Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu ứng dụng iot thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc...

Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng iot thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc

.PDF
70
11
78

Mô tả:

LỜI CAM ĐOAN Đề tài luận văn cao học “Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc” là kết quả nghiên cứu của chính học viên Phạm Thế Bẩy, lớp cao học Kỹ thuật viễn thông K17 – Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông, ĐHTN. Đề tài được học viên thực hiện dựa trên sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn 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 Phạm Thế Bẩy 1 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu đề tài luận văn “Nghiên cứu ứng dụng IoT thông qua mạng di động hỗ trợ giám sát hoạt động gia súc”, học viên đã gặp phải rất nhiều khó khăn, song nhờ sự quan tâm giúp đỡ của cán bộ hướng dẫn cùng các thầy, cô thuộc Khoa Công nghệ Điện tử và Truyền thông, Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông, Đại học Thái Nguyên, học viên đã hoàn thành được đề tài theo đúng kế hoạch đặt ra. Trước tiên, học viên xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn khoa học TS. Hoàng Quang Trung, đã tận tình hướng dẫn học viên trong suốt thời gian thực hiện đề tài luận văn này. Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô là giảng viên Khoa Công nghệ Điện tử và Truyền thông, các phòng chức năng, Trường đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông, ĐHTN, đã tạo điều kiện về mặt thời gian, địa điểm nghiên cứu, cơ sở vật chất cho học viên. Để hoàn thành đề tài luận văn này, tác giả cũng xin được cảm ơn các thành viên của nhóm nghiên cứu thuộc đề tài khoa học công nghệ, mã số: ĐH2018-TN07-02. Trong bài luận, chắc hẳn không thể tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót, tác giả mong muốn sẽ nhận được nhiều đóng góp quý báu đến từ các quý thầy cô và bạn đọc để đề tài được hoàn thiện hơn nữa và có ý nghĩa thiết thực áp dụng trong thực tiễn cuộc sống. Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, năm 2020 Học viên Phạm Thế Bẩy 2 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ viết tắt Chú giải (viết đầy đủ) IoT Internet of Things IIoT Industrial Internet of Things PLC Power Line Communication LTE Long-Evolution Evolution M2M Machine-to-Machine MTC Machine Type Communications WSN Wireless Sensor Network BS Base Station WPAN Wireless Personal Area Network WLAN Wireless Local Area Network VeDBA Vectorial Dynamic Body Acceleration SCA-Y Static Component of the Acceleration in the Y-axis FP False Positive FN False Negative TN True Negative EU European Union 3GPP 3rd Generation Partnership Project ITU International Telecommunication Union GSM Global System for Mobile Communications EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution AWS Amazon Web Services HTTP HyperText Transfer Protocol 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ 1 LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... 2 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ...................................................... 3 MỤC LỤC .......................................................................................................... 4 DANH MỤC HÌNH VẼ....................................................................................... 6 CHƯƠNG 1. CÁC MẠNG IOT VÀ THÔNG TIN DI ĐỘNG ............................... 8 1.1. Giới thiệu về internet vạn vật................................................................... 8 1.2. Các mô hình triển khai ứng dụng IoT ..................................................... 