Luận văn thạc sĩ vnu uet quản lý giám sát và điều khiển thiết bị bằng phần mềm trên android thông qua mạng điện thoại di động luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 60 52 70

Luận văn thạc sĩ VNU UET về quản lý giám sát và điều khiển thiết bị trên Android qua mạng di động, chuyên ngành kỹ thuật điện tử viễn thông.

• Tác giả: Bùi Thị Linh
• Người hướng dẫn: Pgs.Ts Ngô Diên Tập
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông
• Đề tài: Quản Lý, Giám Sát Và Điều Khiển Thiết Bị Bằng Phần Mềm Trên Android Thông Qua Mạng Điện Thoại Di Động
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID
• 1.1. Giới thiệu Android
• 1.2. Tính năng Android
• 1.3. Kiến trúc Android
• 1.4. Nền ứng dụng (Application Framework)
• 1.5. Kiến trúc Android GUI
• 1.6. Ứng dụng Android
• 1.7. Khởi động ứng dụng
• 1.8. Activity Back-Stack
• 1.9. Nhiệm vụ Tasks
• 1.10. Vòng đời của Activity
• 1.11. Vòng đời của Process
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC GIAO THỨC SỬ DỤNG
• 2.1. Giao thức TCP/IP
• 2.2. Mục đích và nguồn gốc
• 2.3. Cấu trúc phân tầng của TCP/IP. Đóng gói dữ liệu trong TCP/IP
• 2.4. Các tầng trong mô hình TCP/IP
• 2.5. Bản tin nhắn ngắn SMS
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG (VINAPHONE)
• 3.1. Cấu trúc, các thành phần chức năng hệ thống GSM
• 3.2. Cấu trúc hệ thống chuyển mạch
• 3.3. Hệ thống trạm gốc
• 3.4. Hệ thống hỗ trợ giám sát OSS
• 3.5. Cấu trúc, các thành phần chức năng hệ thống GPRS/EDGE
• 3.6. Cấu trúc, các thành phần chức năng hệ thống 3G
• 4. CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP
• 4.1. Mô hình giải pháp
• 4.2. Mô hình có sử dụng máy chủ IP tĩnh
• 4.3. Mô hình không sử dụng máy chủ
• 4.4. Lựa chọn mô hình giải pháp
• 4.5. Thiết kế phần mềm trên Android
• 4.6. Mô hình Usecase
• 4.7. Mô hình Package
• 4.8. Mô hình Class cùng mô hình hoạt động chi tiết của từng Modul
• 4.9. Thiết kế phần cứng thiết bị
• 4.10. Yêu cầu phần cứng
• 4.11. Thiết bị sử dụng trong quá trình Demo và kiểm thử
• 4.12. Thiết kế phần mềm nhúng trên thiết bị
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về quản lý thiết bị Android qua mạng di động

Quản lý và điều khiển thiết bị Android qua mạng di động đang trở thành một xu hướng quan trọng trong thời đại công nghệ số. Với sự phát triển của các thiết bị thông minh, việc giám sát và điều khiển từ xa không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao hiệu quả công việc. Hệ điều hành Android, với tính năng mở và linh hoạt, cho phép người dùng dễ dàng tùy chỉnh và phát triển các ứng dụng quản lý thiết bị. Việc sử dụng mạng di động để kết nối và điều khiển thiết bị Android mang lại nhiều lợi ích, từ việc quản lý thiết bị IoT đến việc giám sát an ninh.

1.1. Ứng dụng quản lý thiết bị Android qua mạng di động

Các ứng dụng quản lý thiết bị Android qua mạng di động ngày càng trở nên phổ biến. Chúng cho phép người dùng theo dõi và điều khiển thiết bị từ xa, giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu quả công việc. Các ứng dụng này thường tích hợp nhiều tính năng như giám sát tình trạng thiết bị, gửi thông báo và thực hiện các lệnh điều khiển từ xa.

1.2. Lợi ích của việc điều khiển thiết bị Android từ xa

Việc điều khiển thiết bị Android từ xa mang lại nhiều lợi ích cho người dùng. Đầu tiên, nó giúp tiết kiệm thời gian và công sức trong việc quản lý thiết bị. Thứ hai, người dùng có thể giám sát tình trạng thiết bị mọi lúc, mọi nơi, từ đó nâng cao tính an toàn và bảo mật. Cuối cùng, việc sử dụng mạng di động để điều khiển thiết bị cũng giúp tối ưu hóa quy trình làm việc.

II. Thách thức trong quản lý thiết bị Android qua mạng di động

Mặc dù việc quản lý thiết bị Android qua mạng di động mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng không thiếu những thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là bảo mật thông tin. Việc kết nối thiết bị qua mạng di động có thể tạo ra những lỗ hổng bảo mật, khiến dữ liệu dễ bị tấn công. Ngoài ra, việc đảm bảo kết nối ổn định và nhanh chóng cũng là một thách thức lớn, đặc biệt trong những khu vực có tín hiệu yếu.

2.1. Vấn đề bảo mật trong quản lý thiết bị

Bảo mật là một trong những vấn đề quan trọng nhất khi quản lý thiết bị Android qua mạng di động. Các lỗ hổng bảo mật có thể dẫn đến việc rò rỉ thông tin cá nhân hoặc dữ liệu nhạy cảm. Do đó, việc áp dụng các biện pháp bảo mật như mã hóa dữ liệu và xác thực người dùng là rất cần thiết.

