Xử Lý Song Song Trên Kiến Trúc Cận Biên Cho Ứng Dụng Nhà Thông Minh

Khóa luận trình bày phương pháp xử lý song song trên kiến trúc cận biên cho ứng dụng nhà thông minh, nâng cao hiệu suất và khả năng tương tác.

Chuyên ngành

Công nghệ thông tin

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

khóa luận tốt nghiệp

2023

69
2
0

Phí lưu trữ

30 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CÁM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1. Đặt vấn đề

1.2. Lý do chọn đề tài, mục tiêu và phạm vi

1.2.1. Lý do chọn đề tài

1.2.2. Mục tiêu

1.2.3. Phạm vi nghiên cứu

2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

2.1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước

2.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

2.2. Tính khoa học và tính mới của đề tài

2.3. Lý thuyết liên quan

2.3.1. Chỉ số AQI

2.3.2. Nghiên cứu chỉ số đánh giá chất lượng không khí trong nhà

2.3.3. Mô hình chỉ số phụ AQI dựa trên sự thoải mái

2.3.4. Xây dựng chất lượng không khí trong nhà PMV (IAQ)

2.3.5. Thuật toán Decision Tree

2.3.6. Thư viện face_TECOTI IOT

2.3.7. Thư viện ReactJS

2.3.8. NodeJS Runtime

2.3.9. Kỹ thuật xử lý song song

3. CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI MÔ HÌNH

3.1. Tổng quan hệ thống IoT

3.2. Mô hình dự đoán chất lượng không khí

3.3. Mô hình giám sát an ninh trong nhà thông minh

3.3.1. Quá trình nhận diện khuôn mặt

3.3.2. Quá trình đồng bộ hóa dữ liệu giữa các hệ thống mạng

3.3.3. Streaming video cùng Flask

4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

4.1. Thực nghiệm mô hình nhận diện khuôn mặt và tính năng streaming của giải pháp

4.1.1. Thực nghiệm trên máy cá nhân

4.1.2. Thực nghiệm trên các thiết bị cận biên

4.2. Thực nghiệm mô hình đồng bộ dữ liệu giữa các hệ thống

4.3. Thực nghiệm mô hình dự đoán chất lượng không khí

4.3.1. Thu thập và xử lý dữ liệu

4.3.2. Thực nghiệm mô hình trên tập dữ liệu test

5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

5.1. Kết luận

5.2. Hạn chế

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Xử Lý Song Song Trên Kiến Trúc Cận Biên

Xử lý song song trên kiến trúc cận biên đang trở thành một xu hướng quan trọng trong lĩnh vực công nghệ thông tin, đặc biệt là trong các ứng dụng nhà thông minh. Kiến trúc cận biên cho phép xử lý dữ liệu gần với nguồn dữ liệu, giúp giảm độ trễ và tăng tốc độ xử lý. Điều này rất cần thiết trong bối cảnh Internet of Things (IoT) ngày càng phát triển, nơi mà hàng triệu thiết bị kết nối và thu thập dữ liệu liên tục.

1.1. Khái Niệm Về Kiến Trúc Cận Biên

Kiến trúc cận biên (Edge Architecture) là mô hình phân phối xử lý dữ liệu gần với nguồn dữ liệu. Điều này giúp giảm tải cho băng thông và cải thiện hiệu suất hệ thống. Các thiết bị cận biên như Raspberry Pi hay Jetson Nano có thể xử lý dữ liệu ngay tại chỗ, mang lại lợi ích lớn cho các ứng dụng IoT.

1.2. Lợi Ích Của Xử Lý Song Song

Xử lý song song giúp tăng tốc độ xử lý dữ liệu, giảm độ trễ và cải thiện khả năng phản hồi của hệ thống. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng nhà thông minh, nơi mà thời gian thực là yếu tố quyết định cho sự an toàn và tiện nghi của người dùng.

II. Thách Thức Trong Việc Triển Khai Xử Lý Song Song

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc triển khai xử lý song song trên kiến trúc cận biên cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như quản lý tài nguyên, độ tin cậy của dữ liệu và khả năng mở rộng của hệ thống cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Quản Lý Tài Nguyên Hạn Chế

Các thiết bị cận biên thường có tài nguyên phần cứng hạn chế, điều này có thể ảnh hưởng đến khả năng xử lý song song. Cần có các giải pháp tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất cao nhất cho hệ thống.

