Tài liệu ứng dụng công nghệ internet of things trong thu thập và đánh giá nhiệt độ, độ ẩm môi trường

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Đề tài Ứng dụng công nghệ Internet of Things trong thu thập và đánh giá nhiệt độ, độ ẩm môi trường tập trung vào các nội dung chính sau: - Giới thiệu về công nghệ Internet of Things (IoT): Kiến trúc của IoT, Các công nghệ truyền thông trong IoT. - Tìm hiểu về cấu trúc chương trình C cho ESP8266 và Arduino IDE. - Tìm hiểu về quá trình xây dựng ứng dụng IoT trên iot-playground. - Tìm hiểu về Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22, Module Wifi ESP 8266, Module nguồn LM2596. - Ứng dụng công nghệ IoT trong xây dựng giao diện giám sát trên nền Web theo thời gian thực, kèm theo cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm khi vượt ngưỡng. 1 LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáo trong trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông và các thầy cô giáo trong Bộ môn Công nghệ Điện tử, Khoa Công nghệ Điện tử và Truyền thông đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo Thạc sĩ Nguyễn Thanh Tùng đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm báo cáo. Trong thời gian làm việc với thầy, cô, em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học và công tác sau này. Sau cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tâp, nghiên cứu và hoàn thành báo cáo. Thái nguyên, Tháng 06 Năm 2016 SINH VIÊN THỰC HIỆN Ngô Thị Quỳnh Ánh 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những nội dung trong đồ án này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Thạc sĩ Nguyễn Thanh Tùng và nghiên cứu trên Internet, sách báo, các tài liệu trong và ngoài nước có liên quan, không sao chép hay sử dụng bài làm của bất kỳ ai khác. Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan của mình trước các thầy cô và nhà trường. Thái nguyên, Tháng 06 Năm 2016 SINH VIÊN THỰC HIỆN Ngô Thị Quỳnh Ánh 3 MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN....................................................................................................1 LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................2 LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................3 MỤC LỤC...................................................................................................................4 DANH MỤC HÌNH ẢNH ...........................................................................................6 LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN........................................................................................9 1.1. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ...........................................................9 1.1.1. Trên thế giới ......................................................................................................9 1.1.2. Tình hình trong nước .......................................................................................12 1.2. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................14 1.3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài.............................................................................15 1.4. Mục tiêu của đề tài..............................................................................................15 CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ INTERNET OF THINGS .................16 2.1. Tổng quan về Internet of Things .........................................................................16 2.1.1. Giới thiệu về mô hình Internet of Things (IoT) ................................................16 2.1.2. Các công nghệ thành phần ...............................................................................20 2.1.3. Cấu trúc mạng mở rộng....................................................................................30 2.1.4. Các mô hình ứng dụng của IoT ........................................................................32 2.2. Kiến trúc tham chiếu của IoT ..............................................................................36 2.2.1. Tổng quan........................................................................................................36 2.2.2. Phân loại thiết bị IoT và phương thức kết nối internet ......................................37 2.2.3. Các yêu cầu của kiến trúc tham chiếu cho IoT .................................................38 2.2.4. Mô hình tham chiếu của IoT ............................................................................38 2.3. Giới thiệu về điện toán đám mây.........................................................................42 2.3.1. Giới thiệu chung ..............................................................................................42 2.3.2. Các đặc điểm ...................................................................................................43 2.4. Các công nghệ truyền thông trong IoT ................................................................45 2.4.1. Radio Frequency Identification (RFID)............................................................45 2.4.2. Bluetooth .........................................................................................................46 2.4.3. Zigbee..............................................................................................................47 4 2.4.4. Wifi .................................................................................................................51 2.4.5. RF Links ..........................................................................................................53 2.4.6. Mạng di động: Internet di động (Cellular Networks: The Mobile Internet).......54 2.4.7. Truyền thông có dây (Wired Communication) .................................................54 2.4.8. Lựa chọn công nghệ truyền thông cho IoT .......................................................55 CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH BÀI TOÁN.....................................................................57 3.1. Yêu cầu bài toán .................................................................................................57 3.2. Giải pháp thiết kế................................................................................................57 3.2.1. Sơ đồ khối........................................................................................................57 3.2.2. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống..................................................................57 3.3. Lựa chọn linh kiện ..............................................................................................58 3.3.1. Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT22.....................................................................58 3.3.2. Module wifi ESP8266 ......................................................................................60 3.3.3. Khối nguồn LM2596........................................................................................61 CHƯƠNG 4. NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VÀ PHẦN MỀM PHỤ TRỢ .....................63 4.1. Giới thiệu môi trường lập trình Arduino IDE ......................................................63 4.2. Cấu trúc của một chương trình lập trình Arduino ................................................65 4.3. Một số ví dụ lập trình các ứng dụng ....................................................................66 4.3.1. Lập trình Điều khiển led ..................................................................................66 4.3.2. Lập trình gửi dữ liệu ra cổng truyền thông nối tiếp...........................................67 4.4. Lập trình cho ESP8266 trên Arduino IDE...........................................................68 4.4.1. Cấu hình cho Arduino IDE...............................................................................68 4.4.2. Tập lệnh AT giao tiếp với Module ESP8266. ...................................................69 CHƯƠNG 5. THỰC THI THIẾT KẾ ........................................................................71 5.1. Thiết kế phần cứng..............................................................................................71 5.2. Thiết kế phần mềm .............................................................................................71 5.2.1. Lưu đồ thuật toán .............................................................................................71 5.2.2. Server EasyIoT Cloud Beta và cách kết nối với phần cứng ..............................72 5.3. Một số hình ảnh của sản phầm ............................................................................75 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..................................................................77 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................78 PHỤ LỤC..................................................................................................................79 5 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1. Mô hình IoT ...............................................................................................16 Hình 2.2. Mô hình các công nghệ thành phần của IoT. ..............................................20 Hình 2.3. Mô hình hệ thống nhúng giám sát điều khiển từ xa.....................................20 Hình 2.4. Mô hình Ubiquitous computing..................................................................21 Hình 2.5. Xu hướng phát triển của Ubiquitous computing .........................................22 Hình 2.6. So sánh của Mark Weiser về hiện thực ảo và Ubiquitous Computing .........24 Hình 2.7. Mô hình hệ thống mạng thông tin di động tế bào........................................25 Hình 2.8. Mô hình đo lưu lượng nước lũ từ xa ...........................................................26 Hình 2.9. Mô hình mạng cảm biến chuyển tiếp thông tin đến trạm gốc. .....................27 Hình 2.10. Mô hình Mobile Computing. ....................................................................28 Hình 2.11. Mô hình Computing Netwworking ...........................................................29 Hình 2.12. Mô hình mạng mở rộng ............................................................................31 Hình 2.13. Mô hình TCP/IP .......................................................................................32 Hình 2.14. Kiến trúc phần cứng của hai đối tượng thông minh được trang bị các loại thiết bị truyền thông khác nhau. .................................................................................35 Hình 2.15. Cấu phần của IoT .....................................................................................36 Hình 2.16. Hai mô hình kết nối của thiết bị IoT .........................................................38 Hình 2.17. Mô hình tham chiếu của IoT.....................................................................39 Hình 2.18. Mô hình của điện toán đám mây...............................................................43 Hình 2.19. Cơ chế hoạt động của thẻ RFID................................................................45 Hình 2.20. Một loại thẻ chip RFID phổ biến ..............................................................45 Hình 2.21. Hình ảnh module Bluetooth HC05 ...........................................................46 Hình 2.22. Mô hình mạng Zigbee ..............................................................................49 Hình 2.23. Cấu trúc của Zigbee..................................................................................50 Hình 2.24. Mô hình thu phát song Wifi......................................................................52 Hình 2.25. Phân loại tần số ........................................................................................53 Hình 2.26. Module GPRS ..........................................................................................54 Hình 2.27. Cổng kết nối Ethernet...............................................................................55 Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống .............................................................................57 Hình 3.2. Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT22...............................................................58 6 Hình 3.3. Gửi tín hiệu start ........................................................................................59 Hình 3.4. Đọc bit 0 ....................................................................................................59 Hình 3.5. Đọc bit 1 ....................................................................................................60 Hinh 3.6. Module wifi ESP8266 ................................................................................60 Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn LM2596 ........................................................61 Hình 3.8. Cầu trúc bên trong LM2596 .......................................................................62 Hình 3.9. Module LM2596 ........................................................................................62 Hình 4.1. Link download phần mềm Arduino. ...........................................................63 Hình 4.2. Cài đặt Arduino IDE ..................................................................................63 Hình 4.3. Giao diện lập trình Arduino........................................................................64 Hình 4.4. Chức năng các Menu chính ........................................................................64 Hình 4.5. Mở ứng dụng mẫu trong Arduino. ..............................................................65 Hình 4.6. Ví dụ điều khiển led. ..................................................................................66 Hình 4.7. Kết quả thu được trên màn hình Serial .......................................................67 Hình 4.8. Chọn Board................................................................................................68 Hình 4.9. Install ESP8266 vào Arduino IDE..............................................................68 Hình 5.1. Sơ đồ nguyên lý .........................................................................................71 Hình 5.2. Lưu đồ thuật toán phần cứng ......................................................................71 Hình 5.3. Lưu đồ thuật toán server.............................................................................72 Hình 5.4. Giao diện trên iot-playground.....................................................................73 Hình 5.5. Cửa sổ Sign Up ..........................................................................................73 Hình 5.6. Đăng nhập tài khoản vào server..................................................................73 Hình 5.7. Cửa sổ chính của server..............................................................................74 Hình 5.8. Cửa sổ chức năng chính của server............................................................74 Hình 5.9. Thư mục Modules ......................................................................................74 Hình 5.10. Khai báo tên module ...............................................................................75 Hinh 5.11. Thư mục User info ...................................................................................75 Hình 5.12. Hình ảnh thực tế phần cứng sản phẩm (node cảm biến) ............................75 Hinh 