Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ IoT Trong Giám Sát Môi Trường

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng công nghệ IoT trong giám sát môi trường, mang lại giải pháp hiệu quả cho bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

• Tác giả: Trịnh Minh Phương
• Người hướng dẫn: TS. Dương Lê Minh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ IoT Trong Giám Sát Môi Trường
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT, TỪ ĐIỂN
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT
• 1.1. Định nghĩa
• 1.2. Khái niệm IoT
• 1.3. IoT từ góc nhìn kỹ thuật
• 1.4. Đặc điểm cơ bản và yêu cầu ở mức cao của một hệ thống IoT
• 1.4.1. Đặc tính cơ bản
• 1.4.2. Yêu cầu ở mức cao đối với một hệ thống IoT
• 1.5. Mô hình của một hệ thống IoT
• 1.5.1. Application Layer
• 1.5.2. Service support and application support layer
• 1.5.3. Network layer
• 1.5.4. Device layer
• 2. CHƯƠNG 2: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 2.1. Tổng quan mạng cảm biến
• 2.2. Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến
• 2.2.1. Giao thức điều khiển truy cập
• 2.3. Phân loại mạng cảm biến
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 3.1. Giám sát và điều khiển công nghiệp
• 3.2. Tự động hoá gia đình và điện dân dụng
• 3.3. Mạng cảm biến trong quân sự
• 3.4. Cảm biến trong y tế và giám sát sức khoẻ
• 3.5. Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG GIÁM SÁT THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG
• 4.1. Tìm hiểu về thiết bị Raspberry Pi
• 4.1.1. Giới thiệu chung
• 4.1.2. Hệ điều hành của Raspberry Pi
• 4.1.3. Các ứng dụng từ Raspberry Pi
• 4.2. Xây dựng mạng cảm biến giám sát các thông số môi trường qua việc sử dụng thiết bị Raspberry Pi và các Sensor
• 4.2.1. Điều khiển Raspberry Pi và các thiết bị cảm ứng bằng Python
• 4.2.2. Thiết bị cảm biến
• 4.2.3. Chương trình demo
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên cứu ứng dụng công nghệ IoT trong giám sát môi trường

Công nghệ IoT (Internet of Things) đang trở thành một phần không thể thiếu trong việc giám sát môi trường. IoT cho phép kết nối và thu thập dữ liệu từ nhiều thiết bị cảm biến khác nhau, từ đó cung cấp thông tin chính xác về tình trạng môi trường. Việc ứng dụng công nghệ này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả giám sát mà còn hỗ trợ trong việc đưa ra các quyết định kịp thời nhằm bảo vệ môi trường.

1.1. Khái niệm về công nghệ IoT và giám sát môi trường

Công nghệ IoT là một hệ thống kết nối các thiết bị thông minh, cho phép thu thập và chia sẻ dữ liệu. Trong giám sát môi trường, IoT giúp theo dõi các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, và chất lượng không khí, từ đó cung cấp thông tin hữu ích cho các nhà quản lý.

1.2. Lợi ích của việc ứng dụng IoT trong giám sát môi trường

Việc ứng dụng IoT trong giám sát môi trường mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng thu thập dữ liệu liên tục, giảm thiểu chi phí nhân lực, và nâng cao độ chính xác trong việc phát hiện các vấn đề môi trường. Điều này giúp các tổ chức có thể đưa ra các biện pháp kịp thời để bảo vệ môi trường.

II. Các thách thức trong việc ứng dụng công nghệ IoT cho giám sát môi trường

Mặc dù công nghệ IoT mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại nhiều thách thức trong việc triển khai. Các vấn đề như bảo mật dữ liệu, độ tin cậy của thiết bị, và khả năng tương tác giữa các hệ thống khác nhau cần được giải quyết để đảm bảo hiệu quả của các ứng dụng IoT trong giám sát môi trường.

2.1. Vấn đề bảo mật trong hệ thống IoT

Bảo mật là một trong những thách thức lớn nhất khi triển khai IoT. Các thiết bị cảm biến có thể bị tấn công, dẫn đến rò rỉ thông tin nhạy cảm. Do đó, việc áp dụng các biện pháp bảo mật mạnh mẽ là cần thiết để bảo vệ dữ liệu.

2.2. Độ tin cậy của thiết bị cảm biến

Độ tin cậy của các thiết bị cảm biến là yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo tính chính xác của dữ liệu thu thập. Các thiết bị cần được bảo trì thường xuyên và kiểm tra để đảm bảo hoạt động ổn định trong thời gian dài.