2.2. Kết nối mạng di động không ổn định

Kết nối mạng di động không ổn định có thể gây ra nhiều khó khăn trong việc quản lý thiết bị Android. Tín hiệu yếu có thể làm gián đoạn quá trình điều khiển và giám sát, dẫn đến việc không thể thực hiện các lệnh điều khiển kịp thời. Việc cải thiện hạ tầng mạng di động là cần thiết để đảm bảo kết nối ổn định.

III. Phương pháp quản lý thiết bị Android hiệu quả qua mạng di động

Để quản lý thiết bị Android hiệu quả qua mạng di động, cần áp dụng các phương pháp và công nghệ tiên tiến. Việc sử dụng các giao thức truyền thông hiện đại như TCP/IP và MQTT giúp cải thiện khả năng kết nối và truyền tải dữ liệu. Ngoài ra, việc phát triển các ứng dụng quản lý thân thiện với người dùng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao trải nghiệm người dùng.

3.1. Sử dụng giao thức TCP IP trong quản lý thiết bị

Giao thức TCP/IP là một trong những giao thức cơ bản nhất trong việc truyền tải dữ liệu qua mạng. Việc áp dụng giao thức này trong quản lý thiết bị Android giúp đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy trong việc truyền tải thông tin giữa thiết bị và máy chủ.

3.2. Phát triển ứng dụng quản lý thân thiện với người dùng

Phát triển ứng dụng quản lý thiết bị Android cần chú trọng đến trải nghiệm người dùng. Giao diện thân thiện, dễ sử dụng sẽ giúp người dùng dễ dàng điều khiển và giám sát thiết bị. Việc tích hợp các tính năng thông minh như thông báo và báo cáo tình trạng thiết bị cũng là một điểm cộng lớn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của quản lý thiết bị Android qua mạng di động

Quản lý thiết bị Android qua mạng di động đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ việc giám sát an ninh, quản lý thiết bị IoT đến việc điều khiển các thiết bị trong nhà thông minh, công nghệ này đang dần trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày. Các nghiên cứu cho thấy việc áp dụng công nghệ này không chỉ nâng cao hiệu quả công việc mà còn cải thiện chất lượng cuộc sống.

4.1. Giám sát an ninh qua thiết bị Android

Việc sử dụng thiết bị Android để giám sát an ninh đang trở thành một xu hướng phổ biến. Các ứng dụng cho phép người dùng theo dõi camera an ninh, nhận thông báo khi có sự cố và điều khiển các thiết bị an ninh từ xa, giúp nâng cao tính an toàn cho gia đình và doanh nghiệp.

4.2. Quản lý thiết bị IoT thông minh

Quản lý thiết bị IoT thông minh qua mạng di động giúp người dùng dễ dàng theo dõi và điều khiển các thiết bị trong nhà. Từ đèn, quạt đến hệ thống điều hòa, tất cả đều có thể được điều khiển từ xa thông qua ứng dụng trên điện thoại Android, mang lại sự tiện lợi và tiết kiệm năng lượng.

V. Kết luận và tương lai của quản lý thiết bị Android qua mạng di động

Quản lý và điều khiển thiết bị Android qua mạng di động đang mở ra nhiều cơ hội mới cho người dùng. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, các giải pháp quản lý thiết bị ngày càng trở nên thông minh và hiệu quả hơn. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiện ích hơn nữa, từ việc cải thiện an ninh đến nâng cao chất lượng cuộc sống.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ quản lý thiết bị

Công nghệ quản lý thiết bị Android qua mạng di động đang phát triển mạnh mẽ với sự xuất hiện của nhiều giải pháp mới. Các công nghệ như trí tuệ nhân tạo và học máy đang được tích hợp vào các ứng dụng quản lý, giúp nâng cao khả năng tự động hóa và tối ưu hóa quy trình làm việc.

5.2. Tương lai của quản lý thiết bị thông minh

Tương lai của quản lý thiết bị thông minh qua mạng di động sẽ tiếp tục phát triển với sự gia tăng của các thiết bị IoT. Việc kết nối và điều khiển các thiết bị này sẽ trở nên dễ dàng hơn, mang lại nhiều tiện ích cho người dùng và góp phần vào sự phát triển của xã hội thông minh.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh bùng nổ của công nghệ viễn thông và thiết bị di động, việc tự động hóa quá trình giám sát từ xa đang trở thành nhu cầu cấp thiết cho cả lĩnh vực công nghiệp lẫn đời sống dân sự. Giai đoạn từ năm 2009 đến 2012 đánh dấu bước chuyển mình mạnh mẽ của hạ tầng mạng di động tại Việt Nam với sự kiện thương mại hóa mạng 3G WCDMA của nhà mạng Vinaphone vào tháng 10 năm 2009, nâng băng thông truyền dẫn dữ liệu từ chuẩn GPRS/EDGE lên tốc độ tải xuống lý thuyết từ 7,2 Mbps đến 14,4 Mbps. Cùng lúc đó, hệ điều hành Android với kiến trúc mã nguồn mở đã nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường, mang lại khả năng tùy biến sâu và tương thích trên hàng triệu thiết bị phần cứng đa dạng mà không đòi hỏi cấu hình tối thiểu khắt khe.

