Chương 1: Tổng quan Chương này trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, các giới hạn đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Tổng hợp các cơ sở lý thuyết có liên quan trong đề tài, làm nền tảng để thực hiện thiết kế thi công và xây dựng giải thuật cho đề tài. Chương 3: Thiết kế hệ thống SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI 7 do an GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI Thiết kế sơ đồ nguyên lý đường mạch, sơ đồ khối và lưu đồ giải thuật của các mạch trong hệ thống gồm bộ điều khiển trung tâm Gateway (bao gồm mạch điều khiển và mạch Shield), mạch cảm biến (Sensors) để đưa dữ liệu, mạch công suất (Power) để điều khiển thiết bị ngoài vi.
Sau đó thiết kế giao diện trên nền tảng Web API. Chương 4: Kết quả thực hiện và Thực nghiệm Hoàn thành, thi công mạch in từ sơ đồ đi dây, chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống Chương 5: Kết luận và Hướng phát triển. Kết luận kết quả thực hiện của đề tài và đưa ra hướng phát triển. SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI 8 do an GVHD: TS.
NGUYỄN VĂN THÁI Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT A. Các vấn đề về Kỹ thuật 2. Giới thiệu công nghệ IoT 2. Khái niệm IoT Internet of Things là một khái niệm khá phổ biến trong những năm gần đây.
Khái niệm này càng được nhắc đến khi ngày càng có nhiều thiết bị có khả năng kết nối với Internet. Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999. Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID cũng như một số loại cảm biến khác. Theo lịch sử, vấn đề xây dựng một mạng các thiết bị thông minh đã được đề cập đến trong đầu những năm 1982.
Internet of Things hay (IoT) là một hệ thống tập hợp những thiết bị tính, cơ khí, cơ điện tử, vật, con người thậm chí cả động vật được cung cấp một địa chỉ độc nhất và có khả năng truyền nhận dữ liệu trong mạng mà không cần đến sự can thiệp của người đến người hay người đến máy.1: Hệ sinh thái IoT Trên thực tế, gần như mọi sự vật đều có thể được IoT hoá nếu bằng cách nào đó vật có thể được kết nối với Internet và có khả năng truyền nhận dữ liệu. Một bóng đèn có thể bật tắt được bằng app trên điện thoại thông minh là một thiết bị IoT hay SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI 9 do an GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI một chiếc máy lạnh có khả năng kết nối với Internet để biết khi nào người dùng về đến nhà để thay đổi trước nhiệt độ, và nhiều hơn thế nữa. Ở một quy mô lớn hơn, một thành phố thông minh khi được IoT hoá sẽ cần đến hàng triệu cảm biến để giúp cho chúng ta biết được các thông số thực tế và nhu cầu của người dân.
IoT đang dần thay đổi cách chúng ta sống, cũng như thay đổi cách thức hoạt động của nền công nghiệp tự động hoá. IoT giúp chúng ta giám sát thông số thiết bị, cũng như các thông số xung quanh thiết bị để kịp thời thay đổi, sửa chữa khi có sự cố xảy ra. IoT có thể kết nối với các thiết bị xung quanh, tạo ra được môi trường các thiết bị thông minh, giúp người sử dụng tiết kiệm thời gian, chi phí, và công sức.2: Ứng dụng của IoT Theo Gartner, trước năm 2020, sẽ có ít nhất 26 tỉ thiết bị được kết nối với Internet. IoT là một mạng lưới khổng lồ nơi mà tất cả mọi vật kết nối với nhau (con người với con người, con người với máy móc, máy móc với máy móc).
Tại Việt Nam, một số công ty công nghệ trong đó có EZLINK Technologies đã bắt đầu tiên phong nghiên cứu và thiết kế các sản phẩm về Internet of Things vào những năm 2010. Và cho đến nay tại Việt Nam, IoT trở nên thong dụng hơn bao giờ hết và được các công ty công nghệ đầu tư nhân sự và hạ tầng cho việc phát triển sản phẩm và thiết bị IoT. Cấu trúc của IoT SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI 10 do an GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống IoTs Cấu trúc IoT được đại diện cơ bản bởi 4 phần: Thiết bị điều khiển và thu nhập dữ liệu (Sensors/Actutors), trạm kết nối (Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud) và các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-creation and Solutions Layers).
- Thiết bị điều khiển và thu nhập dữ liệu (Sensors/Actutors): Ngày nay có hàng tỷ vật dụng đang hiện hữu trên thị trường gia dụng và công nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của người dùng. Chẳng hạn như xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối trực tiếp thông qua băng tầng mạng không dây và truy cập vào Internet. Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ, còn các thiết bị chưa thông minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối. - Trạm kết nối (Gateways): Một rào cản chính khi triển khai IoT đó là gần 85% các vật dụng đã không được thiết kế để có thể kết nối với Internet và không thể chia sẻ dữ liệu với điện toán đám mây.
