Phân Tích Và Đánh Giá Các Giao Thức End-to-End Trong Công Nghiệp 4.0 - Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học Máy Tính

• Tác giả: Lê Phương Nam
• Người hướng dẫn: Phó Giáo sư Tiến sĩ Phạm Quốc Cường
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Học Máy Tính
• Đề tài: Phân tích và đánh giá các giao thức E2E trong công nghiệp 4.0
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Công nghiệp 4.0 và Smart Factory
• 1.2. Giao thức truyền thống
• 1.3. Giao thức cho Smart Factory
• 1.3.1. MQTT – Message Queuing Telemetry Transport
• 1.3.2. OPC UA – Open Platform Communications Unified Architecture
• 1.4. Kiến trúc cho ứng dụng công nghiệp 4.0
• 1.5. Hiện thực thử nghiệm
• 1.6. Các vấn đề đặt ra trong nghiên cứu
• 1.6.1. Vấn đề sẽ nghiên cứu
• 1.6.2. Lý do các giao thức này phù hợp trong công nghiệp
• 1.6.3. Lý do chọn vấn đề
• 1.6.4. Giới hạn trong nghiên cứu
• 1.7. Mục tiêu nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: GIAO THỨC RS485 VÀ MODBUS
• 2.1. Cấu tạo
• 2.2. Cơ chế hoạt động
• 2.3. Đánh giá
• 2.4. Hiện thực Modbus485
• 2.4.1. Mở cổng COM
• 2.4.2. Gửi dữ liệu qua Modbus 485
• 2.4.3. Nhận dữ liệu qua Modbus 485
• 2.5. Ưu điểm và hạn chế
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC MQTT
• 3.1. Cấu trúc thành phần
• 3.2. Cơ chế hoạt động
• 3.2.1. Gửi và Nhận Tin nhắn (Publish/Subscribe)
• 3.2.2. Chất lượng dịch vụ (QoS)
• 3.2.3. Ngắt Kết nối (Disconnect)
• 3.2.4. Các chức năng bổ sung khác
• 3.3. Đánh giá
• 3.4. Hiện thực MQTT
• 3.4.1. Kết nối với server
• 3.4.2. Khai báo và đăng kí các sự kiện
• 3.4.3. Gửi dữ liệu lên server
• 3.5. Ưu điểm và hạn chế
• 4. CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC OPC-UA
• 4.1. Cấu trúc giao thức
• 4.1.1. Mô Hình Máy Khách - Máy Chủ (Client-Server Model)
• 4.1.2. Mô Hình Đăng Ký - Phát Hành (Publish-Subscribe Model)
• 4.1.3. Mô Hình Thông Tin (Information Model)
• 4.1.4. Mô Hình Dữ Liệu (Data Model)
• 4.2. Nguyên lý hoạt động của OPC-UA
• 4.2.1. Luồng dữ liệu và kết nối
• 4.2.2. Kiến trúc hướng dịch vụ (Service-oriented architecture) - SOA
• 4.3. Đánh giá
• 4.4. Hiện thực OPC-UA
• 4.4.1. Tạo 1 server OPC-UA
• 4.4.2. Tạo 1 client OPC-UA
• 4.5. Ưu điểm và hạn chế
• 5. CHƯƠNG 5: TÍCH HỢP ỨNG DỤNG
• 5.1. Điều khiển cánh tay máy
• 5.1.1. Giới thiệu ứng dụng
• 5.1.2. Thiết kế hệ thống
• 5.1.3. Hiện thực hệ thống
• 5.1.4. Ứng dụng giám sát thực tế ảo (VR application)
• 5.1.5. Đánh giá hiệu năng
• 5.1.5.1. Đánh giá Module Control
• 5.1.5.2. Đánh giá Module Datacenter
• 5.1.5.3. Đánh giá ứng dụng VR
• 5.1.5.4. Đánh giá thời gian trễ trọn vòng (RTT)
• 5.2. Nông nghiệp với thực tế ảo
• 5.2.1. Giới thiệu ứng dụng
• 5.2.2. Thiết kế hệ thống
• 5.2.3. Kiến trúc các trạm thu thập dữ liệu
• 5.2.3.1. Trạm thu thập dữ liệu thông số không khí và đất trồng
• 5.2.3.2. Trạm thu thập thông số nước
• 5.2.3.3. Trạm camera giám sát khu vườn
• 5.2.4. Thiết kế định dạng của dữ liệu
• 5.2.5. Thiết kế bố cục giao diện cho ứng dụng VR
• 5.2.5.1. Kết nối các trạm với IoTs Server
• 5.2.6. Tích hợp giao thức MQTT vào ứng dụng VR
• 5.2.7. Streaming hình ảnh từ HIKVISION lên ứng dụng Unity
• 5.2.8. Kết quả và đánh giá
• 6. CHƯƠNG 6: TỔNG KẾT
• 6.1. Giao thức Modbus 485
• 6.2. Giao thức MQTT
• 6.3. Giao thức OPCUA
• 6.4. Kết luận
• Danh mục các công trình khoa học
• Tài liệu tham khảo

I. Phân tích giao thức E2E

Phân tích giao thức E2E là trọng tâm của luận văn, tập trung vào việc nghiên cứu các giao thức truyền thông trong Công nghiệp 4.0. Các giao thức như MODBUS RS-485, MQTT, và OPC-UA được phân tích dựa trên các tiêu chí như độ trễ, hiệu năng, năng lượng tiêu thụ, và mức độ bảo mật. Giao thức E2E đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các thiết bị trong Smart Factory, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất và quản lý dữ liệu.

