TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu phát triển IoT Gateway dựa trên nền tảng mã nguồn mở - ứng dụng trong quản lý và giám sát thiết bị từ xa HOÀNG TUẤN NAM Nam.vn Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá Giảng viên hướng dẫn: PGS. Nguyễn Quốc Cường Chữ ký của GVHD Bộ môn: Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp Viện: Điện HÀ NỘI, 03/2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Hoàng Tuấn Nam Đề tài luận văn: Nguyên cứu phát triển IoT Gateway dựa trên nền tảng mã nguồn mở - ứng dụng trong quản lý và giám sát thiết bị từ xa Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số SV: CB190090 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 05/05/2022 với các nội dung sau: 1: Yêu cầu nêu rõ bài toán thiết kế, đóng góp khoa học, tính toán mô hình và giải quyết bài toán. 2: Sửa lại hình vẽ và tài liệu cho phù hợp. Ngày 20 tháng 6 năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Nguyên cứu phát triển IoT Gateway dựa trên nền tảng mã nguồn mở - ứng dụng trong quản lý và giám sát thiết bị từ xa.
Giáo viên hướng dẫn Ký và ghi rõ họ tên Lời cảm ơn Đầu tiên, tôi xin cảm ơn bố mẹ, anh chị em của tôi đã luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ tôi trong cuộc sống và tạo điều kiện để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tiếp theo, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS. Nguyễn Quốc Cường, người đã hướng dẫn tôi trong suốt luận văn này từ khâu lên kế hoạch thực hiện, kiểm tra tiến độ đến đánh giá kết quả. Bên cạnh đó tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô đang công tác và giảng dạy tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung và Viện Điện nói riêng, vì đã tạo cho tôi một môi trường học tập và nghiên cứu năng động, giúp tôi trang bị những kiến thức, kỹ năng cần thiết cho quá trình làm việc, học tập và nghiên cứu sau này.
Tôi cũng xin cảm ơn bạn sinh viên Phan Văn Hải K60 của nghành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn này. Do thời gian và kiến thức có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô. Tôi xin chân thành cảm ơn! Tóm tắt nội dung luận văn Trong những năm gần đây, nhiều tổ chức đã đưa ra nhiều dự án điện toán biên mã nguồn mở phục vụ cho một số ứng dụng khác nhau, góp phần đẩy nhanh sự phát triển của điện toán biên.
Khi dưa điện toán biên vào hệ thống IoT (Internet vạn vật), là một thiết bị cần thiết để đưa sức mạnh điện toán biên vào các hệ thống đó là IoT Gateway. Trong luận văn tốt nghiệp này, tôi đã chọn đề tài như sau: “Nguyên cứu phát triển IoT Gateway dựa trên nền tảng mã nguồn mở - ứng dụng trong quản lý và giám sát thiết bị từ xa” nhằm phục vụ mục đích giám sát trạng thái thiết bị. Để tài thực hiện việc lựa chọn nền tảng mã nguồn mở phù hợp để nghiên cứu tên là EdgeX Foundry; xây dụng, đề xuất mô hình triển khai vi dịch vụ thiết bị trong nền tảng; sau đó áp dụng những đề xuất đó để triển khai thiết bị IoT Gateway cho việc quản lý và giám sát thiết bị. HỌC VIÊN Ký và ghi rõ họ tên i ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài: “Nguyên cứu phát triển IoT Gateway dựa trên nền tảng mã nguồn mở - ứng dụng trong quản lý và giám sát thiết bị từ xa” là một công trình nghiên cứu độc lập không có sự sao chép của người khác.
Đề tài là một sản phẩm mà tôi đã nỗ lực nghiên cứu trong quá trình học tập tại trường. Trong quá trình viết bài có sự tham khảo một số tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Quốc Cường – Bộ môn Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp – Viện Điện - trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin cam đoan nếu có vấn đề gì tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
HỌC VIÊN Ký và ghi rõ họ tên iii iv MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU:. TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TOÁN BIÊN VÀ LỰA CHỌN NỀN TẢNG IOT GATEWAY .1 Giới thiệu về điện toán biên: .1 Điện toán biên: .2 Ưu điểm và hạn chế của điện toán biên: .2 Ứng dụng điện toán biên trong Iot Gateway.3 Lựa chọn nền tảng mã nguồn mở điện toán biên cho Iot Gateway: .4 Kết luận chương:. GIỚI THIỆU EDGEX FOUNDRY .1 Giới thiệu về EdgeX Foundry: .2 Kiến trúc của EdgeX Foundry: .3 Các vi dịch vụ của EdgexFoundry: .2 Siêu dữ liệu:.4 Đăng ký và cấu hình: .6 Công cụ quy tắc: .8 Cảnh báo và thông báo .9 Vi dịch vụ ứng dụng: .10 Vi dịch vụ thiết bị: .11 Đại lý quản lý hệ thống: .4 Kết luận chương:. THIẾT KẾ MÔ HÌNH TRIỂN KHAI .1 Chi tiết các vi dịch vụ sử dụng trong đề tài: .2 Hướng triển khai vi dịch vụ thiết bị khi quản lý nhiều loại thiết bị:.3 Thiết kế mô hình triển khai các vi dịch vụ: .4 Quy trình thực hiện cài đặt Edgex:.