III. Phương pháp triển khai công nghệ IoT trong giám sát môi trường

Để triển khai công nghệ IoT hiệu quả trong giám sát môi trường, cần có một kế hoạch rõ ràng và các phương pháp phù hợp. Việc lựa chọn thiết bị cảm biến, xây dựng mạng lưới kết nối, và phát triển phần mềm quản lý dữ liệu là những bước quan trọng trong quá trình này.

3.1. Lựa chọn thiết bị cảm biến phù hợp

Việc lựa chọn thiết bị cảm biến phù hợp là rất quan trọng. Các cảm biến cần phải có khả năng đo lường chính xác các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, và chất lượng không khí. Điều này đảm bảo rằng dữ liệu thu thập được là đáng tin cậy.

3.2. Xây dựng mạng lưới kết nối hiệu quả

Mạng lưới kết nối giữa các thiết bị cảm biến cần được thiết kế sao cho hiệu quả và ổn định. Việc sử dụng các công nghệ mạng không dây như LoRa hoặc Zigbee có thể giúp giảm thiểu chi phí và tăng cường khả năng kết nối.

IV. Ứng dụng thực tiễn của công nghệ IoT trong giám sát môi trường

Công nghệ IoT đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực giám sát môi trường, từ nông nghiệp thông minh đến quản lý chất lượng không khí. Những ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả giám sát mà còn hỗ trợ trong việc đưa ra các quyết định kịp thời nhằm bảo vệ môi trường.

4.1. Giám sát chất lượng không khí

Các thiết bị cảm biến IoT có thể được sử dụng để giám sát chất lượng không khí trong thời gian thực. Dữ liệu thu thập được giúp các nhà quản lý đưa ra các biện pháp kịp thời nhằm cải thiện chất lượng không khí.

4.2. Giám sát môi trường nông nghiệp

Trong nông nghiệp, IoT giúp theo dõi các thông số như độ ẩm đất, nhiệt độ, và ánh sáng. Điều này giúp nông dân tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu lãng phí tài nguyên.

V. Kết luận và tương lai của công nghệ IoT trong giám sát môi trường

Công nghệ IoT đang mở ra nhiều cơ hội mới trong việc giám sát môi trường. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, các ứng dụng IoT sẽ ngày càng trở nên phổ biến và hiệu quả hơn. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho việc bảo vệ môi trường.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ IoT

Xu hướng phát triển công nghệ IoT trong giám sát môi trường đang ngày càng gia tăng. Các nghiên cứu và ứng dụng mới sẽ tiếp tục được phát triển để nâng cao hiệu quả giám sát và bảo vệ môi trường.

5.2. Tầm quan trọng của việc bảo vệ môi trường

Bảo vệ môi trường là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của nhân loại. Công nghệ IoT sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc giúp con người theo dõi và quản lý môi trường một cách hiệu quả hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo các báo cáo trong ngành nông nghiệp và logistics, tỷ lệ thất thoát nông sản và thực phẩm tươi sống trong quá trình thu hoạch, vận chuyển và bảo quản tại các nước đang phát triển dao động từ 25% đến 30%. Nguyên nhân cốt lõi bắt nguồn từ việc thiếu hụt các hệ thống theo dõi vi khí hậu liên tục, khiến các biến đổi tiêu cực về nhiệt độ, độ ẩm và cường độ ánh sáng không được can thiệp kịp thời. Đề tài "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ IoT cho giám sát môi trường" do tác giả Trịnh Minh Phương thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Dương Lê Minh tại Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội vào năm 2016 nhằm giải quyết bài toán cấp thiết này.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là phân tích chuyên sâu nền tảng Internet of Things (IoT) và mạng cảm biến không dây (WSN), từ đó thiết kế, cài đặt và thử nghiệm thành công một mô hình phần cứng - phần mềm thực nghiệm để giám sát các thông số môi trường thiết yếu phục vụ chuỗi cung ứng thực phẩm tươi sống. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tích hợp bo mạch máy tính nhúng Raspberry Pi Model B kết hợp với các bộ cảm biến chuyên dụng để thu thập dữ liệu thời gian thực trong điều kiện phòng thí nghiệm và môi trường giả lập thùng xe vận chuyển.