Để khắc phục vấn đề này, các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý. SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI 11 do an GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI - Hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud): Cơ sở hạ tầng kết nối: Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IP được kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính. Cơ sở hạ tầng mạng này bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp – được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ.
Trung tâm dữ liệu/hạ tầng điện toán đám mây: Các trung tâm dữ liệu và hạ tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối. - Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers): Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (Application Progmraming Interface) là Mashery và Aepona để giúp đưa các sản phẩm và giải pháp IoT ra thị trường một cách nhanh chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ hệ thống và tài sản đang có sẵn. Giao tiếp giữa các thiết bị IoT Để thu thập dữ liệu, các thiết bị phải kết nối được với nhau. Nếu là sản phẩm của một nhà sản xuất thì không phải vấn đề, nhưng các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau sẽ không “giao tiếp” được với nhau.
Nguyên do là chưa hình thành một chuẩn chung để kết nối tất cả các thiết bị IoT. Đây là vấn đề của nhiều nhà thiết kế cũng như sản xuất các thiết bị IoT do chưa tìm được một chuẩn bức điện đồng nhất, vẫn còn sự bất tương đồng giữa các thiết bị IoT. Nên thường một trạm kết nối hay (Gateway) sẽ đóng vai trò như một thông dịch viên giữa các thiết bị để có thể đồng nhất thành một hệ. Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định dạng.
Nếu mọi đội tượng, kể cả con người lẫn động vật đều có một UID (Unique ID-địa chỉ định danh) thì việc giao tiếp kết nối với nhau thông qua các thiết bị điện tử sẽ trở nên đơn giản. SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI 12 do an GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI Trong quá trình phát triển các ứng dụng IoT, việc lựa chọn chuẩn giao thức kết nối sao cho hợp lý là một vấn đề rất quan trọng. Hiện nay có nhiều công nghệ giao tiếp được biết đến như Wifi, Bluetooth, Zigbee, LoRa, RF.4: Mô hình giao tiếp trong mạng thiết bị IoT Các giao thức giao tiếp không dây trong thế giới IoT được thiết kế để thỏa mãn các yêu cầu cơ bản: - Tiêu tốn ít năng lượng cho việc thu/phát sóng.
- Tiêu tốn ít băng thông (để giảm gánh nặng cho router và hệ thống mạng). - Có thể dễ dàng thêm bớt thiết bị. - Tiết kiệm chi phí một cách hợp lý. Giới thiệu về Wifi Hình 2.5: Gateway dùng Wifi trong Internet of Things SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI 13 do an GVHD: TS.
NGUYỄN VĂN THÁI Wifi hiện đã và đang chiếm vai trò rất quan trọng trong cuộc sống, công việc cũng như giải trí thường ngày của chúng ta. Hiểu theo cách nôm na thì Wifi mà mạng kết nối Internet không dây, sử dụng sóng vô tuyến để truyền tín hiệu. Loại sóng vô tuyến này tương tự như sóng điện thoại, truyền hình và radio. Và trên hầu hết các thiết bịđiện tử ngày nay như máy tính, laptop, điện thoại, máy tính bảng… đều có thể kết nối Wifi.
Kết nối Wifi dựa trên các loại chuẩn kết nối IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.11, và chủ yếu hiện nay Wifi hoạt động trên băng tần 54 Mbps và có tín hiệu mạnh nhất trong khoảng cách 100 feet (gần 31 mét). Nguyên tắc hoạt động của Wifi Để có được sóng Wifi thì chúng ta cần phải có bộ phát Wifi - chính là các thiết bị như modem, router. Đầu vào, tín hiệu Internet nguồn (được cung cấp bởi các đơn vị ISP như FPT, Viettel, VNPT, CMC. Thiết bị modem, router sẽ lấy tín hiệu Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển thành tín hiệu vô tuyến, và gửi đến các thiết bị sử dụng như điện thoại smartphone, máy tính bảng, laptop.
Đây là quá trình nhận tín hiệu không dây (hay còn gọi là adapter) - chính là card wifi trên laptop, điện thoại. và chuyển hóa thành tín hiệu Internet. Và quá trình này hoàn toàn có thể thực hiện ngược lại, nghĩa là router, modem nhận tín hiệu vô tuyến từ adapter và giải mã chúng, gửi qua Internet. [7] SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI 14 do an GVHD: TS.
NGUYỄN VĂN THÁI Hình 2.6: Router wifi kết nối các thiết bị 2. Một số chuẩn kết nối Wifi phổ biến Về bản chất kỹ thuật, tín hiệu Wifi hoạt động gửi và nhận dữ liệu ở tần số 2.4GHz và 5GHz, cao hơn khá nhiều so với tần số của điện thoại di động, radio.