5.13. Dữ liệu thu được trên server .....................................................................76 Hinh 5.14. Dữ liệu dạng đồ thị thời gian thực ............................................................76 Hinh 5.15. Gửi Email cảnh báo..................................................................................76 7 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, con người ngày càng chế tạo ra được nhiều các vật dụng thông minh hơn, hiện đại hơn. Từ đó có thể tối ưu hóa các nhu cầu của con người một cách dễ dàng hơn. Mỗi giai đoạn phát triển của lịch sử thế giới đều gắn liền với những cuộc cách mạng về khoa học kĩ thuật.Và ngày nay, cuộc cách mạng Internet of Things đã tạo nên những thay đổi đáng kể cho cuộc sống con người ở hiện tại và trong tương lai. Internet of Things được ứng dụng vào rất nhiều mặt của cuộc sống. Ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, giáo dục , y tế… Đặc biệt là ứng dụng trong việc giám sát sự thay đổi của môi trường, và việc thu thập và đánh giá nhiệt độ độ ẩm môi trường là một phần trong đó.Việc giám sát được nhiệt độ, độ ẩm môi trường thông qua internet là một điều mang tính ứng dụng cao. Nhiệt độ, độ ẩm là một trong những đại lượng vật lý được quan tâm nhiều do nó có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất. Vì thế đề tài: Ứng dụng công nghệ Internet of Things trong thu thập và đánh giá nhiệt độ, độ ẩm môi trường đảm bảo tính cấp thiết, quan trọng mà xã hội phát triển đặt ra. Đồ án gồm 2 phần chính với 5 chương cụ thể như sau: Phần thứ nhất: Cơ sở lý thuyết, tập trung giới thiệu về Internet of Things, tầm quan trọng, tính tương lai phát triển, kiến trúc và ứng dụng của IoT, các công nghệ truyền thông có thể sử dụng trong IoT. Phần này gồm 2 chương: Chương 1. Tổng quan. Chương 2. Giới thiệu về Công nghệ Internet of Things. Phần thứ hai: Tập trung vào thiết kế ứng dụng công nghệ IoT trong xây dựng giao diện giám sát trên nền Web theo thời gian thực, kèm theo cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm khi vượt ngưỡng. Phần này gồm 3 chương: Chương 3. Phân tích bài toán. Chương 4. Ngôn ngữ lập trình và phần mềm phụ trợ. Chương 5. Thực thi thiết kế. 8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Mỗi giai đoạn phát triển của lịch sử thế giới đều gắn liền với những cuộc cách mạng về khoa học kĩ thuật.Và ngày nay, cuộc cách mạng Internet of Things đã tạo nên những thay đổi đáng kể cho cuộc sống con người ở hiện tại và trong tương lai. Với sự phát triển của Internet, smartphone và đặc biệt là các thiết bị cảm biến, Internet of Things (IoT) đang trở thành xu hướng mới của thế giới. IoT được định nghĩa là những vật dụng có khả năng kết nối Internet. Bạn vào nhà, mở khóa cửa, đèn sẽ tự động sáng chỗ bạn đứng, điều hòa sẽ tự động điều chỉnh nhiệt độ, nhạc sẽ tự động bật để chào đón bạn… những điều chỉ có trong phim khoa học viễn tưởng, đang dần trở thành hiện thực với công nghệ IoT. Việc giám sát được nhiệt độ, độ ẩm môi trường là một vấn đề rất quan trọng trong các ngành công nghiệp cũng như nông nghiệp, và thật là tuyệt vời nếu ở bất kỳ nơi đâu và lúc nào nếu bạn có internet thì bạn đề có thể làm được điều đó. Công nghệ Internet of Things khiến điều này trở lên dễ dàng hơn. Nhiệt độ, độ ẩm là một trong những đại lượng vật lý được quan tâm nhiều do nó có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất. Một trong những đặc điểm của nhiệt độ là làm thay đổi liên tục các đại lượng chịu sự ảnh hưởng của nó, ví dụ như áp suất, thể tích của một chất khí. Nó cũng là yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến chính con người chúng ta và tất cả sự sống trên trái đất. Ngày nay khi nền công nghiệp phát triển mạnh, sản phẩm tạo ra ngày càng phong phú thì nhu cầu lưu trữ hàng hóa trong các nhà kho càng lớn.Việc kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm khi bảo quản, lưu trữ sản phảm công – nông nghiệp trong các nhà kho là rất quan trọng. Cũng giống như vậy, trong các phòng thí nghiệm trong bệnh viện, trong các nhà kính trồng cây cảnh, khu sản xuất rau sạch…việc đảm bảo nhiệt độ, độ ẩm cũng là yếu tố quan trọng quyết đến đến chất lượng sản phẩm... 1.1.1.Trên thế giới Thế giới đang chuyển mình mạnh mẽ trước xu thế "Internet of Things" (IoT). Tới năm 2021, dự kiến sẽ có 28 tỉ thiết bị kết nối trong đó có 15 tỉ thiết bị kết nối IoT. Theo báo cáo Ericsson Mobility Report, tới năm 2021, dự kiến sẽ có 28 tỉ thiết bị kết nối trong đó có 15 tỉ thiết bị kết nối IoT bao gồm thiết bị M2M (machine-to9 machine) như đồng hồ đo thông minh, cảm biến trên đường, địa điểm bán lẻ, các thiết bị điện tử tiêu dùng như ti vi, đầu DVR, thiết bị đeo. 13 tỉ còn lại là điện thoại di động, máy tính xách tay PC, máy tính bảng. IDC dự kiến năm 2019, tòan cầu sẽ chi 1.300 tỉ đô la Mỹ cho IoT. Tới năm 2020, theo dự đoán của Gartner thì giá trị gia tăng do IoT mang lại sẽ là 1.900 tỉ đô la Mỹ. Và theo McKinsey, tới năm 2025 IoT sẽ đóng góp vào nền kinh tế toàn cầu là 11.000 tỉ đô la Mỹ. Tới năm 2021, dự kiến số thuê bao sẽ lên tới 9,1 tỉ. Số thuê bao này cao hơn số dân bởi mỗi người có thể sở hữu nhiều thiết bị.Trong các kết nối IoT như vậy, sẽ có bao gồm cả những có đăng ký thuê