Tài liệu Nghiên cứu hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lượng nước tiêu thụ tại việt nam

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG THEPHAVONG Valaphone NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG THU THẬP DỮ LIỆU VỀ LƢỢNG NƢỚC TIÊU THỤ TẠI VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Thái Nguyên - 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG THEPHAVONG Valaphone NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG THU THẬP DỮ LIỆU VỀ LƢỢNG NƢỚC TIÊU THỤ TẠI VIỆT NAM CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số: 8520208 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Vũ Chiến Thắng Thái Nguyên - 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: THEPHAVONG Valaphone, học viên lớp cao học K17 – Kỹ thuật viễn thông – Trƣờng đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ tại Việt Nam” do Thầy giáo TS. Vũ Chiến Thắng hƣớng dẫn, là công trình nghiên cứu do bản thân tôi thực hiện, dựa trên sự hƣớng dẫn của Thầy giáo hƣớng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, năm 2020 Học viên THEPHAVONG Valaphone ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu, tôi luôn nhận đƣợc sự quan tâm giúp đỡ của: Thầy giáo hƣớng dẫn trực tiếp TS. Vũ Chiến Thắng, đã giúp đỡ tận tình về phƣơng hƣớng và phƣơng pháp nghiên cứu cũng nhƣ hoàn thiện luận văn. Các thầy, cô giáo trong khoa Công nghệ Điện tử và Truyền thông, Trƣờng đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện về thời gian, địa điểm nghiên cứu, phƣơng tiện vật chất cho tác giả. Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến tất cả những sự giúp đỡ quý báu đó. Thái Nguyên, năm 2020 Học viên THEPHAVONG Valaphone iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii MỤC LỤC .................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................... vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... viii MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài....................................................................................... 1 2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 2 3. Mục tiêu của đề tài .............................................................................................. 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................... 3 5. Nội dung của luận văn ......................................................................................... 3 6. Đóng góp của luận văn ........................................................................................ 3 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ INTERNET KẾT NỐI VẠN VẬT ............................ 4 1.1. Khái niệm về Internet kết nối vạn vật .............................................................. 4 1.2. Tầm nhìn tƣơng lai của IoT .............................................................................. 5 1.3. Kiến trúc IoT .................................................................................................... 6 1.4. Xu hƣớng và tính chất của IoT ......................................................................... 7 1.4.1. Sự thông minh ............................................................................................ 7 1.4.2. Kiến trúc dựa trên sự kiện.......................................................................... 7 1.4.3. Sự phức tạp ................................................................................................ 8 1.4.4. Quy mô lớn ................................................................................................ 8 1.4.5. Vấn đề không gian, thời gian ..................................................................... 8 1.5. Các công nghệ thành phần ................................................................................ 8 1.6. Các tổ chức quy chuẩn IoT ............................................................................... 9 1.6.1. AllSeen Alliance ........................................................................................ 9 1.6.2. Open Internet Consortium (OIC) ............................................................... 9 1.6.3. Thread Group ........................................................................................... 