1.1. Giao thức MODBUS RS 485

Giao thức MODBUS RS-485 là một giao thức truyền thống được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Nó hoạt động dựa trên mô hình master-slave, cho phép kết nối nhiều thiết bị qua một kênh truyền duy nhất. Ưu điểm của MODBUS RS-485 là khả năng kháng nhiễu tốt và độ ổn định cao. Tuy nhiên, tốc độ truyền dữ liệu của nó khá chậm, không phù hợp với nhu cầu trao đổi dữ liệu lớn trong Công nghiệp 4.0.

1.2. Giao thức MQTT

Giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một giao thức nhẹ, dựa trên mô hình publish/subscribe, phù hợp cho các ứng dụng IoT. MQTT được đánh giá cao nhờ khả năng truyền dữ liệu nhanh và hiệu quả, đặc biệt trong môi trường có băng thông thấp. Tuy nhiên, MQTT có hạn chế về mức độ bảo mật, cần được cải thiện để đáp ứng yêu cầu của Công nghiệp 4.0.

1.3. Giao thức OPC UA

Giao thức OPC-UA (Open Platform Communications Unified Architecture) là một giao thức hiện đại, hỗ trợ mô hình client-server và publish/subscribe. OPC-UA được thiết kế để đảm bảo tính bảo mật cao và khả năng tương thích với các hệ thống công nghiệp khác nhau. Ưu điểm của OPC-UA là khả năng xử lý dữ liệu phức tạp và hỗ trợ tích hợp với các công nghệ AI và IoT.

II. Đánh giá giao thức E2E

Đánh giá giao thức E2E được thực hiện thông qua các thí nghiệm và so sánh hiệu năng của các giao thức MODBUS RS-485, MQTT, và OPC-UA. Các tiêu chí đánh giá bao gồm độ trễ, hiệu năng, năng lượng tiêu thụ, và mức độ bảo mật. Kết quả cho thấy mỗi giao thức có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau trong Công nghiệp 4.0.

2.1. Đánh giá MODBUS RS 485

MODBUS RS-485 được đánh giá cao về độ ổn định và khả năng kháng nhiễu, nhưng tốc độ truyền dữ liệu thấp là điểm yếu chính. Giao thức này phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp truyền thống, nhưng không đáp ứng được nhu cầu trao đổi dữ liệu lớn trong Công nghiệp 4.0.

2.2. Đánh giá MQTT

MQTT được đánh giá cao về hiệu quả truyền dữ liệu và khả năng hoạt động trong môi trường băng thông thấp. Tuy nhiên, mức độ bảo mật của MQTT cần được cải thiện để đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng công nghiệp hiện đại.

2.3. Đánh giá OPC UA

OPC-UA được đánh giá là giao thức toàn diện nhất, với khả năng xử lý dữ liệu phức tạp và mức độ bảo mật cao. OPC-UA phù hợp cho các ứng dụng Smart Factory và tích hợp với các công nghệ AI và IoT.

III. Ứng dụng giao thức E2E trong Công nghiệp 4

Ứng dụng giao thức E2E trong Công nghiệp 4.0 được thể hiện qua các thí nghiệm thực tế, bao gồm điều khiển cánh tay robot và giám sát nông nghiệp thông minh. Các giao thức MODBUS RS-485, MQTT, và OPC-UA được tích hợp vào các hệ thống này để đánh giá hiệu quả thực tế.

3.1. Điều khiển cánh tay robot

Trong thí nghiệm điều khiển cánh tay robot, OPC-UA được sử dụng để kết nối và điều khiển các thiết bị. Kết quả cho thấy OPC-UA đảm bảo độ chính xác cao và khả năng xử lý dữ liệu phức tạp, phù hợp cho các ứng dụng Smart Factory.

3.2. Giám sát nông nghiệp thông minh

Trong thí nghiệm giám sát nông nghiệp thông minh, MQTT được sử dụng để thu thập và truyền dữ liệu từ các cảm biến. MQTT cho thấy hiệu quả cao trong việc truyền dữ liệu nhanh và ổn định, phù hợp cho các ứng dụng IoT trong nông nghiệp.

IV. Kết luận và đánh giá tổng quan

Luận văn đã phân tích và đánh giá các giao thức E2E trong Công nghiệp 4.0, bao gồm MODBUS RS-485, MQTT, và OPC-UA. Mỗi giao thức có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau. OPC-UA được đánh giá là giao thức toàn diện nhất, trong khi MQTT phù hợp cho các ứng dụng IoT và MODBUS RS-485 vẫn phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp truyền thống.