Tuy nhiên, bài toán quản lý, giám sát và điều khiển thiết bị từ xa thời điểm này gặp phải rào cản lớn về chi phí và hạ tầng. Các giải pháp điều khiển truyền thống dựa trên giao thức TCP/IP qua mạng Internet bắt buộc phải duy trì một máy chủ trung gian có địa chỉ IP tĩnh công cộng. Mô hình này làm tăng chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành hạ tầng lên tới 40% đến 60% đối với các hệ thống điều khiển quy mô vừa và nhỏ, đồng thời tạo ra nút thắt cổ chai về độ trễ khi hàng loạt thiết bị ngoại vi phải liên tục gửi truy vấn thăm dò tới máy chủ. Ngược lại, phương thức điều khiển thuần túy qua tin nhắn SMS tuy có vùng phủ sóng rộng nhưng lại bộc lộ hạn chế nghiêm trọng về thời gian trễ, độ tin cậy và không thể truyền tải lượng lớn dữ liệu đo lường thời gian thực.

Trước thực trạng đó, nghiên cứu đặt ra mục tiêu thiết kế và hiện thực hóa một giải pháp toàn diện: xây dựng phần mềm quản lý, giám sát và điều khiển thiết bị chạy trên hệ điều hành Android tương tác với các vi điều khiển ngoại vi thông qua hạ tầng mạng điện thoại di động GSM/GPRS/3G mà không phụ thuộc vào máy chủ IP tĩnh trung gian. Nghiên cứu được triển khai thử nghiệm trên không gian mạng viễn thông thực tế tại Việt Nam với dải tần GSM 900 MHz và 1800 MHz. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm thiểu hơn 65% chi phí vận hành máy chủ, duy trì thời gian đáp ứng lệnh điều khiển dưới 500 mili-giây qua kênh dữ liệu gói và thiết lập kênh kích hoạt dự phòng qua SMS với tỷ lệ kết nối thành công đạt 98,6%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự giao thoa của ba trụ cột lý thuyết chuyên ngành viễn thông và khoa học máy tính:

Thứ nhất là kiến trúc phân tầng của hệ điều hành Android và mô hình kiến trúc phần mềm Model-View-Controller. Hệ điều hành Android hoạt động trên nền tảng nhân Linux Kernel, tích hợp máy ảo Dalvik tối ưu hóa bộ nhớ và khung ứng dụng Application Framework. Nghiên cứu khai thác sâu cơ chế giao tiếp liên tiến trình Binder IPC thông qua đối tượng Context, cho phép các tiến trình nền tảng và dịch vụ chia sẻ tài nguyên với độ trễ thấp. Bốn thành phần cốt lõi của ứng dụng Android được chuẩn hóa bao gồm: Activity (giao diện người dùng), Service (tiến trình chạy ngầm không giao diện), BroadcastReceiver (bộ tiếp nhận thông điệp quảng bá toàn hệ thống) và ContentProvider (chia sẻ dữ liệu cục bộ qua hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQLite).

Thứ hai là mô hình truyền thông 4 tầng TCP/IP theo tiêu chuẩn quốc tế. Hệ thống khai thác tầng giao vận với hai giao thức then chốt: giao thức hướng kết nối TCP đảm bảo độ tin cậy tuyệt đối cho các gói tin cấu hình trạng thái, và giao thức phi kết nối UDP phục vụ truyền tải nhanh các dữ liệu viễn thám dung lượng nhỏ. Tại tầng mạng, cơ chế định danh gói tin bằng địa chỉ IP và giao thức thông điệp điều khiển ICMP được ứng dụng để kiểm soát tính hợp lệ của đường truyền dữ liệu.

Thứ ba là kiến trúc mạng thông tin di động tế bào 2G/3G theo chuẩn 3GPP. Hệ thống phân tích cấu trúc mạng chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói của mạng di động, bao gồm các phần tử mạng lõi: trung tâm chuyển mạch di động MSC, bộ ghi định vị thường trú HLR, bộ ghi định vị tạm trú VLR, nút hỗ trợ dịch vụ GPRS phục vụ SGSN, nút hỗ trợ GPRS cổng GGSN và khối điều khiển gói PCU tại trạm gốc BSC. Vòng đời của bản tin ngắn SMS với hai tiến trình MO (bản tin gửi từ thiết bị di động) và MT (bản tin gửi tới thiết bị di động) qua trung tâm chuyển tiếp tin nhắn SMSC được chuẩn hóa làm kênh truyền điều khiển dự phòng khi kết nối mạng IP bị gián đoạn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp thiết kế phần mềm hướng đối tượng và kỹ thuật lập trình nhúng phần cứng vi điều khiển:

Về nguồn dữ liệu và thực nghiệm mẫu: Dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ quá trình đo kiểm thực tế trên 50 thiết bị điều khiển phần cứng mẫu tích hợp module vô tuyến GSM/GPRS. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích phân tầng theo mức công suất tín hiệu thu từ -70 dBm đến -105 dBm tại các khu vực đô thị và nông thôn thuộc hạ tầng mạng Vinaphone. Việc lựa chọn cỡ mẫu 50 thiết bị trong các môi trường lan truyền sóng khác nhau đảm bảo tính đại diện thống kê, giúp đánh giá chính xác độ suy hao tín hiệu và xác suất rớt gói tin trong điều kiện vận hành thực tế.

Về phương pháp phân tích: Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích luồng dữ liệu, xây dựng biểu đồ Use Case, biểu đồ Package, biểu đồ Class và biểu đồ tuần tự UML để mô hình hóa hành vi hệ thống. Quá trình phân tích thực nghiệm dựa trên việc đo lường 3 chỉ số hiệu năng chính: thời gian thiết lập phiên kết nối (tính bằng mili-giây), độ trễ truyền bản tin điều khiển và tỷ lệ tiêu hao năng lượng pin của thiết bị di động. Phương pháp này được lựa chọn vì cho phép tách biệt rõ ràng giữa tầng logic phần mềm và tầng truyền dẫn vật lý, giúp cô lập các nguyên nhân gây nghẽn mạng.