10 1.6.4. Industrial Internet Consortium (IIC) ........................................................ 10 1.6.5. IEEE P2413.............................................................................................. 10 1.7. Các chuẩn truyền thông cho IoT .................................................................... 11 1.7.1. Chuẩn IEEE 802.15.4 .............................................................................. 11 1.7.2. Chuẩn WiFi .............................................................................................. 14 1.7.3. Chuẩn Ethernet ........................................................................................ 16 iv 1.7.4. Chuẩn truyền thông Lora ......................................................................... 16 1.8. Kết luận chƣơng 1 .......................................................................................... 18 Chƣơng 2. HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG THU THẬP DỮ LIỆU VỀ LƢỢNG NƢỚC TIÊU THỤ TẠI VIỆT NAM .................................................................................... 19 2.1. Mô hình hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ tại Việt Nam ....................................................................................................................... 19 2.1.1. Tổng quan hệ thống ................................................................................. 19 2.1.2. Tình hình triển khai đồng hồ nƣớc thông minh tại thị trƣờng Việt Nam 20 2.2. Thiết bị đọc chỉ số nƣớc thông minh theo chuẩn truyền thông IEEE 802.15.421 2.2.1. Sơ đồ khối thiết bị .................................................................................... 21 2.2.2. Lƣu đồ thuật toán phần mềm nhúng đọc và gửi bản tin dữ liệu .............. 23 2.2.3. Thông số kỹ thuật của thiết bị.................................................................. 24 2.3. Phần mềm quản lý trên máy chủ .................................................................... 24 2.3.1. Các yêu cầu chức năng và phi chức năng của hệ thống .......................... 24 2.3.2. Các chức năng chính của phần mềm ....................................................... 27 2.4. Kết luận chƣơng 2 .......................................................................................... 39 Chƣơng 3. GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG THU THẬP DỮ LIỆU VỀ LƢỢNG NƢỚC TIÊU THỤ .................................................. 40 3.1. Giao thức định tuyến cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lƣợng ... 40 3.1.1. Giới thiệu về giao thức định tuyến cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lƣợng EACTP ....................................................................................... 40 3.1.2. Hoạt động của giao thức định tuyến cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lƣợng EACTP ....................................................................................... 41 3.2. Thực thi giao thức định tuyến cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lƣợng EACTP trên hệ điều hành Contiki .............................................................. 47 3.2.1. Hệ điều hành Contiki ............................................................................... 47 3.2.2. Thực thi giao thức định tuyến cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lƣợng EACTP............................................................................................ 47 3.3. Mô phỏng hệ thống với công cụ mô phỏng Cooja ......................................... 54 3.3.1. Công cụ mô phỏng Cooja ........................................................................ 54 3.3.2. Kịch bản mô phỏng .................................................................................. 55 3.3.3. Kết quả mô phỏng và đánh giá ................................................................ 59 3.4. Kết luận chƣơng 3 .......................................................................................... 60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 62 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 64 v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Bảng mã hóa các trạng thái năng lƣợng còn lại của nút cảm biến. ......... 