10 1.2.1. Nhà thông minh và tự động hóa trong các tòa nhà ............................10 1.2.2. Thành phố thông minh .......................................................................11 1.2.3. Lưới điện thông minh.........................................................................12 1.2.4. Ứng dụng IoT trong công nghiệp.......................................................13 1.2.5. Nông trại thông minh (Smart Farm) ..................................................15 1.3. Nền tảng hỗ trợ dịch vụ IoT của các mạng thông tin di động ................... 17 1.3.1. Các mạng di động có khả năng hỗ trợ IoT .........................................17 1.3.2. Phân loại các chuẩn IoT di động ........................................................19 1.4. Nền tảng dịch vụ IoT đám mây (Cloud) ................................................. 20 1.5. Kiến trúc REST: Web of things ............................................................. 22 1.6. Hạ tầng mạng di động hỗ trợ dịch vụ IoT tại Việt Nam ........................... 23 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT CÁ THỂ BÒ TRÊN NỀN TẢNG IOT ....................................................................................................... 25 2.1. Thiết kế mô hình hệ thống tổng thể ........................................................ 25 2.2. Lựa chọn giao thức kết nối thông tin ...................................................... 26 2.2.1. Mạng cảm biến không dây .................................................................26 2.2.2. Phương thức kết với máy chủ sử dụng MQTT ..................................45 2.3. Phương pháp thu thập và xử lý dữ liệu ................................................... 45 2.3.1. Chuẩn hóa dữ liệu ..............................................................................45 4 2.3.2. Thuật toán phân loại hành vi các thể bò ............................................49 CHƯƠNG 3. THỰC THI HỆ THỐNG GIÁM SÁT CÁ THỂ BÒ ....................... 54 3.1. Giải pháp thực thi hệ thống ................................................................... 54 3.2. Thiết bị phần cứng ................................................................................ 57 3.2.1. Lựa chọn thiết bị ................................................................................57 3.2.2. Thuật toán đọc và truyền dữ liệu .......................................................61 3.3. Thử nghiệm với thuật toán phân loại hành vi cá thể bò ........................... 61 3.4. Thực thi hệ thống giám sát từ xa theo thời gian thực ............................... 64 3.4.1. Thiết kế giao diện và thiết lập cấu hình hệ thống ..............................64 3.4.2. Truyền dữ liệu giám sát .....................................................................66 3.5. Đánh giá tính khả thi của hệ thống ......................................................... 67 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 68 PHỤ LỤC ......................................................................................................... 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 70 5 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Mô tả tương tác của mạng lưới thiết bị kết nối Internet. ........................... 8 Hình 1.2. Minh họa ứng dụng nhà thông minh và tự động hóa tòa nhà. .................. 11 Hình 1.3. Các thành phần của Thành phố thông minh.............................................. 12 Hình 1.4. Kiến trúc điển hình của IIoT. .................................................................... 15 Hình 1.5. Minh họa mô hình triển khai nông trại thông minh. ................................. 16 Hình 1.6. Các phát hành hỗ trợ IoT của 3GGP [2]. .................................................. 18 Hình 1.7. Phân loại các hệ thống IoT. ....................................................................... 19 Hình 1.8. Các thông số hoạt động của eMTC, NB-IoT và EC-GSM-IoT. ............... 