2.2. Độ Tin Cậy Của Dữ Liệu

Độ tin cậy của dữ liệu thu thập từ các cảm biến là rất quan trọng. Việc xử lý dữ liệu không chính xác có thể dẫn đến những quyết định sai lầm trong các ứng dụng nhà thông minh, ảnh hưởng đến sức khỏe và an toàn của người dùng.

III. Phương Pháp Xử Lý Song Song Trên Thiết Bị Cận Biên

Để triển khai xử lý song song hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp và công nghệ hiện đại. Việc sử dụng các mô hình máy học và công nghệ streaming có thể giúp tối ưu hóa quá trình xử lý dữ liệu.

3.1. Sử Dụng Mô Hình Máy Học

Mô hình máy học có thể được áp dụng để phân tích và dự đoán chất lượng không khí trong nhà. Việc này không chỉ giúp cải thiện an ninh mà còn đảm bảo sức khỏe cho người dùng.

3.2. Công Nghệ Streaming Video

Công nghệ streaming video cho phép giám sát an ninh trong thời gian thực. Việc tích hợp với các hệ thống nhận diện khuôn mặt giúp tăng cường bảo mật cho ngôi nhà thông minh.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Xử Lý Song Song

Xử lý song song trên kiến trúc cận biên đã được áp dụng thành công trong nhiều ứng dụng thực tiễn. Các hệ thống giám sát an ninh và chất lượng không khí trong nhà thông minh là những ví dụ điển hình.

4.1. Giám Sát An Ninh

Hệ thống giám sát an ninh sử dụng công nghệ nhận diện khuôn mặt và streaming video giúp người dùng theo dõi tình hình an ninh trong thời gian thực, từ đó đưa ra các cảnh báo kịp thời.

4.2. Đo Đạc Chất Lượng Không Khí

Việc đo đạc chất lượng không khí trong nhà thông minh giúp người dùng nhận biết được các yếu tố có thể gây hại đến sức khỏe. Hệ thống cảnh báo sẽ thông báo cho người dùng khi có sự thay đổi bất thường.

V. Kết Luận Về Tương Lai Của Xử Lý Song Song

Xử lý song song trên kiến trúc cận biên hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ trong tương lai. Với sự gia tăng của các thiết bị IoT, nhu cầu về các giải pháp xử lý dữ liệu hiệu quả sẽ ngày càng cao.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ

Công nghệ xử lý song song sẽ ngày càng được cải tiến, giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống nhà thông minh.

5.2. Tác Động Đến Cuộc Sống Hàng Ngày

Việc áp dụng các giải pháp xử lý song song sẽ mang lại nhiều tiện ích cho người dùng, từ việc cải thiện an ninh đến nâng cao chất lượng cuộc sống trong môi trường sống thông minh.

10/07/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1.1 Dat van dé Phát triển nhà thông minh luôn là một trong những chủ dé được quan tâm bởi những nhà nghiên cứu về mạng lưới vạn vật kết nối. Một trong số đó phải kế đến nhận diện gương mặt, dự đoán chất lượng không khí và lợi ích của mô hình khi áp dụng vào mô hình nhà thông minh. Ví dụ như mô hình nhận diện gương mặt thường áp dụng dé tăng cường an ninh [11], hay diém danh bang nhan dién guong mat. Đối với mô hình dự đoán chất lượng không khí sẽ cảnh báo con với yếu tố có thê gây hại đến sức khỏe con người [12].