42 Bảng 3.2: Kịch bản đánh giá mô phỏng .................................................................... 58 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 0.1: Mô hình hệ thống đo lƣờng tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ theo mô hình IoT. .................................................................................................. 1 Hình 1.1: Mô hình mạng IoT ...................................................................................... 5 Hình 1.2: Kiến trúc IoT ............................................................................................... 6 Hình 1.3: Các công nghệ thành phần của IoT ............................................................. 8 Hình 1.4: Hai định dạng địa chỉ hỗ trợ IEEE 802.15.4 là địa chỉ dài (64 bit) và địa chỉ ngắn (16 bit) ........................................................................................................ 12 Hình 1.5: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý .......................... 13 Hình 1.6: Module truyền thông CC2420 .................................................................. 13 Hình 1.7: Module CC2530 DRF1605H .................................................................... 14 Hình 1.8: Module wifi ESP8266EX ......................................................................... 15 Hình 1.9: Dự báo về sự phát triển của IoT đến năm 2020 ........................................ 17 Hình 1.10: Mạng LoRa theo mô hình Star ................................................................ 18 Hình 2.1: Mô hình hệ thống đo lƣờng tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ theo chuẩn IEEE 802.15.4................................................................................... 19 Hình 2.2: Đồng hồ nƣớc thông minh do Công ty Rynan sản xuất ............................ 21 Hình 2.3: Lắp đặt thiết bị đọc đồng hồ nƣớc tự động vào một đồng hồ nƣớc hiện tại22 Hình 2.4: Sơ đồ khối thiết bị đọc đồng hồ nƣớc tự động .......................................... 23 Hình 2.5: Lƣu đồ thuật toán đọc và gửi một bản tin dữ liệu ..................................... 24 Hình 2.6: Biểu đồ Use-case của hệ thống ................................................................. 26 Hình 3.1: ETXlink của một liên kết ............................................................................ 41 Hình 3.2: Cấu trúc bản tin dữ liệu ............................................................................. 43 Hình 3.3: Cấu trúc bản tin điều khiển ....................................................................... 44 Hình 3.4: Cấu trúc cây định tuyến EACTP ............................................................... 45 Hình 3.5: Các thành phần chính của giao thức EACTP ............................................ 48 Hình 3.6: Quá trình xử lý sự kiện lớp ứng dụng gửi một bản tin dữ liệu ................. 49 Hình 3.7: Quá trình xử lý sự kiện nút nhận một bản tin dữ liệu ............................... 51 Hình 3.8: Quá trình xử lý sự kiện nút nhận một bản tin ACK/Timeout ................... 52 Hình 3.9: Quá trình xử lý sự kiện nút nhận một bản tin điều khiển ......................... 53 Hình 3.10: Lƣu đồ thuật toán Thêm/Cập nhật (rtmetric, ES) của nút lân cận .......... 54 Hình 3.11: Công cụ mô phỏng Cooja ....................................................................... 55 Hình 3.12: Cấu trúc liên kết mạng đƣợc xét đến trong bài toán mô phỏng .............. 56 Hình 3.13: Mô hình một cụm gồm 37 nút mạng ....................................................... 57 vii Hình 3.14: So sánh sự cân bằng năng lƣợng giữa các nút mạng .............................. 59 Hình 3.15: So sánh tỷ lệ các nút còn sống trong mạng ............................................. 