20 Hình 1.9. Minh họa kiến trúc nền tảng IoT dựa trên đám mây. ................................ 21 Hình 1.10. Lộ trình triển khai hạ tầng dịch vụ IoT của Viettel tại Việt Nam. .......... 23 Hình 1.11. Tổng thể giải pháp triển khai hạ tầng dịch vụ IoT của Viettel [6]. ......... 24 Hình 2.1. Sơ đồ tổng thể hệ thống mạng giám sát cá thể bò.................................... 25 Hình 2.2. Minh họa các mạng cảm biến vô tuyến. ................................................... 27 Hình 2.3. Kiến trúc mạng Zigbee. ............................................................................. 29 Hình 2.4. Mô hình mạng Zigbee. .............................................................................. 30 Hình 2.5. Minh họa tô-pô mạng của IEEE 802.15.4................................................. 33 Hình 2.6. Kiến trúc mạng WPAN. ............................................................................ 34 Hình 2.7. Cấu trúc siêu khung................................................................................... 37 Hình 2.8. Cấu trúc khung chỉ báo. ............................................................................ 37 Hình 2.9. Cấu trúc khung dữ liệu. ............................................................................. 38 Hình 2.10. Cấu trúc khung báo nhận. ....................................................................... 39 Hình 2.11. Cấu trúc khung điều khiển MAC. ........................................................... 39 Hình 2.12. Các thành phần của mạng LoRaWAN. ................................................... 42 Hình 2.13. Bộ thu phát vô tuyến Adafruit RFM96W LoRa, 433 MHz. ................... 43 Hình 2.14. Minh họa một piconet. ............................................................................ 44 Hình 2.15. Chuẩn hóa giá trị trục X. ......................................................................... 47 Hình 2.16. Chuẩn hóa giá trị trục Y. ......................................................................... 47 Hình 2.17. Chuẩn hóa giá trị trục Z. ......................................................................... 48 6 Hình 2.18. Dữ liệu gia trốc theo ba trục X, Y, Z tương ứng với các hành vi của bò. ................................................................................................................................... 49 Hình 2.19. Thuật toán Cây quyết định cho phân loại hành vi bò. ............................ 50 Hình 2.20. Đường cong ROC để nhận ngưỡng A, B1, B2. ........................................ 52 Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống thu thập dữ liệu và phân loại hành vi cá thể bò. ..... 54 Hình 3.2. Mô hình truyền dữ liệu giám sát cá thể bò. ............................................... 55 Hình 3.3. Sơ đồ khối thiết bị gắn trên cổ bò. ............................................................ 56 Hình 3.4. Sơ đồ khối thiết bị gateway node. ............................................................. 56 Hình 3.5. Minh họa hoạt động thu thập dữ liệu để gắn nhãn hành vi các thể bò...... 57 Hình 3.6. Module MPU-6050. .................................................................................. 58 Hình 3.7: (a) Sơ đồ chân PIC18F4520, (b) IC PIC18F4520..................................... 59 Hình 3.8. Module thu phát LoRA. ............................................................................ 60 Hình 3.9. Minh hoạ Kit Arduino nano. ..................................................................... 60 Hình 3.10. Đọc và truyền dữ liệu. ............................................................................. 61 Hình 3.11. Vị trí của node cảm biến trên cổ bò. ....................................................... 