (Service) được cung cấp qua nền tảng Internet bởi các nhà cung cấp dịch vụ đám mây. Có 3 dạng dịch vụ được cung cấp chính là: e Cơ sở hạ tang như một dịch vụ - Infrastructure as a service (IaaS): cung cấp các hạ tầng về Server ảo, Ô cứng, mạng,.
e Nền tảng như một dịch vụ - Platform as a service (Paas): cung cấp các Platform, Runtime, Middleware,. cho quá trình xây dựng, phát triển, triển khai ứng dụng. e Phần mềm như một dịch vụ - Software as a service (Saas): cung cấp các phan mềm cho người dùng hoặc cho các ứng dụng khác sử dụng trên môi trường Internet. Điện toán đám mây đã và đang là xu thế công nghệ được mọi người sử dụng nhiều nhất với những ưu thé về tốc độ nhanh, khả năng tùy biến, giá cả phải chăng, độ sẵn sang cao, độ tin cậy cao,.
thì điện toán đám mây đã phát triển nhanh chóng và kết hợp vào rất nhiều ngành nghè, lĩnh vực, công nghệ khác. | SMART ULL ENG: || a Hình 1.4 Minh hoa mối liên hệ giữa IoT va Cloud Computing Trong thời đại Internet of Things và Cloud Computing cả hai công nghệ đã kết hợp dé khắc phục các nhược điểm cho nhau. Day cũng là một trong những công nghệ sẽ được đây mạnh phát triển trong bối cảnh cách mạng công nghệ 4.0 hướng đến cách mạng công nghệ 5.0 cùng với công nghệ trí tuệ nhân tạo, công nghệ kết nối tốc độ cao 5G,. kết hợp với nhau dé tạo thành một hệ sinh thái công nghệ mà Robot sẽ có thé được hiện thực dé giúp đỡ con người lao động.4 Sự ra đời của điện toán biên Với sự kết hợp của 2 công nghệ là Internet of Things và Cloud Computing đã phát sinh một số vấn đề và sinh ra công nghệ điện toán biên (Edge Computing) — công nghệ đã giải quyết được van dé sinh ra khi kết hợp 2 công nghệ trên.
Điện toán biên (Edge Computing) — phương pháp tối ưu hóa hệ thống Cloud Computing bằng cách phân vùng và xử lý dit liệu tại vùng biên của của hệ thống — nguồn đữ liệu được sinh ra. Edge Computing giải quyết các vấn đề sau: e Giới hạn và tốc độ xử lý của Cloud Computing: khả năng tính toán chi tập trung tại Data Center cụ thể có thé giới hạn tốc độ xử lý của hệ thống do vấn dé về băng thông, khả năng tính toán — không nhà cung cấp nao cũng có thé đáp ứng mọi yêu cầu. e Giảm thiểu ảnh hưởng độ trễ đến ứng dụng: Một số ứng dụng yêu cầu độ trễ thấp hoặc thời gian thực (Realtime) thì khả năng đáp ứng của Cloud Computing giảm do các Data Center đặt ở các địa điểm có định và khả năng truyền tải của đường truyền. e Bảo mật dữ liệu: Dữ liệu và thiết bị IoT có khả năng bảo mật thấp hơn bình thường do bị giới hạn về khả năng tính toán và lưu trữ.
Khi đó Edge Computing sẽ có vài trò xử lý các thông tin nhạy cảm khi được sinh ra và mã hóa với giải thuật phức tạp hơn trong quá trình truyền làm tăng khả năng bảo mật của hệ thống. e Khả năng đưa các công nghệ tiên tiễn như trí tuệ nhân tao, máy học, học sâu, caching,. đến vùng biên tăng cường độ sẵn sàng và tin cậy của hệ thống. Với một số ưu điểm trên thi Edge Computing được ví như “ngõ ra” của các thiết bị loT và “cánh tay nói dai” của Cloud Computing.2 Phat biểu vấn dé và mục tiêu hướng đến 1.1 Phát biểu vấn đề Với khát khao bảo vệ môi trường, bảo vệ cuộc sông tương lai của không chi ban thân mà còn của tất cả mọi người, nhóm sinh viên muốn xây dựng một hệ thống có thé cảnh báo, bảo vệ, phản ánh trung thực nhất về hiện trạng môi trường, nâng cao nhận thức của mọi người về tác hại của ô nhiễm môi trường.
Nhóm đề xuất xây dựng một hệ thống giám sát chỉ số chất lượng không khí ứng dụng điện toán biên kết kết hợp trí tuệ nhân tạo ứng dụng công nghệ Container. Trong đó nền tảng công nghệ về IoT và Cloud Computing đóng vai trò tiên quyết trong quá trình thu thập, truyền tải, lưu trữ dir liệu. Các công nghệ khác liên quan sẽ bổ trợ cho quá trình thiết thập hệ thống, xử lý dữ liệu, góp phần xây dựng một mô hình phát triên và triên khai ứng dụng cho điện toán biên.2 Mục tiêu hướng đến 1. Tìm hiểu, lập trình, xây dựng các ứng dụng xử lý dit liệu tại biên áp dụng ý tưởng điện toán biên (Edge Computing) dé giải quyết các khó khăn trong mô hình Cloud-IoT truyền thống: van đề về độ trễ phản hồi, giảm tải tính toán ở trung tâm dữ liệu đám mây, áp dụng ứng dụng trí tuệ nhân tạo để phân tích xử lý tại rìa cận biên.
Phát triển ứng dụng cụ thể vào ngữ cảnh giám sát chất lượng không khí tại các trạm quan trắc với mục đích thu thập dữ liệu, báo cáo, cảnh báo và dự đoán mức độ ô nhiễm ảnh hưởng tới sức khoẻ của con người. Tìm hiểu và ứng dụng công nghệ Container đề hoàn thiện quy trình phát triển và triển khai (Continuous Integration, Continuous Delivery/Deployment Pipeline) cho dự án điện toán biên. Kiểm tra kết quả với các kịch bản thực nghiệm cụ thé từ đó đưa ra kết luận về khả năng áp dụng, tích hợp vào thực tế cũng như các hướng phát triển tiềm năng trong tương lai 1.3 Phương pháp luận và kết quả Phương pháp luận cho đề tài được trình bày qua việc phân tích thiết kế hệ thông qua thiết kế mô hình phân rã cấu trúc hệ thống, đặc tả và thiết kế mô hình ngữ cảnh, thiết kế mô hình luồng dữ liệu, thiết kế kiến trúc hạ tang cho hệ thống va các giải thuật sử dụng. Kết quả định lượng được ghi nhận qua các lần đánh giá, kiểm thử hệ thống ở các kịch bản khác nhau.
Từ đó so sánh và đưa ra kết luận.4 Phạm vi và giới hạn của đề tài 1.1 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu Pham vi nghiên cứu e_ Vị trí lắp đặt: o Sensor Node: nơi có khả năng ô nhiễm cao cần được theo dõi như dọc theo đường giao thông, trong các khu dân cư, trường học, bệnh viện, khu công nghiệp,. o Edge Computing: nơi thoáng, cao như trên các cao ốc trong khu dân cư, các điểm trung tâm tập trung nhiều Sensor Node xung quanh. e_ Đối tượng giám sát: Dữ liệu về chất lượng không khí như: nồng độ bụi, nồng độ các khí nhà kính, nồng độ khí độc hại.