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.