60 viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ đầy đủ Tiếng Việt AMR Automatic Meter Reading Đọc đồng hồ đo tự động ANR Alive Node Ratio Tỷ lệ nút còn sống BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha nhị phân CTP Collection Tree Protocol Giao thức cây thu thập DCMI Digital Camera Interface Giao diện máy ảnh số EACTP Energy Aware Collection Tree Protocol Giao thức cây thu thập có sự nhận thức về năng lƣợng ES Energy State Trạng thái năng lƣợng EI Energy Indicator Chỉ số năng lƣợng EIB Energy Indicator Balance Sự cân bằng chỉ số năng lƣợng ETX Expected Transmission Số lần truyền kỳ vọng GFSK Gaussian Frequency Shift Keying Điều chế khóa dịch tần Gaussian IoT Internet of Things Vạn vật kết nối Internet IIC Industrial Internet Consortium Hiệp hội Internet công nghiệp IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện kỹ sƣ điện và điện tử MCU Microcontroller Unit Khối vi điều khiển M2M Machine to Machine Máy tới máy NFC Near-Field Communications Truyền thông khoảng cách gần OCR Optical Character Recognition Nhận dạng ký tự quang học LAN Local Area Network Mạng cục bộ MAC Medium Access Control OSI Open Systems Interconnection Reference Model Điều khiển truy nhập kênh truyền Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở OUI Organizational Unique Identifier Nhận dạng duy nhất tổ chức OIC Open Internet Consortium Hiệp hội Internet mở ix PDA Personal Digital Assistant Thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân PAN Personal Area Network Mạng cá nhân QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha vuông góc TTL Time To Live Thời gian tồn tại UDI UDG with Distance Interference UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter Mô hình UDI với nhiễu khoảng cách Bộ truyền nhận dữ liệu không đồng bộ WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WiFi Wireless Fidelity Mạng truy cập Internet không dây 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Theo nghiên cứu mới nhất của Global Market Insights, Inc, thị trƣờng đồng hồ nƣớc thông minh tại thị trƣờng châu Á - Thái Bình Dƣơng dự đoán tăng hơn 85 triệu USD, lên đến hơn 300 triệu USD vào năm 2024 [1]. Yêu cầu hạn chế mức tiêu thụ nƣớc theo chính sách quốc gia về việc sử dụng nƣớc bền vững sẽ thúc đẩy quy mô thị trƣờng đo nƣớc thông minh của các nƣớc Châu Á - Thái Bình Dƣơng. Các chính phủ trong khu vực đang cơ cấu lại hệ thống cấp nƣớc để đảm bảo công tơ nƣớc và hóa đơn nƣớc đƣợc chính xác. Xu hƣớng tránh thất thoát nƣớc, hóa đơn phản ánh chính xác lƣợng nƣớc tiêu thụ và cải thiện cơ sở hạ tầng sẽ thúc đẩy nhu cầu sản phẩm. Chi phí thấp cùng với khả năng cung cấp số liệu tiêu thụ theo thời gian thực sẽ thúc đẩy thị trƣờng đo lƣờng nƣớc thông minh. Các hệ thống này có thể thu thập và chẩn đoán dữ liệu tiêu thụ tự động từ các thiết bị đo và truyền đến cơ sở dữ liệu trung tâm để liên lạc và thanh toán một chiều [2, 3, 4]. Mạng các đồng hồ đo nước RF RF GW Internet TCP/IP Server CHÚ THÍCH: GW Người dùng Internet Gateway Đồng hồ đo nước có két nối mạng Hình 0.1: Mô hình hệ thống đo lƣờng tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ theo mô hình IoT. 2 Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu mô hình ứng dụng tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ tại Việt Nam theo mô hình mạng Internet kết nối vạn vật (IoT) [5]. Các đồng hồ nƣớc đƣợc gắn thêm thiết bị đọc chỉ số thông minh và gửi dữ liệu về máy chủ trung tâm thông qua sóng vô tuyến RF. Hình 0.1 là mô hình hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ. Các thiết bị đọc chỉ số nƣớc thông minh đƣợc kết nối với nhau và gửi dữ liệu về cổng trung gian (Gateway) qua chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4 [6]. Gateway có nhiệm vụ thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu về máy chủ (Server) qua đƣờng truyền Internet. Tại máy chủ, các dữ liệu sau đây sẽ đƣợc lƣu trữ: Cơ sở dữ liệu (CSDL) về khách hàng; CSDL về ngƣời dùng hệ thống; CSDL về các thiết bị đo lƣợng nƣớc tiêu thụ; CSDL về lƣợng nƣớc tiêu thụ và hóa đơn tiền nƣớc của khách hàng. Các thiết bị đọc chỉ số nƣớc thông minh sử dụng nguồn năng lƣợng hạn chế bằng pin. Vì vậy, cần thiết phải áp dụng các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lƣợng cho mạng lƣới các thiết bị đọc chỉ số nƣớc thông minh nhằm tăng thời gian hoạt động của mạng. Do đó, trong phạm vi luận văn này tác giả cũng sẽ tập trung nghiên cứu và đánh giá hiệu năng mạng khi áp dụng giao thức định tuyến thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lƣợng cho mạng lƣới các thiết bị đọc chỉ số nƣớc thông minh. 2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn là hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu là mô hình ứng dụng đƣợc triển khai