bao SIM/eSIM được gắn ngay trong thiết bị và cả những thiết bị như điện tử tiêu dùng không cần dùng SIM (Non-SIM). IoT đang diễn ra một cách mạnh mẽ. 50% doanh nghiệp đã bắt đầu triển khai những dự án về IoT. IoT mang lại một cơ hội doanh thu cho rất nhiều ngành và những giải pháp đó bắt đầu thương mại hóa với tốc độ rất nhanh. Ngành dịch vụ tiện ích, giao thông, tòa nhà thông minh và các ngành bán lẻ là những ngành đi đầu trong việc ứng dụng IoT. Tháng 2 vừa qua IBM giới thiệu một công cụ phát triển mã nguồn mở mới được gọi là Quarks. Công cụ này được cho là sẽ giúp các nhà sản xuất và nhà lập trình phát triển ứng dụng của mình hiệu quả hơn, dựa trên dữ liệu từ các cảm biến của thiết bị Internet of Things (IoT). Ứng dụng của Quarks: Thực chất, Quarks dựa trên nền tảng các sản phẩm của IBM Streams, một công cụ doanh nghiệp giúp xử lý lượng lớn các dữ liệu trực tiếp. Nhưng Quarks khác biệt ở chỗ, nó được thiết kế từ đầu để cung cấp cho các nhà sản xuất và nhà lập trình một công cụ mã nguồn mở, cho việc xây dựng các ứng dụng dựa trên các thiết bị kết nối. Ý tưởng này là một biện pháp để họ tận dụng lợi thế để xử lý dữ liệu trực tiếp từ các thiết bị IoT theo cách đơn giản và hiệu quả. Ví dụ, bạn có thể theo dõi sức khỏe của một bệnh nhân tiểu đường với các thiết bị đeo trên người, hoặc một nhân viên làm việc tại mỏ than với chiếc mũ bảo hiểm có gắn các cảm biến. Mỗi tình huống này đều liên quan đến việc giám sát dữ liệu ngay khi cảm biến thu nhận được, sau đó truy cập và truyền dữ liệu đó theo thời gian thực tới người hay thiết bị cần thiết. Ví dụ, khi một cảm biến trên mũ bảo hiểm của người thợ mỏ phát tín hiệu cảnh báo điều kiện không an toàn, họ cần được biết ngay lập tức. Sẽ không thể có độ 10 trễ khi thiết bị truyền dữ liệu về cơ sở dữ liệu của doanh nghiệp, để so sánh với các dữ liệu khác. Trong khi các chương trình có thể tạo điều kiện đẩy nhanh tốc độ giao tiếp giữa thiết bị và thiết bị, thiết bị và con người, nhưng tiềm năng của chúng vẫn chưa kết thúc tại đây. Các phần mềm còn có thể gửi các dữ liệu về doanh nghiệp, để có thể so sánh được với lượng dữ liệu lớn hơn thông qua các thiết bị tương tự theo thời gian. Ví dụ với một thiết bị y khoa, các nhà nghiên cứu có thể xem làm thế nào một nhóm người phản ứng với phác đồ điều trị theo thời gian, hay bác sỹ của các bệnh nhân có thể nhận dữ liệu một cách thường xuyên để theo dõi sức khỏe của các bệnh nhân. Thậm chí, các phần mềm có thể liên kết với nền tảng Watson Health của IBM, để có thể đánh giá tập dữ liệu trong điều kiện y tế. Sau đó, nền tảng này sẽ gửi lại phản hồi cho người bệnh hay bác sỹ để đưa ra phương pháp điều trị thích hợp. Đại diện Ericsson cho biết, ngay từ đầu năm 2016, hãng này đã giới thiệu giải pháp Connected Water với nhiệm vụ giám sát chất lượng nước dựa trên kết nối 4G/LTE và Internet of Things tại triển lãm CES (Mỹ). Ericsson và nhà mạng AT&T hợp tác triển khai giải pháp giúp tổ chức bảo vệ sông Chattahoochee ở Atlanta kiểm soát nước sông và cảnh báo kịp thời về sự ô nhiễm. Lưu vực sông này được sử dụng để cung cấp nguồn nước sinh hoạt cho hơn 4.000 người dân. Các thiết bị cảm biến đầu tiên được đặt ở khu vực đầu nguồn con sông tại Proctor Creek. Dòng chảy của con sông này ảnh hưởng tới hơn 60.000 người dân sinh sống ở các khu công nghiệp, khu dân cư, công viên, trường học quanh đó. Connected Water đặt những cảm biến giá thành rất thấp vào dòng nước trong hệ thống sông hồ. Chúng có vai trò đo và ghi nhận thời gian thực các thông số quan trọng về chất lượng nước như độ sạch, lượng kim loại nặng và liên tục chuyển thông số này qua đám mây và mạng di động thông qua công nghệ LTE Low Power Wide Area (LSWA). Các thiết bị này có tuổi thọ pin rất lâu đảm bảo tính hiệu quả lâu dài, giúp chính quyền địa phương giám sát hiệu quả và có hành động kịp thời, nhanh chóng đối với các vấn đề ô nhiễm nếu xảy ra. Trên thế giới đã và đang nghiên cứu một số hệ thống, thiết bị đo nhiệt độ trong tất cả các lĩnh vực có thể kể đến như : Nhà chế tạo chip vi điều khiển hàng đầu thế giới – Atmel đã cho ra mắt dòng chip đo nhiệt độ có tên gọi AT30TS750, truyền thông theo giao thức số với bộ nhớ EEPROM tích hợp. 11 Alfredo Milani Comparetti đã cho ra đời phần mềm Speedfan theo dõi điện áp, tốc độ quạt và nhiệt độ trong máy tính với màn hình phần cứng chip. Tại Úc các nhà vật lý học thuộc Đại học Adelaide tuyên bố đã chế tạo thành công nhiệt kế chính xác nhất thế giới. Hãng Cypress Micro System đã cho ra đời công nghệ PSOC (Programmable System On Chip) để có thể phát triển các thiết bị đo nhiệt độ dựa trên công nghệ này. 1.1.2. Tình hình trong nước Trước việc IoT phát triển mạnh mẽ trên thế giới, Việt Nam cũng là một nước đón đầu xu thế mới. Ngày 13/11/2015, trong khuôn khổ hội nghị quốc tế với chủ đề: Ứng dụng của Internet of Things cho đô thị thông minh và chất lượng cuộc sống diễn ra tại khu công nghệ cao TP.HCM (SHTP), các ứng dụng IoT trong thực tế, xu hướng công nghệ và thị trường của IoT, khởi nghiệp cùng IoT cùng khuyến nghị của chuyên gia về phát triển trên nền tảng IoT tiếp tục được các nhà khoa học và các chuyên gia trao đổi. Tại Việt Nam, IoT đã được ứng dụng từ lâu dưới các hình thức tự động hóa