Nhưng có một van đề đặt ra đối với mô hình này là làm thé nao dé những mô hình có tính thời gian thực cũng như việc giảm thiêu độ trễ xử lý tín hiệu. Một vài bài nghiên cứu cho thay rang dé cải thiện độ trễ cũng như tínhh thời gian thực, họ đã đưa việc xử lý dữ liệu về trên các thiết bị cận biên trong mô hình mạng [13].2 Lý do chọn đề tài, mục tiêu và phạm vi 1.1 Ly do chọn đề tài Vì IoT là một lĩnh vực mang lại nhiều sự tiện lợi cũng như lợi ích cho con người trong việc tự động hóa nhà cửa. Xử lý dữ liệu trên các thiết bị cận biên mang lại lợi ích như cải thiện độ trễ và quyết định thời gian thực. Bên cạnh đó, tính mở rộng của xử lý song song cho phép tích hợp với sự tăng dần về mặt số lượng của các thiết bị thông minh và xử lý các nhiệm vụ phức tap.

Bằng cách khám pha đề tài nay, có thé thấy tiềm năng của Edge Computing tạo ra trong nhà thông minh rất hiệu quả, đáng tin cậy và góp phan nâng cao chất lượng tổng thé của người dùng.2 Mục Tiêu e Tìm hiểu các thiết bị có thé được dùng làm thiết bị cận biên, cũng như các thiết bị IoT dé thu thập dữ liệu thô. e Kết hợp hệ thong nhận diện khuôn mặt va stream video dé quan ly an ninh, với hệ thống đo đạc, xử ly dữ liệu chất lượng không khí dé đảm bảo sức khỏe. e_ Triển khai hệ thống trên vào thực tế và đo đạc hiệu năng khi áp dụng kỹ thuật “parallel processing”. e Xây dựng được một hệ thống giám sát trong nhà thông minh, về mặt an ninh và mặt chất lượng không khí trong nhà ở cá nhân.

Phạm vi nghiên cứu e Các thiết bị, cảm biến thu dữ liệu. e_ Các máy tính nhúng có thé đóng vai trò là thiết bị cận biên Jetson Nano, Raspberry PI. e Cloud Computing với AWS cloud. e Các thư viện, framework hỗ trợ như ReactJS, NodeJS, Flask.

e Cơ sở dữ liệu không quan hệ như MongoDB. Tổng quan Chương 2.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2.1 Tinh hình nghiên cứu ngoài nước Việc áp dụng công nghệ IoT vào hệ thống nhà ở đã không còn quá xa lạ với người dùng thông thường, từ các cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, giọng nói, chuyển động,. Tuy nhiên các nghiên cứu về lĩnh vực này vẫn không ngừng được đưa ra, có rất nhiều đề tài về IoT mà các nhà nghiên cứu có thé khai thác như quan lý an ninh, tự động hóa,. Và dé tối ưu hóa thời gian xử lý dữ liệu, giảm tải cho băng thông, tăng tốc độ xử lý, các nhà nghiên cứu có xu hướng đưa việc xử lý dữ liệu thô từ các server “lớn” về thiết bị cận biên nhỏ gọn, gan sát với các thiết bi cảm biến hơn như trong bài nghiên cứu của H.

Trong nghiên cứu này, tác giả đã deploy các dịch vụ hỗ trợ tạo ra hệ thống nhà thông minh như về an ninh, tự động hóa, giảm điện năng tiêu thụ, băng thông,. và tất cả chúng được chạy trên nền Raspberry Pi. Bên cạnh đó việc áp dụng các mô hình máy học cũng như mô hình học sâu vào những hệ thống IoT cũng góp phần nâng cao tính “thông minh” của các thiết bị này.Park [14] dé xuất một nghiên cứu ứng dụng mô hình máy học là Decision Tree vào giải quyết vấn đề dự đoán chất lượng không ở thành phố Khulna ở Bangladesh. Tác giả đã sử dung dataset air quality (AQ) của Department of Environment (DOE) và dataset về các chỉ số về thời tiết trong dự án National Aeronautics & Space Administration (NASA) - Prediction of Worldwide Energy Resources (POWER), chia ra thành hai tap train va test với ti lệ 8:2 và thu được độ chính xác gần 98.

Cũng có những bài nghiên cứu về việc sử dụng deep learning trên các thiết bị cận biên. Như các tác giả Seraphin B. Calo, Maroun Touna; Dinesh C. Verma; Alan Cullen [15] có đề xuất giải pháp kiến trúc hỗ trợ chạy các tác vụ deep learning trên thiết bị cận biên nhưng vẫn giữ được hiệu năng ồn định như khi chạy trên các máy Chương 2.