trong điều kiện hiện tại của Việt Nam, tập trung vào việc tìm hiểu các thiết kế bổ sung cho các đồng hồ nƣớc hiện tại đang đƣợc triển khai. 3. Mục tiêu của đề tài Hƣớng nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu về mô hình hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ theo mô hình IoT nhằm nâng cao chất lƣợng phục vụ của các nhà máy nƣớc, tiết kiệm chi phí nguồn nhân lực trong việc ghi đọc chỉ số nƣớc hoàn toàn thủ công nhƣ hiện nay. Giao thức định tuyến thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lƣợng cho hệ thống nhằm nâng cao thời gian sống của mạng lƣới đồng hồ nƣớc thông minh cũng đƣợc tác giả tập trung nghiên cứu thực thi trên hệ điều hành Contiki [7, 8] và đánh giá bằng công cụ mô phỏng Cooja [9]. 3 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu của luận văn là thu thập, phân tích các nghiên cứu lý thuyết đã có để làm chủ hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ tại Việt Nam từ đó tập trung nghiên cứu đánh giá hiệu quả của hệ thống khi áp dụng giao thức định tuyến thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lƣợng cho hệ thống dựa trên mô phỏng. 5. Nội dung của luận văn Luận văn đƣợc trình bày thành 03 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về mạng Internet kết nối vạn vật. Chƣơng 2: Hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ tại Việt Nam. Chƣơng 3: Giao thức định tuyến cho hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lƣợng nƣớc tiêu thụ. Cuối cùng là kết luận, tóm tắt các nội dung nghiên cứu và dự kiến hƣớng nghiên cứu tiếp theo của luận văn. 6. Đóng góp của luận văn Hiện nay, các nhà máy nƣớc vẫn đang thực hiện những biện pháp thủ công trong việc ghi lƣợng nƣớc sinh hoạt tiêu thụ và thanh toán tiền nƣớc tiêu thụ hàng tháng tại các hộ gia đình. Những biện pháp thủ công này rất mất thời gian và gây tốn kém chi phí về nguồn nhân lực lao động. Ngoài ra, các thiết bị đọc lƣợng nƣớc tiêu thụ vận hành bằng pin nên cần thiết phải triển khai giao thức định tuyến thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lƣợng nhằm tăng thời gian sống của mạng. Do vậy, hƣớng nghiên cứu của đề tài vừa có giá trị khoa học và thực tiễn. 4 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ INTERNET KẾT NỐI VẠN VẬT 1.1. Khái niệm về Internet kết nối vạn vật Thực chất, biểu hiện của Internet of Things (IoT) đã xuất hiện ngay từ thời kỳ sơ khai của Internet, khi các nhà phát minh mong muốn kết nối tất cả mọi thứ qua một mạng lƣới đồng nhất để có thể điều khiển chúng phục vụ cho mục đích của con ngƣời. Trong các tƣ liệu về IoT, ngƣời ta thƣờng nhắc đến một chiếc máy bán nƣớc giải khát tự động tại trƣờng Đại học Carnegie Melon (Mỹ) vào đầu những năm 1980 nhƣ là một thiết bị đầu tiên mở màn cho xu hƣớng này, chiếc máy đƣợc lập trình để có thể kết nối với ngƣời điều khiển qua Internet, nhằm kiểm tra tình trạng của máy và bổ sung nƣớc khi cần thiết mà không cần sự tiếp xúc kiểm tra trực tiếp. Sau đó, khái niệm IoT chỉ thực sự đƣợc đƣa ra vào năm 1999, khi mà ngƣời ta bắt đầu nhận thấy tiềm năng của xu hƣớng này, bên cạnh việc mạng Internet cũng nhƣ nhiều rào cản về mặt khoa học công nghệ đã dần đƣợc khai phá. Theo định nghĩa từ Wikipedia: Internet of Things là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nhƣ vậy có thể tạm hiểu, IoT là khi tất cả mọi thứ đều đƣợc kết nối với nhau qua mạng Internet, ngƣời dùng có thể kiểm soát mọi đồ vật của mình qua mạng chỉ bằng một thiết bị thông minh, chẳng hạn nhƣ smartphone, tablet, PC hay thậm chí chỉ bằng một chiếc smartwatch nhỏ bé trên tay. Hình 1.1 minh họa mô hình mạng IoT. Gần đây, IoT còn bao gồm cả những giao tiếp theo kiểu máy với máy (M2M), hạn chế sự tác động của con ngƣời nhƣng chủ yếu đƣợc áp dụng trong sản xuất năng lƣợng hay các ngành công nghiệp nặng. Viễn cảnh tƣởng chừng chỉ có trên phim ảnh này đã dần hiển hiện trên thực tế, với sự phát triển của nhà thông minh, ti vi thông minh, tủ lạnh thông minh,…. và cũng không thể không kể tới sự mở rộng không gian địa chỉ lên IPv6 thay vì IPv4 nhƣ trƣớc đây. 5 Hình 1.1: Mô hình mạng IoT 1.2. Tầm nhìn tƣơng lai của IoT Mặc dù đã manh nha từ lâu nhƣng kỷ nguyên IoT chỉ thực sự đƣợc sự đƣợc chú ý và bùng nổ trong những năm gần đây, sau sự phát triển của smartphone, tablet