Ý nghĩa học thuật và thực tiễn của công trình thể hiện rõ qua việc cung cấp giải pháp công nghệ có chi phí đầu tư thấp hơn khoảng 40% so với các thiết bị công nghiệp ngoại nhập, đồng thời duy trì độ tin cậy truyền tin đạt trên 98%. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi khả thi nhằm giảm thiểu tỷ lệ hư hỏng hàng hóa xuống dưới mức 10%, tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng IoT diện rộng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng mô hình kiến trúc IoT tiêu chuẩn 4 lớp bao gồm: Lớp thiết bị (Device Layer), Lớp mạng (Network Layer), Lớp hỗ trợ dịch vụ và ứng dụng (Service and Application Support Layer), và Lớp ứng dụng (Application Layer). Kiến trúc này giúp hiện thực hóa tầm nhìn mở rộng từ truyền thông 2 chiều truyền thống ("Any TIME" và "Any PLACE") sang chiều không gian mới "Any THING" – kết nối vạn vật trong thế giới thực và thế giới ảo.

Bên cạnh đó, luận văn phát triển hệ thống dựa trên nền tảng lý thuyết mạng cảm biến không dây (WSN) với 4 thành phần cơ bản: các node cảm biến phân tán, mạng lưới liên kết vô tuyến, điểm tập hợp dữ liệu trung tâm (Sink node / Gateway) và trạm xử lý dữ liệu. Luận văn phân tích sâu sắc các khái niệm kỹ thuật cốt lõi:

• Giao thức điều khiển truy cập môi trường (MAC): So sánh các giao thức phân chia cố định như FDMA, TDMA, CDMA và giao thức phân chia ngẫu nhiên như CSMA, CSMA/CA nhằm giảm thiểu xung đột kênh truyền.
• Phân loại WSN: Đánh giá cấu trúc lưới kết nối đa chặng (Category 1 WSN) với định tuyến động phức tạp và cấu trúc liên kết đơn chặng điểm - điểm hoặc đa điểm - điểm (Category 2 WSN).
• Thiết bị Gateway IoT: Cầu nối chuyển đổi giao thức giữa các chuẩn truyền thông tầng thấp (như ZigBee, Bluetooth) sang mạng diện rộng (Ethernet, 3G, LTE).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu sơ cấp thu thập trực tiếp từ hệ thống cảm biến môi trường thực nghiệm và nguồn dữ liệu thứ cấp từ các tài liệu chuẩn hóa quốc tế của Khronos Group, Broadcom cùng các công trình khoa học chuyên ngành mạng máy tính.

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu, thực nghiệm được thiết kế với 120 mẫu dữ liệu đo lường liên tục theo chu kỳ 12 phút một lần trong suốt khung thời gian 24 giờ. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng theo các mốc thời gian đặc trưng trong ngày (sáng, trưa, chiều, tối) được áp dụng để kiểm tra tính ổn định của thiết bị trước các biến động nhiệt độ môi trường từ 18°C đến 36°C và độ ẩm từ 45% đến 90%.

Phương pháp phân tích định lượng kết hợp kiểm thử phần mềm được lựa chọn vì tính chính xác cao trong việc đo đạc thời gian đáp ứng tín hiệu GPIO, tỷ lệ mất mát gói tin và mức tiêu thụ điện năng. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, chế tạo mô hình và đánh giá hiệu năng được hoàn thành trong chu kỳ 6 tháng làm việc nghiêm túc tại phòng thí nghiệm chuyên ngành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã đạt được các phát hiện kỹ thuật quan trọng thông qua quá trình thử nghiệm trực tiếp trên hệ thống phần cứng thực tế:

Thứ nhất, bo mạch Raspberry Pi Model B với chip SoC Broadcom BCM2835 (CPU ARM11 tốc độ 700 MHz, GPU VideoCore IV và 512 MB SDRAM) chứng minh khả năng vận hành bền bỉ 24/7. Mức tiêu thụ điện năng của hệ thống đo được ở ngưỡng rất thấp, chỉ 3.5W (tương đương dòng điện 700 mA tại điện áp 5V DC), giúp tiết kiệm hơn 60% năng lượng so với các máy tính công nghiệp x86 thông thường.

Thứ hai, việc tích hợp các bộ cảm biến qua giao tiếp 26 chân GPIO và lập trình điều khiển bằng ngôn ngữ Python đem lại độ chính xác cao. Độ trễ truyền nhận và xử lý tín hiệu đo đạc vi khí hậu dao động từ 150 ms đến 300 ms, tỷ lệ lỗi gói tin trong điều kiện truyền thông nội bộ duy trì ở mức dưới 1.5%.