62 Hình 3.12. Hình ảnh thiết bị cảm biến thực tế. ......................................................... 62 Hình 3.13. Các mẫu dữ liệu về gia tốc thu nhận được cho hai trạng thái. ................ 62 Hình 3.14. Dữ liệu đo thực nghiệm về gia tốc các trục X, Y, Z cho bốn trạng thái. 63 Hình 3.15. Các giá trị VeDBA, SCAY tướng ứng với bốn hoạt động. .................... 64 Hình 3.16. Giao diện hệ thống giám sát từ xa........................................................... 65 Hình 3.17. Lưu đồ ràng buộc dữ liệu. ....................................................................... 65 Hình 3.18. Cửa sổ giám sát các thông số liên quan đến hoạt động các thể bò. ........ 66 Hình 3.19. Hệ thống thử nghiệm truyền dữ liệu giám sát hoạt động cá thể bò. ....... 66 7 CHƯƠNG 1. CÁC MẠNG IOT VÀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1. Giới thiệu về internet vạn vật Internet vạn vật (IoT: Internet of things), hay cụ thể hơn là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet, là một liên mạng, trong đó các thiết bị, phương tiện vận tải (được gọi là "thiết bị kết nối" và "thiết bị thông minh"), phòng ốc và các trang thiết bị khác được nhúng với các bộ phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu [1]. Hình 1.1. Mô tả tương tác của mạng lưới thiết bị kết nối Internet. Năm 2013, tổ chức IoT-GSI đinh nghĩa IoT là "hạ tầng cơ sở toàn cầu phục vụ cho xã hội thông tin, hỗ trợ các dịch vụ (điện toán) chuyên sâu thông qua các vật thể (cả thực lẫn ảo) được kết nối với nhau nhờ vào công nghệ thông tin và truyền thông hiện hữu được tích hợp", và với mục đích ấy, một "vật" là "một thứ trong thế giới thực (vật thực) hoặc thế giới thông tin (vật ảo), mà vật đó có thể được nhận dạng và được tích hợp vào một mạng lưới truyền thông". Hệ thống IoT cho phép vật được cảm nhận hoặc được điều khiển từ xa thông qua hạ tầng mạng hiện hữu, tạo cơ hội cho thế giới thực được tích hợp trực tiếp hơn vào hệ thống điện toán, hệ quả là hiệu năng, độ tin cậy và lợi ích kinh tế được tăng cường bên cạnh việc giảm thiểu sự can dự của con người. Khi IoT được gia cố cảm biến và cơ cấu chấp hành, công nghệ này trở thành một dạng thức của hệ thống ảothực với tính tổng quát cao hơn, bao gồm luôn cả những công nghệ như điện lưới 8 thông minh, nhà máy điện ảo, nhà thông minh, vận tải thông minh và thành phố thông minh. Mỗi vật được nhận dạng riêng biệt trong hệ thống điện toán nhúng và có khả năng phối hợp với nhau trong cùng hạ tầng Internet hiện hữu. Các chuyên gia dự báo rằng Internet Vạn Vật sẽ ôm trọn chừng 30 tỉ vật trước năm 2020 [2]. Về cơ bản, Internet vạn vật cung cấp kết nối chuyên sâu cho các thiết bị, hệ thống và dịch vụ, kết nối này mang hiệu quả vượt trội so với kiểu truyền tải máy máy (M2M), đồng thời hỗ trợ da dạng giao thức, miền (domain), và ứng dụng. Kết nối các thiết bị nhúng này (luôn cả các vật dụng thông minh) được kỳ vọng sẽ mở ra kỷ nguyên tự động hóa trong hầu hết các ngành, từ những ứng dụng chuyên sâu như điện lưới thông minh, mở rộng tới những lĩnh vực khác như thành phố thông minh. IoT 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. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó. Một vật trong IoT có thể là một người với một trái tim cấy ghép; một động vật ở trang trại với bộ chip sinh học; một chiếc xe với bộ cảm ứng tích hợp cảnh báo tài xế khi bánh xe xẹp hoặc bất kỳ vật thể tự nhiên hay nhân tạo nào mà có thể gán được một địa chỉ IP và cung cấp khả năng truyền dữ liệu thông qua mạng lưới. Cho đến nay, IoT là những liên kết máy-đến-máy (M2M) trong ngành sản xuất, công nghiệp năng lượng, kỹ nghệ xăng dầu. Khả năng sản phẩm được tích hợp máy-đếnmáy thường được xem như là thông minh với sự trợ giúp của công nghệ hiện hữu, các thiết bị này thu thập dữ liệu hữu ích rồi sau đó tự động truyền chúng qua các thiết bị khác. Các