ỨNG DỤNG EDGEX FOUNDRY TRONG GIÁM SÁT THIẾT BỊ.1 Giới thiệu về bài toán giám sát thiết bị .2 Yêu cầu cụ thể cho bài toán giám sát thiết bị mà luận văn thực hiện.3 Thiết kế Gateway dùng EdgeX Foundry .4 Triển khai thử nghiệm.1 Chuẩn bị thiết bị: .2 Tiến hành thử nghiệm: .5 Kết luận chương. 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 64 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1Mô hình kiến trúc điện toán biên .1 Trọng tâm dự án của EdgeX Foundry trong ngăn xếp IoT .2 Kiến trúc nền tảng EdgeX Foundry .3 Kết hợp các vi dịch vụ EdgeX với Kuiper bằng tuyến tin nhắn .4 Mô hình đường ống chức năng của vi dịch vụ ứng dụng .1 Quá trình xử lý gửi yêu cầu tới thiết bị .2 Xử lý nhiều loại thiết bị trong chương trình chính .3 Triển khai dịch vụ thiết bị với gói các mô-đun cho từng loại thiết bị .4 Mô hình triển khai vi dịch vụ thiết bị.5 Nhiều tùy chọn để gửi lệnh tới thiết bị.1 Sơ đồ kết nối mô hình .2 Kết nối các thiết bị .3 Khời động ssh trên laptop tới Pi.4 Giao diện Web dữ liệu .5 Đặt tên cho thư mục .6 Kết quả thu được xem từ Laptop .7 Kết quả thu được xem từ điện thoại .8 Kết quả thực tế thu được .1 Máy tính nhúng Raspberry Pi4 .2 Giao diện cài đặt.3 Lựa chọn hệ điều hành .4 Các phiên bản của ubutu .5 Ngôn ngữ hệ điều hành .6 Chọn ngôn ngữ bàn phím .7 Chọn khu vực .8 Giao diện đặt mật khẩu .9 Hệ điều hành đang cài đặt .11 Mô tả giá trị thông qua Postman .12 Câp nhập thiết bị .13 Dữ liệu trả vể. 57 vii LỜI NÓI ĐẦU: 1.
Sự cần thiết của IOT gateway trong điện toán biên: Thiết bị IoT Gateway thu hẹp khoảng cách giao tiếp giữa các thiết bị IoT, cảm biến, thiết bị, hệ thống và đám mây. Bằng cách kết nối hiện trường và đám mây một cách có hệ thống, các thiết bị cổng kết nối IoT cung cấp các giải pháp xử lý và lưu trữ cục bộ, cũng như khả năng điều khiển tự động các thiết bị hiện trường dựa trên dữ liệu đầu vào bằng cảm biến. Gateway xử lí biên nằm ở giao điểm của các hệ thống biên, giữa Internet bên ngoài và mạng nội bộ đang được sử dụng bởi các thiết bị khác trong mạng. Vì vậy, nó là điểm truy cập chính cho kết nối mạng, cả bên trong và bên ngoài mạng nội bộ các thiết bị cấp hiện trường.
Khó khăn chung nếu tự phát triển IoT gateway mà không dùng nền tảng mã nguồn mở: Việc nghiên cứu và tự phát triển một hệ thống IoT gateway sẽ gặp nhiều khó khăn như vấn đề về thời gian, kinh phí và phạm vi kiến thức đòi hỏi phải rộng. Quan trọng hơn cả là tính ổn định và tương thích hệ thống. Như việc kết nối đến cloud, server hay các giao thức truyền nhận giữ liệu với các thiết bị IoT. Bởi vậy việc tìm hiểu và sử dụng một nền tảng IoT gateway mã nguồn mở là phương án tiết kiệm thời gian, kinh phí cũng như tính ổn định đã được cộng đồng người sử dụng kiểm chứng.
Tuy nhiên phát triển theo hướng nền tảng mã nguồn mở thì cũng có một số khó khăn nhất định. Như việc tìm kiếm tài liệu, tùy vào nhà cung cấp nền tảng mà tài liệu có thể đầy đủ, chi tiết hoặc sơ sài. Bên cạnh đó thì hệ thống phát triển theo kiểu nền tảng thì sẽ có rất nhiều tình năng, module,… người sử dụng sẽ phải chọn lựa, cấu hình và tích hợp các mô-đun phù hợp cho yêu cầu của mình. Do đó sẽ mất nhiều thời gian cho quá trình phát triển hệ thống.
Trong phạm vi luận văn này tôi lựa chọn nền tảng IoT gateway Edgex foundry, đây là một trong số ít các nền tảng phát triển mạnh cho điện toán biên hiện nay với mục tiêu tìm hiểu, hiểu rõ kiến trúc của nền tảng EdgeX, cách sử dụng nó khi triển khai một gateway IoT trong mô hình điện toán biên. Đổng thời để minh họa thì tôi ứng dụng cho bài toán quản lý và giám sát thiết bị từ xa. TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TOÁN BIÊN VÀ LỰA CHỌN NỀN TẢNG IOT GATEWAY 1.1 Giới thiệu về điện toán biên: 1.1 Điện toán biên: Ngày nay, chúng ta quen thuộc với thuật ngữ và sử dụng nhiều điện toán đám mây (Cloud Computing) các thông tin sẽ gửi tới một trung tâm dữ liệu lớn để xử lý, sau đó sẽ trả về kết quả tới thiết bị cuối của người dùng , là nơi các dữ liệu sẽ được xử lý ở các trung tâm (Data Center). Do ngày nay thế giới có khoảng hơn 7 tỷ người và mỗi người sẽ có thể sử dụng các thiết bị IOT, vì vậy sẽ sinh ra lượng dữ liệu vô cùng lớn và đi kèm với các vấn đề như là độ trễ, độ tin cậy và bảo mật sẽ là vấn đề lớn đối với mô hình điện toán đám mây.
Vì vậy một mô hình lai đã được đề xuất để giải quyết vấn đề này, đó chính là mô hình điện toán biên.