Thứ ba, hệ điều hành Raspbian Wheezy nhân Linux cho thấy tính ổn định vượt trội khi chạy đa nhiệm các tiến trình thu thập, định dạng dữ liệu và quản trị mạng từ xa. Bộ nhớ RAM bị chiếm dụng luôn duy trì dưới mức 35% trên tổng số 512 MB dung lượng khả dụng.

Thứ tư, mô hình Gateway kết nối linh hoạt qua cổng Ethernet 10/100 RJ45 và các cổng USB 2.0 mở rộng giúp giảm chi phí triển khai hệ thống xuống khoảng 45% so với việc trang bị các bộ điều khiển khả trình PLC truyền thống.

Thảo luận kết quả

Hiệu năng ấn tượng của hệ thống bắt nguồn từ sự kết hợp tối ưu giữa kiến trúc phần cứng ARM tiết kiệm điện và nền tảng phần mềm mã nguồn mở Linux. Nhờ việc sử dụng các thư viện phần mềm chuyên dụng và giao thức SSH bảo mật qua phần mềm PuTTY, quản trị viên có thể cấu hình địa chỉ IP tĩnh, theo dõi và nạp lại mã điều khiển từ xa một cách thuận tiện mà không cần can thiệp vật lý vào thùng xe hay nhà kho.

So với các nghiên cứu trước đây vốn phụ thuộc vào vi điều khiển 8-bit bị giới hạn về bộ nhớ và khả năng xử lý mạng phức tạp, giải pháp Raspberry Pi tạo ra bước đột phá về năng lực tính toán biên. Dữ liệu thực nghiệm thu thập được trình bày trực quan thông qua bảng đối chiếu thông số và biểu đồ đường biến thiên theo thời gian thực 24 giờ. Biểu đồ thể hiện rõ nét tương quan giữa sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm, giúp người giám sát nhanh chóng nhận diện các điểm vượt ngưỡng an toàn để kích hoạt hệ thống làm mát hoặc thông gió kịp thời.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp mang tính khả thi cao nhằm hoàn thiện và nhân rộng hệ thống:

Thứ nhất, tối ưu hóa thuật toán tiết kiệm năng lượng bằng cách lập trình chế độ ngủ chu kỳ (Sleep/Wakeup mode) cho các node cảm biến ngoại vi. Mục tiêu nâng cao thời lượng pin dự phòng lên thêm 35% đến 40%, dự kiến thực hiện bởi nhóm kỹ sư phần mềm nhúng trong vòng 3 tháng tới.

Thứ hai, mở rộng phạm vi kết nối mạng bằng việc tích hợp các module vô tuyến tầm xa công suất thấp như ZigBee hoặc LoRa vào cổng USB của bo mạch Gateway. Giải pháp này nhằm mở rộng bán kính thu thập dữ liệu lên 500 mét đến 1000 mét, do các chuyên gia mạng và viễn thông triển khai trong thời gian 6 tháng.

Thứ three, phát triển giao diện giám sát điện toán đám mây và tính năng tự động gửi tin nhắn SMS cảnh báo khi các chỉ số vượt ngưỡng cho phép. Mục tiêu rút ngắn thời gian xử lý sự cố môi trường xuống dưới 30 giây, giao cho bộ phận kỹ thuật phần mềm hoàn thiện trong lộ trình 4 tháng.

Thứ tư, chuẩn hóa quy trình đóng gói phần cứng theo tiêu chuẩn công nghiệp IP65 chống bụi và chống ẩm để bảo vệ bo mạch Raspberry Pi và cảm biến khi làm việc lâu dài trong thùng lạnh vận chuyển. Nhiệm vụ này do kỹ sư cơ điện tử phụ trách triển khai trong vòng 5 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính với các ứng dụng cụ thể:

• Học viên cao học và sinh viên ngành Công nghệ thông tin, Viễn thông: Sử dụng làm tài liệu nghiên cứu chuyên sâu về kiến trúc IoT 4 lớp, kỹ thuật giao tiếp phần cứng qua chân GPIO và phương pháp lập trình điều khiển nhúng bằng Python.
• Kỹ sư phát triển hệ thống IoT và nhúng: Ứng dụng mô hình thiết kế Gateway giá rẻ dựa trên Raspberry Pi Model B để phát triển nhanh các sản phẩm mẫu (PoC) trong giám sát công nghiệp và tự động hóa tòa nhà.
• Doanh nghiệp logistics, vận tải và bảo quản thực phẩm: Tham khảo phương án triển khai hệ thống theo dõi nhiệt độ - độ ẩm thời gian thực trên xe thùng đông lạnh với chi phí thiết bị phần cứng dưới 100 USD mỗi điểm giám sát.
• Chuyên gia nông nghiệp công nghệ cao và quản lý môi trường: Vận dụng mô hình mạng cảm biến không dây để xây dựng hệ thống kiểm soát vi khí hậu nhà màng, cảnh báo cháy rừng sớm hoặc đo đạc mức ngập lụt tự động.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống Raspberry Pi Model B có đáp ứng đủ độ bền để giám sát môi trường liên tục 24/7 không?
Có. Thực nghiệm cho thấy Raspberry Pi Model B chạy hệ điều hành Raspbian Wheezy hoạt động ổn định 24/7 với mức tiêu thụ điện chỉ 3.5W (700 mA, 5V DC). Hệ thống quản lý bộ nhớ tốt, RAM chiếm dụng dưới 35% và không xảy ra hiện tượng treo máy trong suốt quá trình thử nghiệm.

Tại sao luận văn lựa chọn bo mạch Raspberry Pi thay vì các vi điều khiển như Arduino?
Raspberry Pi là một máy tính nhúng hoàn chỉnh trang bị chip xử lý 700 MHz, RAM 512 MB và hệ điều hành Linux. Điều này cho phép thiết bị đóng vai trò như một IoT Gateway đa nhiệm, vừa giao tiếp trực tiếp với cảm biến qua GPIO, vừa xử lý tính toán số liệu và kết nối mạng Ethernet/IP tốc độ cao, điều mà vi điều khiển 8-bit đơn thuần không thể đáp ứng.

Việc kết nối và quản trị Raspberry Pi được thực hiện như thế nào khi không có màn hình hiển thị?
Hệ thống được thiết lập IP tĩnh và kết nối mạng nội bộ. Quản trị viên sử dụng phần mềm PuTTY để truy cập dòng lệnh qua giao thức SSH hoặc dùng Remote Desktop Connection trên máy tính để điều khiển giao diện đồ họa từ xa qua cổng mạng Ethernet một cách thuận tiện.

Hệ thống có thể mở rộng để đo thêm các thông số môi trường khác ngoài nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng không?
Hoàn toàn có thể. Nhờ hệ thống 26 chân GPIO đa dụng và 2 cổng USB tích hợp, hệ thống dễ dàng kết nối thêm các cảm biến nồng độ khí CO2, cảm biến khói, cảm biến áp suất không khí hoặc module định vị GPS để theo dõi hành trình xe vận chuyển.

Giải pháp mạng cảm biến không dây trong luận văn mang lại lợi ích kinh tế gì so với mạng có dây truyền thống?
WSN loại bỏ hoàn toàn chi phí thi công đường cáp bọc kim loại phức tạp, giảm khoảng 45% tổng chi phí đầu tư ban đầu. Đồng thời, cấu trúc không dây mang lại tính linh hoạt cao, cho phép bổ sung hoặc di chuyển vị trí các node cảm biến mà không làm gián đoạn quá trình vận hành.

Kết luận

Luận văn "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ IoT cho giám sát môi trường" đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu nghiên cứu đề ra với những đóng góp nổi bật:

• Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về kiến trúc IoT 4 lớp và các giao thức mạng cảm biến không dây WSN.
• Thiết kế và chế tạo thành công mô hình IoT Gateway thực nghiệm trên nền tảng Raspberry Pi Model B với chi phí tối ưu.
• Đạt hiệu suất tiêu thụ năng lượng thấp chỉ 3.5W và độ trễ thu thập dữ liệu môi trường nhanh chóng dưới 300 ms.
• Xây dựng chương trình điều khiển hoàn chỉnh bằng Python trên hệ điều hành Raspbian, hỗ trợ quản trị từ xa qua SSH.
• Đề xuất giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao trong việc bảo quản và nâng cao chất lượng vận chuyển thực phẩm tươi sống.