như hệ thống điều khiển đèn giao thông, hệ thống tưới tiêu tự động …, tuy nhiên chỉ đến năm 2015 thì khái niệm Internet of Things (IoT) mới được nhắc đến nhiều thông qua các hội thảo, hội nghị về xu hướng công nghệ của Cisco, Intel, Hội Tin học TP.HCM và một số công ty trong nước như MobiFone, DTT, Sao Bắc Đẩu. Trước đó, IBM có chiến dịch Hành tinh thông minh hơn nhấn mạnh vào các thành phố thông minh hơn, trong đó Đà Nẵng được chọn thực hiện thí điểm này từ năm 2012-2013. Tuy vậy, hiện chưa có ứng dụng IoT thực sự nào ảnh hưởng mạnh tới đời sống xã hội trong nước. Với giao thông , trong thời gian tới một số ứng dụng như thu phí không dừng, phạt nguội bằng camera dự báo sẽ phổ biến tại các thành phố lớn như TP.HCM, Hà Nội. Các lĩnh vực tiềm năng như y tế điện tử, nông nghiệp thông minh, bất động sản thông minh sẽ cần thêm thời gian để có những ứng dụng IoT phù hợp với Việt Nam. Trong công nghiệp nội địa, sản phẩm IoT của doanh nghiệp trong nước hiện chỉ đếm được trên đầu ngón tay như: sản phẩm chip vi mạch của Trung tâm Nghiên cứu và đào tạo thiết kế vi mạch - ICDREC; hệ thống cảm ứng độ ẩm, nhiệt độ trong nông nghiệp của công ty Mimosa tại hệ sinh thái khởi nghiệp công nghệ - khu công nghệ 12 phần mềm đại học quốc gia TP.HCM; chương trình TUHOC STEM và các dịch vụ trên nền OEP của công ty DTT (trụ sở chính tại Hà Nội). Các hệ thống IoT tại Việt Nam hiện có đều là của các doanh nghiệp nước ngoài, các doanh nghiệp trong nước mới chỉ tập trung vào các ứng dụng trên nền tảng điện thoại di động, máy tính và còn chưa khai thác hết tính thông minh của các hệ thống cảm biến hay khai thác dữ liệu big data. Và đặc biệt các thiết bị phần cứng thì hầu hết là nhập khẩu như camera, thiết bị RFID, các cảm biến hóa học. Giải pháp IoT không chỉ là phần mềm, phần cứng tiêu chuẩn (máy tính, điện thoại) mà còn là các phần cứng đặc thù như camera, RFID, cảm biến môi trường... Có thể thấy, các hệ thống này liên quan tới các ngành vật liệu, hóa học, sinh học, vật lý, y tế và đây là cơ hội cho các ngành khoa học công nghệ tại Việt Nam phối hợp để làm ra những ứng dụng hữu ích. Trong phiên thảo luận về nền tảng cho phát triển IoT của hội nghị, xu hướng nguồn mở trong sự phát triển của IoT thế giới và Việt Nam được thể hiện rõ trong các bài trình bày “Một kiến trúc mở cho việc phát triển nhà tự động” của TS. Phạm Hoàng Anh, Đại học Bách Khoa TP.HCM; “Công nghệ mã nguồn mở, sự tự do phát triển: Nhà Thông minh, Thành phố Thông minh” của ông Pau Ceano, Công ty Vector 3 S.A và “Nền tảng mở cho IoT - Open IoT platfrom – IOP” của ông Nguyễn Thế Trung, Công ty cổ phần công nghệ DTT. Trong phần trình bày của mình, dựa trên thực tế đã triển khai dịch vụ tư vấn chiến lược, kiến trúc tổng thể CNTT, giải pháp CNTT cho giáo dục, y tế, giao thông vận tải và văn hóa theo mô hình PPP (hợp tác công tư) và quá trình tham gia xây dựng chuẩn nguồn mở OIC cùng thế giới, phát triển cộng đồng OIP tại Việt Nam, ông Nguyễn Thế Trung - Tổng giám đốc công ty cổ phần công nghệ DTT - đưa ra 3 khuyến nghị đối với Việt Nam để phát triển IOT. Ông Nguyễn Thế Trung đề nghị Chính phủ khởi tạo một hệ sinh thái sáng tạo hỗ trợ doanh nghiệp vừa và nhỏ (DNVVN) và doanh nghiệp khởi nghiệp thông qua hợp tác với các đối tác toàn cầu để định chuẩn. Thông qua các vườn ươm công nghệ, Chính phủ có chính sách ưu đãi để thu hút các doanh nghiệp khởi nghiệp của khu vực và thế giới tham gia, tận dụng thế mạnh của nguồn nhân lực và chi phí sản xuất tại Việt Nam. 13 Nhằm phục vụ cho yêu cầu sản xuất trong tất cả các ngành kinh tế, nông nghiệp, và công nghiệp... Đã có nhiểu báo cáo, tài liệu nghiên cứu về vai trò và các giải pháp kiểm soát nhiệt độ như: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống đo giám sát nhiệt, ẩm cho các kho nông lâm sản có môi trường khắc nghiệt của Phạm Minh Tuấn, Phạm Thượng Cát, Trần Đức Minh, Viện Công nghệ Thông Tin, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất cơ lý của mặt đường bê tông nhựa của TS. Nguyễn Thống Nhất và ThS. Trần Văn Thiện, mục đích của đề tài nhằm tạo được mặt đường bê tông nhựa có chất lượng, có cường độ ổn định và tuổi thọ cao. Đề tài nghiên cứu khoa học độc lập cấp nhà nước “Ảnh hưởng của Enso đến các cực trị nhiệt độ và lượng mưa ở Việt Nam và khả năng dự báo” của Nguyễn Đức Ngữ, Trung tâm Khoa học công nghệ Khí tượng Thủy văn và Môi trường đã làm sáng tỏ cơ chế tác động của ENSO và đánh giá khả năng dự báo mùa đối với sự xuất hiện các cực trị nhiệt độ và lượng mưa trên cơ sở các thông tin, nhận thức về ENSO. 1.2. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay trong đời sống cũng như xã hội việc ứng dụng công nghệ Internet of Things là rất cần thiết, con người có thể điều khiển mọi thứ xung quanh mình nhanh và hiệu quả hơn.Vì vậy vậy chúng ta tìm hiểu về nó là một điều thật sự đúng đắn. Hiện nay trong đời sống và tất cả các lĩnh vực khác về kinh tế, quốc phòng, công nghiệp, nông nghiệp,... việc đo và cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm đóng vai trò hết sức quan trọng vì nó liên quan đến chất lượng sản phẩm. Ví dụ như cảnh báo quá nhiệt trong lò luyện kim, cán thép, hệ thống đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường đất để phục vụ tưới tiêu.... Do đó việc nghiên cứu và thiết kế các hệ thống đo và cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm ngày càng đòi hỏi độ chính xác cao đáp ứng nhu cầu của thị trường. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ và hệ thống thông tin thì việc đo và cảnh báo an toàn về nhiệt độ , độ ẩm sẽ được đảm bảo chính xác và từ đó kịp thời hạn chế các hậu quả do nhiệt độ, độ ẩm gây ra ở mức thấp nhất. Các hệ thống đo và cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm sẽ giúp cho con người chủ động hơn trong việc cảnh báo an toàn cho các hệ thống dây chuyền, các kho bảo quản sản phẩm, cũng như cảnh báo cho chính con người chúng ta. Do vậy việc thực hiện đề tài: Ứng dụng công nghệ Internet of Things trong thu thập và đánh giá nhiệt độ, độ ẩm môi trường đảm bảo tính cấp thiết, quan trọng trong sự phát triển của thế giới hiện đại. 14 1.3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài Đề tài ứng dụng công nghệ Internet of Things trong thu thập và đánh giá nhiệt độ độ ẩm môi trường có thể được ứng dụng thực tiễn trong các ngôi nhà thông minh, ứng dụng trong nông nghiệp ở các trang trại cần sự đảm bảo về nhiệt độ độ ẩm( trang trại chăn nuôi gà, trồng nấm, vườn ươm cây, lò ấm trứng…). Ứng dụng trong công nghiệp để đảm bảo tính chính xác trong sản xuất. Sản phẩm cũng có thể được ứng dụng trong giám sát, quan trắc, thời tiết môi trường. Dựa vào sự thay đổi của nhiệt độ độ ẩm môi trường theo thời gian để có những dự báo cũng như biện pháp phù hợp với khu vực cần khảo sát thực nghiệm. 1.4. Mục tiêu của đề tài Đề tài ứng dụng công nghệ Internet of Thing trong thu thập và đánh giá nhiệt độ độ ẩm môi trường có mục tiêu cần đạt được là: - Nghiên cứu và tìm hiểu lý thuyết chung về công nghệ Internet of Things - Ứng dụng công nghệ Internet of Things vào việc thiết kế thi công sản phẩm thu thập và đánh giá nhiệt độ, độ ẩm môi trường. 15 CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ INTERNET OF THINGS 2.1. Tổng quan về Internet of Things 2.1.1. Giới thiệu về mô hình Internet of Things (IoT) 2.1.1.1. IoT là gì? IoT (Internet of Things) là một mạng lưới gồm các đối tượng có khả năng kết nối Internet và tác động qua lại giữa các dịch vụ web. IoT không chỉ là các máy "giao tiếp" với nhau mà còn nhiều thứ khác nữa, bao gồm khả năng thay đổi hoàn toàn thế giới, cả trong cuộc sống và cách chúng ta cảm nhận trong thực tế. Hình 2.1. Mô hình IoT IoT là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết (identifiable) cũng như chỉ sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối. 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 (một phương thức giao tiếp không dây dùng sóng radio) cũng như một số loại cảm biến khác. IoT sau đó cũng được dùng nhiều trong các ấn phẩm đến từ các hãng và nhà phân tích. Vào tháng 6 năm 2009, Ashton từng cho biết rằng "hiện nay máy tính - và Internet gần như phụ thuộc hoàn toàn vào con người để chuyển tải dữ liệu. Gần như tất cả 16 trong số 50 Petabyte dữ liệu đang có trên Internet (vào thời điểm đó) đều được ghi lại hoặc tạo ra bởi con người chúng ta, thông qua các cách thức như gõ chữ, nhấn nút, chụp ảnh, quét mã vạch... Con người chính là nhân tố quyết định trong thế giới Internet hiện nay. Thế nhưng con người lại có nhiều nhược điểm: chúng ta chỉ có thời gian hạn chế, khả năng tập trung và độ chính xác cũng ở mức thấp so với máy móc. Điều đó có nghĩa là chúng ta không giỏi trong việc thu thập thông tin về thế giới xung quanh, và đây là một vấn đề lớn. Một quan điểm khác lại cho rằng, IoT gồm các đối tượng thông minh có thể được điều khiển và tương tác với những đối tượng có thể đáp ứng tương tác từ xa, hay có thể làm việc độc lập nhằm cung cấp các dịch vụ và giải pháp mà không cần sự can thiệp của con người. Hiện nay, IoT đang trải qua giai đoạn phát triển "bộc phát" và điều này xảy ra nhờ vào một số nhân tố, trong đó gồm IPv6, 4G, chi phí, tính sẵn có của công nghệ. Trong những năm tiếp theo, bạn sẽ thấy ngày càng có nhiều thiết bị trên thị trường. Những thách thức đang diễn ra là quản lý dữ liệu và chuyển sang IPv6 (IPv6 đã sẵn sàng và chạy với địa chỉ đã được cấp phát. IPv4 đã cạn kiệt và 2011 chỉ còn lại những địa chỉ cuối cùng). 2.1.1.2. Xu hướng và tính chất của IoT 2.1.1.2.1. Sự thông minh Sự thông minh và tự động trong điều khiển thực chất không phải là một phần trong ý tưởng về IoT. Các máy móc có thể dễ dàng nhận biết và phản hồi lại môi trường xung quanh (ambient intelligence), chúng cũng có thể tự điều khiển bản thân (autonomous control) mà không cần đến kết nối mạng. Việc tích hợp trí thông minh vào IoT còn có thể giúp các thiết bị, máy móc, phần mềm thu thập và phân tích các dấu vết điện tử của con người khi chúng ta tương tác với những thứ thông minh, từ đó phát hiện ra các tri thức mới liên quan tới cuộc sống, môi trường, các mối tương tác xã hội cũng như hành vi con người. 