và những kết nối không dây,… Và ngay sau khi nhận đƣợc sự chú ý của cộng đồng, IoT đã cho thấy tiềm năng của mình với những số liệu đáng kinh ngạc. Cisco, nhà cung cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo: Đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, bao gồm hàng tỷ thiết bị di động, tivi, máy giặt, … Để thấy đƣợc sự phát triển của lĩnh vực này, họ cũng đƣa ra số liệu vào năm 1984, khi mà Cisco mới thành lập mới chỉ có khoảng 1.000 thiết bị đƣợc kết nối mạng toàn cầu, đến năm 2010, con số này đã lên mức 10 tỷ. Intel, đơn vị mới tham gia vào thị trƣờng sản xuất chip cho các thiết bị thông minh phục vụ IoT cũng đã thu về hơn 2 tỷ USD trong năm 2014 từ lĩnh vực này, tăng trƣởng 19% so với năm 2013. Và không thể không kể tới một thƣơng hiệu Việt Nam là Bkav cũng đã đạt đƣợc những thành tựu đáng ghi nhận về IoT. Hệ thống nhà thông minh SmartHome của Bkav là một tổ hợp các thiết bị thông minh trong một ngôi nhà, đều đƣợc kết nối Internet và có thể tự động điều chỉnh cũng nhƣ điều khiển qua smartphone. Sau hàng chục năm nghiên cứu và sản xuất, Bkav SmartHome đã có chỗ đứng nhất định trên thị trƣờng và hoàn toàn có thể cạnh tranh với những giải pháp nhà thông minh khác trên thế giới. 6 Bên cạnh đó, các ông lớn nhƣ Google, Apple, Samsung, Microsoft cũng không hề giấu diếm ý định xâm nhập thị trƣờng này, hứa hẹn một cuộc cạnh tranh mạnh mẽ trong thời gian tới đây, đƣa kỷ nguyên IoT đến sớm hơn với mọi ngƣời. Rõ ràng, IoT có thể thay đổi hoàn toàn cách sống của con ngƣời trong tƣơng lai. Khi mọi thứ đã đƣợc “Internet hóa”, ngƣời dùng hoàn toàn có thể điều khiển chúng từ bất cứ đâu, chỉ cần một chiếc điện thoại có kết nối Internet. Sở hữu những thành tựu trong lĩnh vực này nghĩa là chúng ta đang nắm giữ trong tay chìa khóa thành công của mọi thời đại. IoT chính là xu hƣớng của tƣơng lai. 1.3. Kiến trúc IoT Kiến trúc IoT đƣợc đại diện cơ bản bởi 4 phần nhƣ hình 1.2 bao gồm: Vạn vật (Things), trạm kết nối (Gateway), hạ tầng mạng Internet và điện toán đám mây (Internet and Cloud), các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services). Hình 1.2: Kiến trúc IoT  Vạn vật (Things): Ngày nay có hàng tỷ vật dụng đang hiện hữu trên thị trƣờng gia dụng và công nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của ngƣời dùng. Chẳng hạn nhƣ xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang đƣợc kết nối trực tiếp thông qua băng tần mạng không dây và truy cập vào Internet. Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh đƣợc sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ, còn các thiết bị chƣa thông minh thì có thể kết nối đƣợc thông qua các trạm kết nối.  Trạm kết nối (Gateway): Một rào cản chính khi triển khai IoT đó là gần 85% các vật dụng đã không đƣợc 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 7 dụng có sẵn này kết nối với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý.  Hạ tầng mạng Internet và điện toán đám mây (Internet and Cloud):  Cơ sở hạ tầng kết nối: Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IP đƣợc 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 lƣu lƣợng dữ liệu lƣu thông và cũng đƣợc kết nối đến mạng lƣới viễn thông và cáp - đƣợc 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 lƣu trữ và mạng ảo hóa đƣợc kết nối.  Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services): Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (Application Progmraming Interface) để giúp đƣa các sản phẩm và giải pháp IoT ra thị trƣờng một cách nhanh chóng và tận dụng đƣợc hết giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ hệ thống đang có sẵn. 1.4. Xu hƣớng và tính chất của IoT 1.4.1. Sự thông minh Sự thông minh và tự động trong điều khiển thực chất không phải là một phần trong ý tƣởng về IoT. Các máy móc có thể dễ dàng nhận biết và phản hồi lại môi trƣờng xung quanh, chúng cũng có thể tự điều khiển bản thân (autonomous control) mà không cần đến kết nối mạng. Tuy nhiên, trong thời gian gần đây ngƣời ta bắt đầu nghiên cứu kết hợp hai khái niệm IoT và autonomous control lại với nhau. Tƣơng lai của IoT có thể là một mạng lƣới các đối tƣợng thông minh có khả năng tự tổ chức và hoạt động riêng lẻ tùy theo tình huống, môi trƣờng, đồng thời chúng cũng có thể liên lạc với nhau để trao đổi thông tin, dữ liệu. 