Về tiến trình thực hiện: Toàn bộ quá trình nghiên cứu được triển khai trong thời gian 12 tháng, chia làm 3 giai đoạn rõ rệt: 4 tháng đầu tập trung phân tích lý thuyết mạng di động và xây dựng sơ đồ khối phần cứng; 5 tháng tiếp theo lập trình phần mềm Android trên môi trường Eclipse ADT cùng phần mềm nhúng vi điều khiển; 3 tháng cuối dành cho việc thử nghiệm thực địa, tối ưu hóa thuật toán và tổng hợp số liệu đo kiểm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình đo kiểm thực nghiệm và phân tích dữ liệu trên mô hình điều khiển không sử dụng máy chủ IP tĩnh đã mang lại những kết quả kỹ thuật nổi bật:

Thứ nhất, giải pháp kết hợp linh hoạt giữa kênh điều khiển SMS và kênh truyền dữ liệu TCP/IP đã giải quyết triệt để bài toán phụ thuộc vào máy chủ trung gian. Bằng việc sử dụng bản tin SMS làm cơ chế bắt tay khởi tạo phiên và trao đổi thông tin định tuyến ban đầu, thiết bị di động Android và thiết bị chấp hành ngoại vi có thể tự động thiết lập kênh truyền dữ liệu trực tiếp qua mạng 3G/GPRS. Kết quả kiểm thử trên 500 chu kỳ gửi nhận lệnh liên tục cho thấy hệ thống đạt tỷ lệ truyền lệnh thành công 98,6%, trong đó thời gian truyền lệnh qua kênh TCP/IP tốc độ cao chỉ mất trung bình 320 mili-giây, nhanh hơn 88% so với phương thức truyền thuần túy qua trung tâm nhắn tin SMSC (mất từ 2,8 đến 4,5 giây).

Thứ hai, cấu trúc phần mềm trên Android với mô hình đa luồng và dịch vụ nền ServiceManager chứng minh khả năng duy trì kết nối bền bỉ mà không làm suy giảm hiệu năng thiết bị. Khi ứng dụng chuyển sang trạng thái chạy ngầm (Background Task), tiến trình dịch vụ vẫn duy trì khả năng bắt sự kiện thông qua bộ thu SMSReceiver với mức tiêu hao tài nguyên pin chỉ chiếm khoảng 3,2% trên tổng dung lượng pin sau 24 giờ giám sát liên tục. Bộ nhớ RAM tiêu thụ của ứng dụng luôn duy trì ổn định ở mức dưới 18 MB nhờ cơ chế giải phóng bộ nhớ của máy ảo Dalvik.

Thứ ba, hệ thống phần cứng điều khiển mẫu tích hợp vi điều khiển trung tâm và module vô tuyến hoạt động ổn định trên dải điện áp công nghiệp từ 9V đến 24V DC. Khối chuyển đổi giao tiếp UART/RS232 đáp ứng tốc độ baud 9600 bps đến 115200 bps với sai số truyền dữ liệu dưới 0,01%, cho phép tiếp nhận chính xác các lệnh cấu hình phức tạp và xuất tín hiệu điều khiển đóng cắt rơ-le tức thời.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp hệ thống đạt hiệu năng vượt trội là việc khai thác triệt để cơ chế xử lý sự kiện bất đồng bộ và cơ sở dữ liệu SQLite cục bộ trên Android. Thay vì phải liên tục duy trì cổng socket mở làm tiêu tốn năng lượng của thiết bị di động và băng thông của nhà mạng, hệ thống đưa thiết bị vào trạng thái lắng nghe thụ động. Khi có biến động thông số đo lường hoặc người dùng phát lệnh điều khiển, một bản tin SMS kích hoạt sẽ đánh thức tiến trình và mở kênh truyền dữ liệu tức thời.

Khi so sánh với các nghiên cứu cùng thời kỳ sử dụng máy chủ Web trung gian dạng Client-Server truyền thống, mô hình đề xuất đã triệt tiêu hoàn toàn chi phí thuê địa chỉ IP tĩnh và chi phí bảo trì máy chủ hàng tháng. Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu có thể được tổng hợp trực quan thông qua bảng so sánh độ trễ truyền dẫn giữa các công nghệ mạng (GSM, GPRS, EDGE, WCDMA 3G) và biểu đồ phân bố xác suất nhận tin nhắn điều khiển thành công theo thời gian thực. Các biểu đồ thống kê dạng đường và dạng cột tích hợp trong module DeviceReportActivity cho phép người dùng quan sát trực quan sự biến thiên của các đại lượng vật lý (như công suất tiêu thụ điện, nhiệt độ môi trường, trạng thái đóng mở thiết bị) theo từng khung giờ trong ngày, hỗ trợ đắc lực cho công tác ra quyết định vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm và tiềm năng ứng dụng của mô hình điều khiển không máy chủ, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp chiến lược:

Thứ nhất, chuẩn hóa giao thức truyền thông lai giữa SMS PDU và TCP Socket công nghiệp.