Tổng quan tính server, cloud. Giải pháp này xử lý dữ liệu dau vào từ các cảm biên trên tang cận biên, thay vì tập trung vào một máy chủ dé xử lý.2 Tinh hình nghiên cứu trong nước Việc nghiên cứu về IoT ở trong nước cũng đã và đang được day mạnh dé có thé bắt kịp với trình độ khoa học kỹ thuật của thế giới. Như sau đại dịch COVID-19, xuất hiện bài nghiên cứu ứng dụng IoT vào hỗ trợ kiểm soát vẫn đề lây lan của virus bằng cách phân biệt người không đeo khâu trang với người có đeo và kiểm soát khoảng cách tối thiểu giữa hai người với nhau thông qua một IP camera của PGS.TS Quan Le - Trung [16]. Giải pháp này đề xuất một kiến trúc 3 tầng gồm tầng đám mây tập trung (Centralize Cloud) sẽ host một web server tạo kết nối đến cơ sở dữ liệu, một trang web dashboard dé quản sát video được stream từ camera an ninh, kiểm soát khoảng cách tối thiểu giữa hai người cũng như vấn đề đeo khẩu trang; tầng thứ hai gồm các thiết bị cận biên chạy dịch vụ nhận diện đeo khẩu trang và đo khoảng cách, các dịch vu được đóng gói vào Docker Container rồi được deploy trên kubernetes k3s cluster dung lượng nhẹ.

Và sẽ được deploy trên cả Jetson Nano, Raspberry Pi để góp phần tăng tính mở rộng, tính sẵn sàng, khả năng tự vá lỗi, khả năng tự tối ưu tài nguyên, độ ồn định và khả năng tự động deploy trên các dịch vụ cận biên; cuối cùng là tang thiệt bi dau cuôi gôm các camera kêt nôi đên các dich vụ AI ở thiệt bi cận biên. Trong những năm gần đây vấn đề về chất lượng không khí trong môi trường sống con người được chú trọng hơn bao giờ hết do dấy lên nhiều vấn đề về bụi mịn, ô nhiễm,. Chính vì vậy mà nghiên cứu khoa học của tác giả Tạng Nguyễn — Tân và Quân Lê — Trung [17] được đề ra dé nghiên cứu về tác động của chất lượng không khí lên sức khỏe con người. Nghiên cứu này đề xuất một mô hình có nền mạng thần kinh đồ thị, mô hình gồm năm tầng đồ thị như timestamp graph message passing dé thong kê, tong hợp dữ liệu dựa trên đồ thị; timestamp graph convolution layer dé mở rộng features; temporal graph message passing layer dé tong hợp dữ liệu dựa trên đồ thị chuỗi thời gian; temporal graph convolution layer dé tách feature dựa trên đồ thị chuỗi thời gian; simple artificial neural network dé phan loai đồ thi dựa trên dé liệu ở các nodes.

Đầu vào của hệ thống là dữ liệu chuỗi thời gian của bốn chỉ số CO, NO2, Chương 2. Tổng quan O3 và PM2.5, đầu ra là các một trong các trường hợp sau: “fresh”, “polluted”, “headaches”, “pneumonia”, TT. “convulsions” hoặc là “nausea”, hoặc “death”.2 Tinh khoa học và tinh mới của đề tài Sử dụng kỹ thuật xử lý song song trong mô hình streaming video và nhận diện khuôn mặt đề tạo ra một hệ thống đảm bảo chất lượng sống trong nhà thông minh, cụ thé là đo đạc chất lượng không khí trong nhà ở cá nhân, phát hiện nồng độ các loại khí như CO2, PM10 và HCHO. Hình 2-1 Ví dụ về ba hệ thống mạng khác nhau Mô hình được đề xuất áp dụng giải pháp đồng bộ hóa hệ thong nhận diện khuôn mặt khắp các hệ thong mang khác nhau.