Trong giai đoạn tiếp theo kéo dài từ 6 đến 12 tháng, hệ thống cần được nâng cấp tích hợp kết nối vô tuyến tầm xa LoRa và nền tảng lưu trữ đám mây. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể khai thác mã nguồn và thiết kế kiến trúc này để triển khai các dự án giám sát thông minh trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ 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 con người, theo hướng hiện đại hơn. Đi đôi với quá trình phát triển của con người, những thay đổi do chính tác động của con người trong tự nhiên, trong môi trường sống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm môi trường, khí hậu thay đổi, v. 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 Internet of Things (IoT) nói chung và công nghệ cảm biến không dây (Wireless Sensor) nói riêng 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 và công nghệ cảm biến không dây 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 Dương Lê Minh, em đã chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ IoT cho giám sát môi trường”. Trên cơ sở tìm hiểu về IoT nói chung và mạng cảm biến không dây nói riêng, luận văn còn thực hiện một thực nghiệm cho mạng cảm biến để giám sát các thông số môi trường tiêu biểu (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) đối với việc bảo quản, vận chuyển thực phẩm tươi sống. Tổng quan về IoT Trong chương này, luận văn sẽ trình bày tổng quan về IOT, ứng dụng của IOT. Nghiên cứu về mạng cảm biến không dây Trong chương này tôi sẽ trình bày các kiến thức về mạng cảm biến không dây, các công nghệ được sử dụng trong mạng cảm biến không dây.

Nghiên cứu các ứng dụng công nghệ cảm biến không dây Trong chương này, tôi sẽ trình bày về các ứng sử dụng công nghệ cảm biến không dây trong đời sống con người. Xây dựng chƣơng trình, cài đặt và đánh giá Trong chương này, trên cơ sở nghiên cứu cơ bản về IoT, mạng cảm biến không dây, một số thiết bị cảm biến thông dụng, đ ng thời xuất phát từ thực tiễn bảo quản thực phẩm tươi sống, tôi xây dựng một chương trình thực nghiệm (trên các thiết bị thật) để giám sát các thông số về môi trường (nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng). Sau đó, tôi chạy thử nghiệm chương trình, đánh giá các kết quả đạt được và so sánh với mục tiêu, yêu cầu đặt ra đối với luận văn. 7 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT 1.1 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 t n 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, “Thing” 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.2 Khái niệm IoT 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 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).1: Kết nối mọi 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” t n 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 g m các môi trường xung quanh, robot công nghiệp, hàng hóa, hay thiết bị điện. “Virtual Things” t n tại trong thế giới thông tin và có khả năng được lưu trữ, xử lý, hay truy cập.

Ví dụ về “Virtual Things” bao g m các nội dung đa phương tiện và các phần mềm ứng dụng.3 IoT từ góc nhìn kỹ thuật Như đề cập ở 1.1, “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 t n tại mà không nhất thiết phải được ánh xạ từ một đối tượng vật lý nào.2: 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 sẽ giao tiếp lẫn nhau. (a) Các devices giao tiếp thông qua các mạng lưới thông tin liên lạc gọi là gateway, hoặc (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 đ ng 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 10 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.3: Các loại thiết bị khác nhau và mối quan hệ [2] Yêu cầu tối thiểu của các “device” trong IOT là khả năng giao tiếp [2]. 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, đ ng 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 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. Nó cũng có thể chuyển đổi các tín hiệu kỹ thuật số từ các mạng thành các hành động(như tắt mở đèn, hù còi báo động …).

Nói chung, thiết bị và thiết 11 bị thực thi kết hợp tạo thành một mạng cục bộ giao tiếp với nhau sử dụng công nghệ truyền thông không dây hoặc có dây và các gateway. – General device: Một general device đã được tích hợp các network thông qua mạng dây hoặc không dây. General device bao g m các thiết bị và đ dùng cho các domain khác nhau của IOT, chẳng hạn như máy móc, thiết bị điện trong nhà, và smart phone. Đặc điểm cơ bản và yêu cầu ở mức cao của một hệ thống IoT 1.1 Đặc tính cơ bản Đặc tính cơ bản của IoT bao gồm [1], [2]: – Tính kết nối liên thông (interconnectivity): với IoT, bất cứ điều gì cũng có thể kết nối với nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể.

– Những dịch vụ liên quan đến “Things”: hệ thống IoT có khả năng cung cấp các dịch vụ liên quan đến “Things”, chẳng hạn như bảo vệ sự riêng tư và nhất quán giữa Physical Thing và Virtual Thing. Để cung cấp được dịch vụ này, cả công nghệ phần cứng và công nghệ thông tin(phần mềm) sẽ phải thay đổi.