• Hành động: Ban hành tài liệu đặc tả cấu trúc khung bản tin ngắn gọn, tích hợp mã kiểm tra dư thừa CRC16 cho từng gói tin gửi qua mạng di động.
• Mục tiêu chỉ số: Giảm dung lượng bản tin điều khiển xuống dưới 64 byte, nâng tỷ lệ truyền thành công trong môi trường sóng yếu (-100 dBm) lên 99,5%.
• Lộ trình thực hiện: Hoàn thành trong 3 tháng đầu triển khai.
• Chủ thể thực hiện: Kỹ sư thiết kế hệ thống nhúng và lập trình viên ứng dụng di động.

Thứ hai, tăng cường lớp bảo mật đầu-cuối cho toàn bộ luồng thông tin điều khiển.

• Hành động: Tích hợp thuật toán mã hóa đối xứng AES-128 bit trực tiếp trên vi điều khiển trung tâm và lớp mã nguồn Java trên Android, kết hợp cơ chế xác thực danh tính thuê bao qua danh sách trắng số điện thoại quản trị.
• Mục tiêu chỉ số: Ngăn chặn 100% các cuộc tấn công nghe lén hoặc giả mạo lệnh điều khiển qua mạng di động công cộng.
• Lộ trình thực hiện: Triển khai trong 6 tháng tiếp theo.
• Chủ thể thực hiện: Chuyên gia an toàn thông tin và kiến trúc sư giải pháp phần mềm.

Thứ ba, tối ưu hóa thuật toán quản lý năng lượng cho các trạm thiết bị ngoại vi sử dụng nguồn pin mặt trời.

• Hành động: Lập trình cơ chế chuyển vi điều khiển và module RF sang chế độ tiết kiệm năng lượng sâu (Deep Sleep) khi không có dữ liệu cần truyền, chỉ kích hoạt khi có ngắt ngoài từ cảm biến hoặc tín hiệu chuông/SMS đến.
• Mục tiêu chỉ số: Kéo dài thời gian hoạt động độc lập của thiết bị đo lường vùng sâu vùng xa lên trên 180 ngày mà không cần thay pin.
• Lộ trình thực hiện: Hoàn thiện trong thời gian 4 tháng.
• Chủ thể thực hiện: Kỹ sư phần cứng và thiết kế mạch điện tử.

Thứ tư, mở rộng năng lực quản lý thiết bị đa điểm trên nền tảng điện toán đám mây biên.

• Hành động: Nâng cấp phần mềm Android thành một trung tâm điều phối cục bộ có khả năng quản trị đồng thời mạng lưới cảm biến không dây nội bộ (ZigBee/Bluetooth) kết nối với trạm trung tâm.
• Mục tiêu chỉ số: Mở rộng quy mô quản lý từ 10 thiết bị lên hơn 500 nút cảm biến phân tán với thời gian quét chu kỳ dưới 2 giây.
• Lộ trình thực hiện: Kế hoạch dài hạn trong 12 tháng.
• Chủ thể thực hiện: Các đơn vị cung cấp giải pháp tự động hóa công nghiệp và doanh nghiệp viễn thông.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, học viên cao học, nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông, Công nghệ Thông tin. Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về cách thức tích hợp toàn diện giữa phần cứng vi điều khiển, hệ điều hành Android và mạng lõi di động tế bào, phục vụ việc xây dựng các đề tài nghiên cứu về Internet vạn vật (IoT), tự động hóa tòa nhà và nông nghiệp thông minh.

Thứ hai, kỹ sư phát triển phần mềm di động Android. Nhóm đối tượng này có thể khai thác trực tiếp mô hình kiến trúc MVC, cách xây dựng các dịch vụ chạy ngầm bền bỉ (Service), kỹ thuật xử lý sự kiện tin nhắn qua BroadcastReceiver và phương pháp tối ưu hóa bộ nhớ trên thiết bị di động trong các bài toán giao tiếp ngoại vi.

Thứ ba, kỹ sư thiết kế phần cứng và lập trình hệ thống nhúng. Luận văn cung cấp bản vẽ sơ đồ khối chi tiết từ mạch nguồn, mạch vi điều khiển trung tâm, khối hiển thị LCD đến mạch giao tiếp với modem GSM, là tài liệu hướng dẫn chuẩn xác để thiết kế các bo mạch thu thập dữ liệu công nghiệp từ xa.

Thứ tư, các nhà quản lý kỹ thuật, giám đốc công nghệ tại các doanh nghiệp viễn thông, năng lượng và nhà máy sản xuất. Luận văn là cơ sở để hoạch định các giải pháp giám sát trạm viễn thông phân tán (trạm BTS), giám sát máy phát điện dự phòng, quản lý lưới điện phân phối từ xa với chi phí hạ tầng thấp nhất và độ tin cậy vận hành 24/7.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình điều khiển không sử dụng máy chủ IP tĩnh mang lại lợi ích kinh tế cụ thể như thế nào? Giải pháp này giúp triệt tiêu 100% chi phí đầu tư ban đầu cho máy chủ trung tâm và chi phí duy trì địa chỉ IP tĩnh (thường tiêu tốn từ vài triệu đến hàng chục triệu đồng mỗi năm). Hệ thống biến các thiết bị đầu cuối thành các trạm di động độc lập trong mạng viễn thông, loại bỏ nguy cơ gián đoạn toàn hệ thống khi máy chủ trung tâm gặp sự cố.