ví dụ hiện thời trên thị trường bao gồm nhà thông minh được trang bị những tính năng như kiểm soát và tự động bật tắt đèn, lò sưởi (giống như bộ ổn nhiệt thông minh), hệ thống thông gió, hệ thống điều hòa không khí, và 9 thiết bị gia dụng như máy giặt/sấy quần áo, máy hút chân không, máy lọc không khí, lò nướng, hoặc tủ lạnh/tủ đông có sử dụng Wi-Fi để theo dõi từ xa. Khi tự động hóa có kết nối internet được triển khai đại trà ra nhiều lĩnh vực, IoT được dự báo sẽ tạo ra lượng dữ liệu lớn từ đa dạng nguồn, kéo theo sự cần thiết cho việc kết tập dữ liệu nhanh, gia tăng nhu cầu đánh chỉ mục, lưu trữ, và xử lý các dữ liệu này hiệu quả hơn. Internet vạn vật hiện nay là một trong các nền tảng của thành phố thông minh, và các hệ thống quản lý năng lượng thông minh. 1.2. Các mô hình triển khai ứng dụng IoT 1.2.1. Nhà thông minh và tự động hóa trong các tòa nhà Khi thị trường nhà thông minh (smart home) được nhìn nhận để đầu tư và không ngừng phát triển, ngày càng có nhiều ứng dụng tự động hóa trong các tòa nhà xuất hiện, mỗi ứng dụng được thiết kế cho một đối tượng cụ thể. Kết quả là hình thành một số phân khúc thị trường riêng biệt. Các ứng dụng điển hình có xu hướng phát triển liên quan đến vấn đề về an ninh tòa nhà, hiệu quả năng lượng và tiết kiệm năng lượng. Nhờ có những đổi mới trong điều khiển thiết bị đền chiếu sáng và các gian phòng của toàn nhà, IoT sẽ thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các ứng dụng cho hoạt động tự động hóa tòa nhà. Một ví dụ điển hình của tự động hóa trong ngôi nhà là ứng dụng IoT cho lĩnh vực chăm sóc sức khỏe gia đình, cụ thể là giải pháp trợ giúp IoT đối với những người ít di chuyển (người già) hay người khuyết tật hoặc mãn tính (theo dõi sức khỏe từ xa và theo dõi chất lượng không khí). Nhìn chung, các giải pháp tự động hóa trong các tòa nhà đang bắt đầu hội tụ và cũng đang chuyển từ các ứng dụng hiện tại sang trọng, bảo mật và tiện nghi, sang một loạt các ứng dụng và giải pháp được kết nối; điều này sẽ tạo ra các cơ hội về thị trường ứng dụng IoT. Trong khi các giải pháp nhà thông minh ngày nay chưa có sự hội tụ, các ứng dụng IoT được mong chờ để hướng tới một mức độ tương tác mới giữa các giải pháp nhà thương mại và tòa nhà. Một số mô hình triển khai ứng dụng nhà thông minh và tự động hóa trong các tòa nhà được minh họa như trong Hình 1.2 [2]. 10 Hình 1.2. Minh họa ứng dụng nhà thông minh và tự động hóa tòa nhà. 1.2.2. Thành phố thông minh Thành phố thông minh (smart cities) là hệ sinh thái phức tạp, trong đó chất lượng cuộc sống là một mối quan tâm quan trọng. Trong môi trường đô thị như vậy, người dân, công ty và cơ quan công quyền trải nghiệm các nhu cầu và yêu cầu cụ thể trong các lĩnh vực như chăm sóc sức khỏe, truyền thông, năng lượng và môi trường, an toàn và dịch vụ công cộng. Một thành phố được nhận thức ngày càng giống như một “sinh vật” đơn lẻ, mà cần phải được giám sát một cách hiệu quả để cung cấp cho công dân thông tin chính xác. Các công nghệ IoT là nền tảng để thu thập dữ liệu về tình trạng thành phố và phổ biến chúng cho công dân. Trong bối cảnh này, các thành phố và khu vực đô thị đại diện cho một khối quan trọng khi nói đến việc định hình nhu cầu về các dịch vụ dựa trên IoT. 11 Hình 1.3. Các thành phần của Thành phố thông minh. 1.2.3. Lưới điện thông minh Lưới thông minh (smart grid) là lưới điện bao gồm các hệ thống vận hành, trong đó phải kể đến như đồng hồ thông minh, thiết bị thông minh, tài nguyên năng lượng tái tạo và tài nguyên tiết kiệm năng lượng. Truyền thông trên đường dây điện (PLC) liên quan đến việc sử dụng cáp điện hiện có để vận chuyển dữ liệu và đã được xem xét trong một thời gian dài. Các tiện ích điện đã sử dụng công nghệ này trong nhiều năm để gửi hoặc nhận (với số lượng hạn chế) dữ liệu trên lưới điện hiện có. Mặc dù truyền