2.1.1.2.2. Kiến trúc dựa trên sự kiện Các thực thể, máy móc trong IoT sẽ phản hồi dựa theo các sự kiện diễn ra trong lúc chúng hoạt động theo thời gian thực. Một số nhà nghiên cứu từng nói rằng một mạng lưới các sensor chính là một thành phần đơn giản của IoT. 17 2.1.1.2.3. Là một hệ thống phức tạp Trong một thế giới mở, IoT sẽ mang tính chất phức tạp bởi nó bao gồm một lượng lớn các đường liên kết giữa những thiết bị, máy móc, dịch vụ với nhau, ngoài ra còn bởi khả năng thêm vào các nhân tố mới. 2.1.1.2.4. Kích thước Một mạng lưới IoT có thể chứa 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và mạng lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng. Một người trong thành thị có thể bị bao bọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối tượng có khả năng theo dõi. 2.1.1.2.5. Vấn đề không gian, thời gian Trong IoT, vị trí địa lý chính xác của một vật nào đó là rất quan trọng. Hiện nay, Internet chủ yếu được sử dụng để quản lí thông tin được xử lý bởi con người. Do đó những thông tin như địa điểm, thời gian, không gian của đối tượng không mấy quan trọng bởi người xử lí thông tin có thể quyết định các thông tin này có cần thiết hay không, và nếu cần thì họ có thể bổ sung thêm. Trong khi đó, IoT về lý thuyết sẽ thu thập rất nhiều dữ liệu, trong đó có thể có dữ liệu thừa về địa điểm, và việc xử lí dữ liệu đó được xem như không hiệu quả. Ngoài ra, việc xử lí một khối lượng lớn dữ liệu trong thời gian ngắn đủ để đáp ứng cho hoạt động của các đối tượng cũng là một thác thức hiện nay. 2.1.1.2.6. Luồng năng lượng mới Hiện nay, IoT đang trải qua giai đoạn phát triển "bộc phát" và điều này xảy ra nhờ vào một số nhân tố, trong đó gồm IPv6, 4G, chi phí, tính sẵn có của công nghệ. ARM đã "nhanh chân" trong việc nhận ra rằng, ổ đĩa có xu hướng sử dụng các bộ vi điều khiển 32-bit là giải pháp cho những người có ý định thực hiện một số quyết định của riêng họ theo một cách tự động. Gary tin rằng, khả năng của các bộ vi điều khiển này ngày càng tăng, điều này có nghĩa là người dùng có thể làm những điều mà trước đây là bất khả. Axel Pawlik, Giám đốc quản lý của RIPE NCC lý giải tại sao IPv6 cần thiết cho tương lai của IoT, với IPv6 chúng ta sẽ có lượng địa chỉ phong phú và điều này sẽ mở ra khả năng gán địa chỉ cho mỗi thiết bị (gadget) và chip. Các giải pháp sẽ dễ dàng và đơn giản hơn, rõ ràng hơn, có thể phục hồi đến từng mục địa chỉ riêng, và phạm vi phát triển vô cùng to lớn. 18 2.1.1.3. Những thách thức ảnh hưởng đến sự phát triển của mô hình IoT 2.1.1.3.1. Chưa có sự chuẩn hóa Sự chuẩn hóa ở đây được hiểu như là một ngôn ngữ giao tiếp chung. Ở mức cơ bản nhất, Internet là một mạng dùng để nối thiết bị này với thiết bị khác. Nếu chỉ riêng có kết nối không thôi thì không có gì đảm bảo rằng các thiết bị biết cách giao tiếp với nhau (ví dụ như bạn có thể đi từ Việt Nam đến Mỹ, nhưng không đảm bảo rằng bạn có thể nói chuyện tới với người Mỹ). Để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau, chúng sẽ cần một hoặc nhiều giao thức (protocols), có thể xem là một thứ ngôn ngữ chuyên biệt để giải quyết một tác vụ nào đó. Chắc chắn bạn đã ít nhiều sử dụng một trong những giao thức phổ biến nhất thế giới, đó là HyperText Transfer Protocol (HTTP) để tải web. Ngoài ra chúng ta còn có SMTP, POP, IMAP dành cho email, FTP dùng để trao đổi file, …vv. Những giao thức như thế này hoạt động ổn bởi các máy chủ web, mail và FTP thường không phải nói với nhau nhiều, khi cần, một phần mềm phiên dịch đơn giản sẽ đứng ra làm trung gian để hai bên hiểu nhau. Còn với các thiết bị IoT, chúng phải đảm đương rất nhiều thứ, phải nói chuyện với nhiều loại máy móc thiết bị khác nhau. Đáng tiếc rằng hiện người ta chưa có nhiều sự đồng thuận về các giao thức để IoT trao đổi dữ liệu. 2.1.1.3.2. Hàng rào subnetwork Như đã nói ở trên, thay vì giao tiếp trực tiếp với nhau, các thiết bị IoT hiện nay chủ yếu kết nối đến một máy chủ trung tâm do hãng sản xuất, một nhà phát triển nào đó quản lí. Cách này cũng vẫn ổn, những thiết bị vẫn hoàn toàn nói được với nhau thông qua chức năng phiên dịch của máy chủ. Thế nhưng mọi chuyện không đơn giản như thế, cứ mỗi một mạng lưới như thế tạo thành một subnetwork riêng, và vấn đề là các máy móc nằm trong subnetwork này không thể giao tiếp tốt với subnetwork khác. Một số trong những vấn đề nói trên chỉ đơn giản là vấn đề về kiến trúc mạng, về kết nối mà các thiết bị sẽ liên lạc với nhau (Wifi, Bluetooth, NFC,...). Những thứ này thì tương đối dễ khắc phục với công nghệ không dây ngày nay. Còn với các vấn đề về giao thức thì phức tạp hơn rất nhiều, nó chính là vật cản lớn và trực tiếp trên còn đường phát triển của Internet of Things. 2.1.1.3.3. Chi phí phát triển mạng Cách duy nhất để các thiết bị IoT có thể thật sự giao tiếp đó là khi có một động lực kinh tế đẩy mạnh khiến các nhà sản xuất đồng ý chia sẻ quyền điều khiển cũng như dữ 19 liệu mà các thiết bị của họ thu thập được, hiện tại các động lực này không nhiều. Ví dụ: một công ty thu gom rác muốn kiểm tra xem các thùng rác có đầy hay chưa. Khi đó, họ phải gặp nhà sản xuất thùng rác, đảm bảo rằng họ có thể truy cập vào hệ thống quản lí của từng thùng một. Điều đó khiến chi phí bị đội lên, và công ty thu gom rác có thể đơn giản chọn giải pháp cho một người chạy xe kiểm tra từng thùng một. 2.1.2. Các công nghệ thành phần Hình 2.2. Mô hình các công nghệ thành phần của IoT. 2.1.2.1. Hệ thống nhúng (Embedded Systems) Hình 2.3. Mô hình hệ thống nhúng giám sát điều khiển từ xa 20