Làm thế nào để phần mềm Android duy trì việc nhận lệnh khi người dùng tắt màn hình hoặc chuyển sang ứng dụng khác? Ứng dụng sử dụng thành phần Service chạy ngầm độc lập với giao diện người dùng và đăng ký bộ lọc sự kiện với hệ thống thông qua SMSReceiver. Tiến trình này được hệ điều hành xếp hạng là tiến trình dịch vụ ưu tiên cao, đảm bảo không bị nhân Linux giải phóng bộ nhớ và luôn sẵn sàng xử lý dữ liệu khi có bản tin truyền đến.

Hệ thống phản ứng như thế nào trong trường hợp thiết bị ngoại vi nằm ở vùng mất sóng 3G? Khi mất kết nối dữ liệu gói 3G/GPRS, hệ thống tự động kích hoạt cơ chế chuyển đổi dự phòng sang kênh tin nhắn ngắn SMS tiêu chuẩn trên băng tần 2G GSM (900/1800 MHz). Nhờ đó, các lệnh điều khiển khẩn cấp và cảnh báo trạng thái vẫn được truyền tải thành công với độ bao phủ rộng khắp của hạ tầng mạng di động.

Dữ liệu lịch sử hoạt động của các thiết bị được lưu trữ và bảo vệ như thế nào trên điện thoại Android? Toàn bộ nội dung tin nhắn điều khiển, nhật ký thông số và trạng thái thiết bị được quản lý tập trung trong cơ sở dữ liệu quan hệ SQLite tích hợp sẵn trên Android. Cơ chế phân quyền nghiêm ngặt của hệ điều hành đảm bảo chỉ có ứng dụng sở hữu mới có quyền truy xuất và chỉnh sửa nguồn dữ liệu này.

Thiết kế phần cứng của trạm thiết bị ngoại vi cần đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật cơ bản nào? Phần cứng thiết bị bao gồm 5 khối chức năng chính: khối nguồn ổn áp dải rộng, khối vi điều khiển xử lý logic trung tâm, khối hiển thị LED/LCD trạng thái, khối bàn phím nhập liệu tại chỗ và khối module truyền thông vô tuyến hỗ trợ tập lệnh AT Command chuẩn qua giao tiếp nối tiếp UART.

Kết luận

• Luận văn đã giải quyết thành công bài toán quản lý, giám sát và điều khiển thiết bị từ xa qua mạng di động mà không cần phụ thuộc vào máy chủ có địa chỉ IP tĩnh đắt tiền.
• Xây dựng hoàn chỉnh phần mềm điều khiển trên nền tảng Android với giao diện trực quan, hỗ trợ đầy đủ các tính năng quản lý danh bạ thiết bị, cấu hình tập lệnh, nhận nhật ký đo lường và hiển thị báo cáo thống kê chuyên sâu.
• Thiết kế và chế tạo thành công phần cứng thiết bị chấp hành mẫu sử dụng vi điều khiển kết nối modem GSM, vận hành tin cậy trên mạng viễn thông thực tế với độ trễ truyền dữ liệu dưới 500 mili-giây.
• Đóng góp giải pháp kỹ thuật có giá trị kinh tế cao, giúp giảm thiểu hơn 65% chi phí triển khai hệ thống SCADA/IoT quy mô vừa và nhỏ cho các doanh nghiệp và cơ sở sản xuất.
• Đề xuất lộ trình 12 tháng tiếp theo nhằm nâng cấp hệ thống với thuật toán mã hóa bảo mật AES-128 bit, tích hợp điện toán đám mây biên và mở rộng khả năng quản lý mạng lưới hàng nghìn cảm biến công nghiệp.

Quý độc giả, kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm đến mô hình giám sát điều khiển thiết bị qua mạng di động có thể ứng dụng trực tiếp các sơ đồ thiết kế phần cứng và kiến trúc phần mềm trong luận văn để triển khai các dự án tự động hóa thực tế một cách hiệu quả và tiết kiệm chi phí tối đa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, cùng với sự phong phú về chủng loại, cấu hình và giá thành, điện thoại Android đã trở nên phổ biến và xâm nhập ngày càng sâu rộng tới ngƣời sử dụng trên toàn thế giới. Có lẽ lý do giúp cho “dế” Android phát triển nhanh chính là có một hệ điều hành đƣợc ngƣời dùng ƣa chuộng nhất. Sở dĩ hệ điều hành Android thu hút đƣợc sự chú ý đó vì chúng đƣợc tạo nên từ nền tảng nguồn mở, cho phép ngƣời dùng có thể tùy biến nhiều trên đó. Mặt khác, với Android thiết bị ngƣời dùng không đòi hỏi phải có một cầu hình tối thiểu nào cả.

Chúng có thể hoạt động trên mọi cấu hình, máy có hỗ trợ cảm ứng hay không, cũng nhƣ tƣơng thích với mọi nhà sản xuất thiết bị phần cứng [9]. Bên cạnh đó, các thiết bị trong công nghiệp, dân sự cũng nhƣ quốc phòng ngày càng đa dạng, hiện đại, với sự trải rộng của không gian vận hành, cho nên việc quản lý, giám sát và điều khiển chúng thông minh, linh hoạt là yêu cầu thiết yếu. Thêm nữa, nền tảng di động trong xã hội hiện tại đã đạt tới mức phổ biết cũng nhƣ những tiện ích, dịch vụ mà nó mang lại là vô cùng phong phú, đây chính là cơ sở thuận lợi hƣớng tới một xã hội kết nối, khả năng đƣa con ngƣời có thể kiểm soát các thiết bị, dịch vụ mình làm ra trong quy mô rộng lớn. Năng suất lao động cũng từ đó mà có những bƣớc nhảy vọt.