thông trên đường dây tải điện hầu như bị hạn chế bởi môi trường lan truyền, người ta có thể sử dụng hệ thống dây dẫn hiện có trong mạng phân phối. Theo các tiêu chuẩn và quy định của liên minh Châu Âu (EU), các công ty tiện ích điện có thể sử dụng PLC để truyền dữ liệu tốc độ bit thấp (với tốc độ dữ liệu thấp hơn 50 Kbps) trong dải tần số từ 3 kHz đến 148 kHz. Công nghệ này mở ra những cơ hội mới và các dạng thức tương tác mới giữa con người và mọi thứ trong nhiều lĩnh vực ứng dụng, như các dịch vụ đo đạc thông minh và báo cáo tiêu thụ năng lượng. Điều này làm cho PLC trở thành một công cụ hỗ trợ cho cảm biến, điều khiển và tự động hóa trong các hệ thống lớn trải rộng trên các khu vực tương 12 đối rộng, chẳng hạn như trong thành phố thông minh và các trường hợp của lưới điện thông minh. Ngoài PLC, người ta cũng có thể áp dụng các công nghệ cho phép cải thiện các quy trình tự động hóa thông minh, như IoT. Chẳng hạn, việc áp dụng công nghệ PLC trong bối cảnh công nghiệp (ví dụ: điều khiển từ xa trong các công ty sản xuất và tự động hóa), mở ra hướng phát triển cho ứng dụng IoT trong công nghiệp. Một số ứng dụng đã được phát triển bởi công nghệ PLC để phục hồi từ các thay đổi mạng (về mặt sửa chữa và cải tiến, loại bỏ vật lý và chức năng truyền tải) giảm thiểu sự đứt quãng đối với truyền dẫn tín hiệu. Tuy nhiên, ai cũng biết rằng các đường dây tải điện là khác xa so với các kênh lý tưởng để truyền dữ liệu (do sự thay đổi bên trong về vị trí, thời gian, dải tần và loại thiết bị được kết nối với đường dây này). Kết quả là ngày càng nhận được nhiều giới quan tâm đến việc áp dụng chung các mô hình IoT và PLC để cải thiện hiệu lực của truyền thông trên đường dây tải điện. Điều này đã dẫn đến gợi ý sử dụng các thiết bị nhỏ, tài nguyên hạn chế (cụ thể là IoT), với khả năng tính toán phổ biến và các giải pháp tiêu chuẩn hóa internet (như đề xuất của các tổ chức tiêu chuẩn hóa Internet, chẳng hạn IETF, ETSI và W3C). Các hệ thống như vậy có thể là thành phần chính để thực hiện lưới điện thông minh trong tương lai. 1.2.4. Ứng dụng IoT trong công nghiệp Internet vạn vật công nghiệp (IIoT) mô tả IoT được sử dụng trong các ngành công nghiệp như sản xuất, hậu cần, dầu khí, vận tải, năng lượng / tiện ích, khai thác mỏ và kim loại, hàng không và các ngành khác. Những ngành này đại diện cho phần lớn tổng sản phẩm quốc nội trong số các quốc gia G20. IIoT vẫn còn ở giai đoạn đầu, tương tự như thời điểm Internet mới phát triển vào cuối những năm 1990. Trong khi sự phát triển của Internet tiêu dùng trong hai thập kỷ qua cho thấy một số bài học quan trọng, thì IIoT vẫn chưa được vận dụng một cách rõ ràng, do phạm vi và yêu cầu riêng biệt của nó. Ví dụ, vấn đề đáp ứng yêu cầu thời gian thực thường rất quan trọng trong sản xuất, năng lượng, vận tải và chăm sóc sức khỏe: yêu cầu thời gian thực đối với internet ngày nay thường vào khoảng một vài giây, trong khi thời gian thực được yêu cầu cho các máy công nghiệp vào cỡ một vài mili giây (tức 13 cỡ 1/1000 giây). Một vấn đề quan trọng nữa đó là yêu cầu về độ tin cậy. Internet ngày nay thể hiện một cách tiếp cận tốt nhất đối với người dùng, đáp ứng được yêu cầu đối với hoạt động thương mại điện tử hoặc tương tác giữa các người dùng. Tuy nhiên, các sự cố của lưới điện, hệ thống kiểm soát không lưu hoặc một nhà máy tự động sẽ gây ra hậu quả nghiêm trọng hơn nhiều. Hiện nay, có rất nhiều các công ty, tập đoàn trên thế giới và chính phủ của nhiều nước chú trọng đến IIoT: - Chính phủ Đức đang tài trợ cho Công nghiệp 4.0, một sáng kiến chiến lược kéo dài nhiều năm, tập hợp các nhà lãnh đạo từ các lĩnh vực công và tư nhân cũng như từ viện đào tạo để có được tầm nhìn toàn diện và kế hoạch hành động cho việc áp dụng công nghệ kỹ thuật số vào lĩnh vực công nghiệp của nước Đức. - Các quốc gia châu