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 ngƣời khi chúng ta tƣơng tác với những thứ thông minh, từ đó phát hiện ra các tri thức mới liên quan tới cuộc sống, môi trƣờng, các mối tƣơng tác xã hội cũng nhƣ hành vi con ngƣời. 1.4.2. 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 lƣới các sensor chính là một thành phần đơn giản của IoT. 8 1.4.3. Sự phức tạp Trong một thế giới mở, IoT sẽ mang tính chất phức tạp bởi nó bao gồm một lƣợng lớn các đƣờng liên kết giữa những thiết bị, máy móc, dịch vụ với nhau, ngoài ra còn bởi khả năng thêm vào các nhân tố mới. 1.4.4. Quy mô lớn Một mạng lƣới IoT có thể chứa 50 đến 100 nghìn tỉ đối tƣợng đƣợc kết nối và mạng lƣới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tƣợng. Một con ngƣời sống trong thành thị có thể bị bao bọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối tƣợng có khả năng theo dõi. 1.4.5. 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 đƣợc sử dụng để quản lí thông tin đƣợc xử lý bởi con ngƣời. Do đó những thông tin nhƣ địa điểm, thời gian, không gian của đối tƣợng không mấy quan trọng bởi ngƣời 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 đƣợc xem nhƣ không hiệu quả. Ngoài ra, việc xử lí một khối lƣợng lớn dữ liệu trong thời gian ngắn đủ để đáp ứng cho hoạt động của các đối tƣợng cũng là một thách thức hiện nay. 1.5. Các công nghệ thành phần Hình 1.3 mô tả các công nghệ thành phần của IoT. Hình 1.3: Các công nghệ thành phần của IoT Các công nghệ thành phần này bao gồm: Mạng cảm biến không dây, đo lƣờng từ xa, hệ thống nhúng, hệ thống tính toán khắp nơi và di động, mạng điện thoại di động, mạng máy tính. 9 1.6. Các tổ chức quy chuẩn IoT Trong năm 2014 các sản phẩm IoT xuất hiện khá nhiều, nhƣng điều đáng chú ý nhất không nằm ở chính các thiết bị mà ở các tiêu chuẩn đƣợc xây dựng cho IoT. Có ít nhất 5 nhóm công ty và tổ chức đã công bố các chuẩn IoT mới trong những năm vừa qua, ngoài ra còn có 1 nhóm khác năm 2013. 1.6.1. AllSeen Alliance Liên minh này đƣợc thành lập vào tháng 12/2013 với sự tham gia của LG, Panasonic, Sharp, Silicon Image, TP-Link, HTC, Qualcomm và hiện đã có hơn 100 thành viên. Đƣợc dẫn đầu bởi Hiệp hội Linux, liên minh này sẽ nhắm đến việc xóa bỏ những rào cản cũng nhƣ thúc đẩy sự sáng tạo trong việc phát triển Internet of Things. Hiệp hội Linux nói rằng sự hiện diện của AllSeen Alliance là cần thiết bởi không một công ty riêng lẻ nào có khả năng đáp ứng lại tất cả những tình huống sử dụng IoT trong cuộc sống thƣờng ngày, cả trong mảng sản phẩm tiêu dùng lẫn sản phẩm dành cho doanh nghiệp. Các thành viên của liên minh sẽ đóng góp nguồn lực về phần mềm cũng nhƣ kĩ thuật để "cùng thiết lập một bộ khung mã nguồn mở cho phép các hãng sản xuất phần cứng, nhà cung cấp dịch và nhà phát triển phần mềm tạo ra những thiết bị và dịch vụ có tính tƣơng thích với nhau". Bộ khung này đƣợc xây dựng dựa trên dự án nguồn mở AllJoyn do Qualcomm khởi xƣớng cách đây ít đâu. Các sản phẩm IoT, ứng dụng, dịch vụ tạo bằng AllJoyn có thể liên lạc với nhau thông qua nhiều kết nối: Wi-Fi, Ethernet, thậm chí là cả đƣờng dây điện. AllJoyn không đòi hỏi hệ điều hành phải giống nhau (Linux, Android, iOS, Windows hay các loại OS nhúng đều đƣợc), cũng không bắt buộc các máy móc phải kết nối vào Internet bởi chúng có thể liên lạc ở cấp độ ngang hàng (ad-hoc). 1.6.2. Open Internet Consortium (OIC) OIC ra đời vào tháng 7/2014 và đƣợc hỗ trợ bởi Samsung, Intel, Dell cùng nhiều công ty nhỏ hơn. Gary Martz, một quản lý sản phẩm của Intel, cho biết OIC sẽ tạo ra các tiêu chuẩn xoay quanh việc "giao tiếp, khám phá và chứng thực thiết bị" dựa trên nhiều kết nối khác nhau, trong đó bao gồm WiFi, Bluetooth và cả NFC. OIC cho biết nền tảng phần mềm mã nguồn mở của họ sẽ ra mắt vào cuối năm 2014 để thúc đẩy sử dụng phát của thiết bị IoT. Ngoài ba công ty trên, OIC còn có sự góp mặt của Atmel, Broadcom và Wind River. Cấu hình của OIC sẽ đƣợc ra mắt vào đầu năm 2015, còn sản phẩm thƣơng mại sẽ xuất hiện vào cuối năm 2016. Điểm đánh chú ý đó là cả AllSeen và OIC đều đang cố gắng tạo ra những nền tảng mở phục vụ cho việc kết nối các thiết bị Internet of Things, nhƣng riêng với AllSeen thì họ phát triển dựa trên nền tảng AllJoyn có sẵn của Qualcomm. Gary