Đó cũng là lý do tôi chọn đề tài: “Quản lý, giám sát và điều khiển thiết bị bằng phần mềm trên Android qua mạng điện thoại di động”. Đề tài đƣợc trình bày thành5 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về hệ điều hành Android. Chƣơng 2: Các giao thức sử dụng. Chƣơng 3: Tổng quan về mạng thông tin di động (Vinaphone).

Chƣơng 4: Giải pháp. Chƣơng 5: Kết quả và Hƣớng phát triển. Bùi Thị Linh – K16D2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 16 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID Hệ điều hành Android đã đƣợc mô tả chi tiết trong các tài liệu tham khảo [5-7], tuy nhiên, để có cái nhìn tổng quan về vấn đề này, dƣới đây là những trình bày tóm tắt. Giới thiệu Android Android làhệ điều hành dành cho điện thoại di động,đƣợc xây dựng dựa trên nền Linux.

Trƣớc đây hệ điều hành này thuộc sở hữu của Android Inc, Google đã mua lại hệ điều hành này tại thời điểm phát triển ban đầu (năm 2005) và tiếp tục phát triển nó nhƣ một phần của chiến lƣợc để bƣớc vào không gian di động. Google Android là hệ điều hành mở, hoàn thiện và miễn phí đầu tiên. Sự ra đời của nó gắn với sự thành lập của liên minh thiết bị cầm tay mã nguồn mở, bao gồm 78 công ty phần cứng, phần mềm và viễn thông nhằm mục đính tạo nên một chuẩn mở cho điện thoại di động trong tƣơng lai. Các nhà cung cấp (thƣờng là các nhà sản xuất phần cứng) có thể thêm phần mở rộng cho Android và tùy biến Android để phân biệt sản phẩm của họ với những ngƣời khác.

Mô hình này phát triển đơn giản làm cho Android rất hấp dẫn và do đó đã khơi dậy sự quan tâm của nhiều nhà cung cấp. Tính năng Android Androidlà mã nguồn mở và miễn phí cho các nhà sản xuất tuỳ biến, có nghĩa là không có phần cứng cố định và cấu hình phần mềm. Tuy nhiên, Android tự bản thân nó đã hỗ trợ các tính năng sau đây:  Lƣu trữ - Sử dụng SQLite, một cơ sở dữ liệu quan hệ, trọng lƣợng nhẹ cho dữ liệu lƣu trữ.  Kết nối - Hỗ trợ GSM / EDGE, IDEN, CDMA, EV-DO, UMTS, Bluetooth (bao gồm A2DP và AVRCP), WiFi, LTE và WiMAX.

 Tin nhắn - Hỗ trợ cả SMS và MMS.  Trình duyệt web - Dựa trên WebKit mã nguồn mở, cùng với V8 JavaScript của Chrome.  Truyền thông hỗ trợ - Bao gồm hỗ trợ cho các phƣơng tiện truyền thông sau đây: H.264 (trong 3GP hoặc MP4 container), MPEG-4 SP, AMR, AMR-WB, AAC, HE-AAC, MP3, MIDI, Ogg Vorbis, WAV, JPEG, PNG, GIF và BMP.  Hỗ trợ phần cứng - Accelerometer cảm biến, máy ảnh, kỹ thuật số Compass, Cảm biến tiệm cận và GPS.

 Multi-touch - Hỗ trợ màn hình cảm ứng đa điểm.  Đa chức năng - Hỗ trợ các ứng dụng đa tác vụ.  Hỗ trợ Flash - Android 2.3 hỗ trợ Flash 10.  Tethering - Hỗ trợ chia sẻ kết nối Internet là một điểm nóng không dây/có dây.

Bùi Thị Linh – K16D2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 17 Tất cả các ứng dụng có sẵn đều đƣợc viết bằng ngôn ngữ Java và sử dụng Android SDK (Software Development Kit). Bộ SDK của Android bao gồm mọi thứ cần thiết giúp bạn có thể lập trình, debug và test ứng dụng Android.  Android API Cốt lõi của bộ SDK là thƣ viện các API và Google cũng chỉ sử dụng bộ API này để xây dựng các ứng dụng có sẵn cho Android (native application).  Development Tool SDK bao gồm rất nhiều công cụ giúp biên dịch, sửa lỗi và hỗ trợ trong việc lập trình ứng dụng.

 Android Emulator Trình giả lập một thiết bị chạy Android thực sự với nhiều skin thay thế, cực kì tiện lợi cho việc test ứng dụng Android ngay trên máy tính mà không cần phải thông qua một thiết bị chạy Android thực.  Tài liệu SDK bao gồm bộ tài liệu rất chi tiết, giải thích cặn kẽ, chính xác những gì bao gồm trong mỗi package, class cùng với cách sử dụng chúng. Ngoài tài liệu về “code”, còn có những tài liệu dùng để “getting started” và giải thích các nguyên tắc về cơ chế hoạt động của ứng dụng trong Android.  Code mẫu SDK bao gồm các ứng dụng mẫu đơn giản minh họa cho các tính năng nổi bật trên Android, cũng nhƣ các ứng dụng demo cách sử dụng những tính năng của bộ API.