Xét một mô hình đơn giản như trên, với A, B và C tượng trưng cho ba hệ thong mang khác nhau, mỗi hệ thong mang thudc về một ngôi nhà, mỗi ngôi nhà lại có nhu cầu về van dé an ninh như nhau đó là yêu cầu khuôn mặt của họ phải được nhận ra ở toàn bộ các hệ thống mạng mặc dù việc đăng ký khuôn mặt chỉ cần phải diễn ra ở một nơi. Một gia dụ dé làm rõ van đề gặp phải như sau: một người có ba ngôi nhà A, B và C, người đó đăng ký khuôn mặt của mình ở A và đi sang ngôi nhà B, lúc này nhu cầu của người đó chính là hệ thống B có thể nhận diện được khuôn mặt mình, điều này được áp dụng kế cả OC. Trong tình huống như vậy, việc đồng bộ hóa dữ liệu của mô hình nhận diện khuôn mặt giữa ba hệ thống mạng trở nên cấp thiết và không thể thiếu nhằm đảm bảo trải nghiệm người dùng cũng như thé hiện độ hoàn thiện của hệ thống. Tổng quan Về cơ bản thì khi hệ thống nhận diện khuôn mặt ở hệ thống mang A được train với một tap dataset mới, thì hệ thong nhận diện khuôn mặt ở hệ thong mang B sé được cập nhật thêm dữ liệu mới trong thời gian thực, việc nay giúp đồng bộ hóa nhiều hệ thống nhận diện khuôn mặt ở những vi trí cách xa nhau như đã ví du ở trên.3 Lý thuyết liên quan 2.1 Jetson Nano NVIDIA! Jetson Nano Developer Kit B01 là một máy tính nhỏ và mạnh mẽ cho phép chạy nhiều mạng neuron song song ứng dụng trong xử lý hình ảnh, nhận diện vật thé, xử lý ngôn ngữ, âm thanh,.

Tat cả đều được xử lý trên nền một thiết bị nhỏ gọn chỉ sử dụng 5W điện. Jetson Nano được trang bị 472 GFLOPS dé chạy các thuật toán Machine Learning/Deep Learning, một CPU quad-core 64-bit kiến trúc ARM, một GPU của chính NVIDIA 128-core được tích hợp trên bo mạch và bộ nhớ trong 4GB LPDDR4. Phù hợp dé chạy song song nhiều neural network và xử lý đồng thời các cảm biến có độ phân giải cao. Jetson Nano cũng được hỗ trợ bởi NVIDIA JetPack.

Bao gồm các gói hỗ trợ board (BSP), CUDA, cuDNN và thư viện phần mềm TensorRT cho deep learning, computer vision, GPU computing, multimedia processing và nhiều ứng dụng khác.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu có tiêu đề "Xử Lý Song Song Trên Kiến Trúc Cận Biên Cho Ứng Dụng Nhà Thông Minh" khám phá các phương pháp xử lý song song trong kiến trúc cận biên, đặc biệt trong bối cảnh ứng dụng nhà thông minh. Tài liệu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tối ưu hóa hiệu suất và khả năng phản hồi của các thiết bị thông minh, giúp người dùng có trải nghiệm tốt hơn trong việc quản lý và điều khiển thiết bị trong nhà.

Độc giả sẽ tìm thấy những lợi ích rõ ràng từ việc áp dụng các công nghệ mới này, bao gồm khả năng tiết kiệm năng lượng, tăng cường an ninh và cải thiện sự tiện nghi trong cuộc sống hàng ngày. Để mở rộng thêm kiến thức về lĩnh vực này, bạn có thể tham khảo tài liệu "Đồ án hcmute thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà thông qua amazon alexa và cảnh báo chống trộm", nơi bạn sẽ tìm thấy thông tin về việc tích hợp Amazon Alexa vào hệ thống nhà thông minh.

Ngoài ra, tài liệu "Đồ án hcmute điều khiển và giám sát thiết bị trong nhà với sự hỗ trợ của google assistant" sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về việc sử dụng Google Assistant để giám sát và điều khiển thiết bị. Cuối cùng, bạn cũng có thể tham khảo "Đồ án hcmute thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà" để hiểu rõ hơn về các giải pháp giám sát và điều khiển thiết bị điện trong môi trường sống hiện đại. Những tài liệu này sẽ giúp bạn mở rộng kiến thức và hiểu rõ hơn về các ứng dụng của công nghệ trong nhà thông minh.