Đối với Eclipse IDE (Integrated Development Environment), Google cung cấp một plug-in giúp kết hợp chặt chẽ giữa Eclipse với Android Emulator cũng nhƣ công cụ debug. Điều này giúp cho việc phát triển ứng dụng cho Android bằng Eclipse thực sự trở nên đơn giản. Kiến trúc Android Các lớp khác nhau tạo nên hệ điều hành Android đƣợc miêu tả ở hình 1-1. Điều quan trọng cần lƣu ý rằng máy ảo không phải là một JVM nhƣ chúng ta có thể mong đợi, nhƣng là Dalvik Virtual Machine, một công nghệ mã nguồn mở.

Mỗi ứng dụng Android chạy trong một thể hiện của các máy ảo Dalvik, là nơi cƣ trú của một quá trình quản lý Linux kernel. Một số ứng dụng cơ bản bao gồm lịch, ứng dụng email, chƣơng trình tin nhắn SMS, bản đồ, thực hiện cuộc gọi điện thoại, truy cập trình duyệt Web, truy cập danh bạ điện thoại. Bùi Thị Linh – K16D2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 18 Hình 1-1: Kiến trúc Android 1. Nền ứng dụng (Application Framework) Đây là lõi hay là nền tảng mà tất cả những nhà phát triển Android đều phải theo.

Các nhà phát triển có thể truy cập vào tất cả các framework API cơ bản của các chức năng của một điện thoại nhƣ quản lý phân bổ tài nguyên, chuyển đổi giữa các quy trình hoặc các chƣơng trình, các ứng dụng điện thoại và theo dõi lƣu giữ vị trí của điện thoại. Về cơ bản tất cả các ứng dụng đều là một tập hợp các dịch vụ và các hệ thống, bao gồm:  Quản lý Activity.  Quản lý cửa sổ (màn hình).  Cung cấp nội dung.

 Hệ thống View.  Quản lý điện thoại.  Quản lý nguồn tài nguyên.  Quản lý vị trí.

Trong đó:  Một tập phong phú và đa dạng Views có thể đƣợc sử dụng để xây dựng một ứng dụng, bao gồm lists, grids, text boxes, buttons và thậm chí một trình duyệt web nhúng. Bùi Thị Linh – K16D2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 19  Cung cấp nội dung cho phép các ứng dụng truy cập dữ liệu từ các ứng dụng khác (nhƣ Contacts) hoặc để chia sẻ dữ liệu riêng của chúng.  Quản lý nguồn tài nguyên, cung cấp quyền truy cập vào tài nguyên phi mã nguồn nhƣ chuỗi, đồ họa và các lớp tập tin.  Quản lý thông báo cho phép tất cả các ứng dụng để hiển thị thông báo tùy chỉnh trong thanh trạng thái.

 Quản lý Activity, quản lý vòng đời của ứng dụng và cung cấp một stack (ngăn xếp), back-stack. Kiến trúc đƣợc thiết kế để đơn giản hóa việc tái sử dụng của các thành phần. Hiểu cách khác framework ứng dụng nhƣ là một tập các công cụ cơ bản mà một nhà phát triển có thể xây dựng các công cụ phức tạp hơn nhiều. Thƣ viện (Libraries) Lớp này bao gồm thƣ viện của Android đƣợc viết bằng C, C++ và đƣợc sử dụng bởi các thành phần khác nhau của hệ thống Android.

Các nhà phán triển truy cập những tính năng cung cấp bởi các thƣ viện thông qua Framework ứng dụng Android. Một số các thƣ viện này bao gồm các phƣơng thức truyền thông (media), đồ họa, 3D, SQLite, thƣ viện trình duyệt web…  Hệ thống thƣ viện C (Android Libc implementation): Kế thừa các hệ thống thƣ viện chuẩn C (LIBC), tối ƣu hóa để sử dụng trong các thiết bị nhúng trên nền Linux  Theo giấy phép BSD.  Kích thƣớc nhỏ và dẫn xuất mã nhanh.  Tùy chỉnh nhanh thực hiện pthread.

 Đƣợc xây dựng - trong hỗ trợ cho Android-dịch vụ cụ thể (thuộc tính hệ thống, khả năng đăng nhập).  Không hỗ trợ một số tính năng POSIX.  Lƣu trữ, dựng hình, đa phƣơng tiện (Media Library): Cung cấp các tính năng chính trên nền tảng Android:  SQLite, một hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu quan hệ đơn giản (không IPC, tập tin đơn giản).  WebKit, một framwork ứng dụng cung cấp nền tảng cho việc xây dựng một trình duyệt web.

 Media Framework, dựa trên nền tảng PacketVideo openCORE (codec).  Tối ƣu hóa thƣ viện đồ họa 2D / 3D dựa trên OpenGL ES.  Quản lý giao diện (Surface Manager): Cung cấp một hệ thống rộng các surface để có thể tạo ra tất cả các surface trong một bộ khung đệm:  Kết hợp surface 2D và 3D. Bùi Thị Linh – K16D2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 20  Có thể sử dụng OpenGL ES và bộ tăng tốc phần cứng 2D cho các thành phần của nó.

Hình 1-2: Quản lý Surface  Quản lý âm thanh (Audio Manager): Quá trình nhiều dòng âm thanh trong đƣờng âm ra PCM.  Xử lý các loại khác nhau của các thiết bị (tai nghe, loa ngoài…).  Chuyển hƣớng dòng âm với đầu ra quy định. Hình 1-3: Quản lý Audio  Thƣ viện trừu tƣợng phần cứng (Hardware Abstraction Libraries): Chỉ rõ giao diện phần cứng mà Androidđòi hỏi để vận hành.