Âu khác thiết lập các dự án chuyển đổi công nghiệp của riêng mình, trong đó IIoT chiếm vị trí trung tâm, như Nhà máy thông minh (Hà Lan), Công nghiệp 4.0 (Ý), Công nghiệp tương lai (Pháp) và các dự án khác. - Trung Quốc gần đây cũng đã đưa ra chiến lược “Made in China 2025” của họ để thúc đẩy khả năng tích hợp các công nghệ số và công nghiệp hóa trong nước. Khi IIoT đang trên đà phát triển, một trong những điểm nghẽn lớn nhất phải đối mặt là không thể chia sẻ thông tin giữa các thiết bị thông minh mà có thể nói bằng các “ngôn ngữ” khác nhau. Khoảng cách giao tiếp này bắt nguồn từ nguyên nhân do có nhiều giao thức được sử dụng trong môi trường nhà máy. Vì vậy, trong khi bạn có thể đặt cảm biến trên máy để thu thập dữ liệu, khả năng đẩy thông tin đó qua mạng và cuối cùng là “nói chuyện” với các hệ thống khác thì khó khăn hơn một chút. Do đó, tiêu chuẩn hóa là một khía cạnh quan trọng của IIoT. Hình 1.4 dưới đây minh họa kiến trúc điển hình của IIoT. Trong đó, có ba phân mảng chính: tính toán biên (edge), kết nối mạng (network) và tính toán đám mây (cloud). 14 Hình 1.4. Kiến trúc điển hình của IIoT. 1.2.5. Nông trại thông minh (Smart Farm) Nông nghiệp thời hiện đại đang phải đối mặt với những thách thức to lớn để có thể tạo ra sự phát triển bền vững tương lai, trên các khu vực khác nhau của thế giới. Điển hình đó là sự gia tăng về dân số, đô thị hóa, môi trường ngày càng xuống cấp, xu hướng tiêu thụ protein động vật ngày càng tăng, yêu cầu về thực phẩm cũng thay đổi do dân số già và yếu tố di cư, và tất nhiên là bao gồm cả sự biến đổi về khí hậu. Do vậy, một nền nông nghiệp hiện đại cần được phát triển, đặc trưng bởi việc áp dụng các quy trình sản xuất, công nghệ và công cụ, có được từ những tiến bộ khoa học hay từ kết quả của các hoạt động nghiên cứu và phát triển. Nông nghiệp chính xác hay nông nghiệp thông minh là một lĩnh vực có cơ hội lớn nhất để phát triển/chuyển đổi kỹ thuật số, nhưng cho đến nay, sự thâm nhập vào lĩnh vực này vẫn ở mức thấp nhất đối với các giải pháp số hóa. 15 Hình 1.5. Minh họa mô hình triển khai nông trại thông minh. Ngành nông nghiệp sẽ trở nên quan trọng hơn bao giờ hết trong vài thập kỷ tới. Nó có thể thu được lợi ích to lớn từ việc sử dụng các cảm biến môi trường và mặt đất, các ứng dụng theo dõi thời tiết, tự động hóa để áp dụng chính xác hơn trong hoạt động tưới tiêu, phân bón và thuốc trừ sâu (do đó giảm lãng phí tài nguyên thiên nhiên) và áp dụng các chiến lược lập lịch để bảo trì. Nông nghiệp thông minh đã trở nên phổ biến, nhờ áp dụng các công nghệ mới, như máy bay không người lái và mạng cảm biến (để thu thập dữ liệu) và nền tảng đám mây (để quản lý dữ liệu được thu thập). Tập hợp các công nghệ được sử dụng trong nông trại thông minh cũng phức tạp như các hoạt động được vận hành bởi người nông dân, người trồng trọt và các bên liên quan khác trong lĩnh vực này. Có rất nhiều ứng dụng khả thi: giám sát chăn nuôi, nuôi cá, chăm sóc và bảo vệ rừng, canh tác trong nhà, và nhiều hơn nữa. Tất cả các công nghệ liên quan đều xoay quanh khái niệm về IoT và nhằm mục đích hỗ trợ nông dân trong quá trình ra quyết định của họ thông qua các hệ thống hỗ trợ quyết định. Chúng liên quan đến dữ liệu thời gian thực ở mức độ chi tiết mà trước đây không thể có được. Công nghệ truyền thông là một thành phần chính của các ứng dụng nông nghiệp thông minh. Đặc biệt, các công nghệ truyền thông không dây rất hấp dẫn, vì 16 sự giảm thiểu và đơn giản hóa đáng kể so với hệ thống liên quan sử dụng dây dẫn. Các tiêu chuẩn không dây khác nhau đã được thiết lập. Người ta có thể nhóm chúng thành hai loại chính, tùy thuộc vào phạm vi hay khoảng cách truyền dẫn:  Truyền thông trên khoảng cách ngắn (short range), bao gồm các tiêu chuẩn: - IEEE 802.11 (sử dụng cho các mạng WLAN hay Wi-Fi). - IEEE 802.15.1 (Bluetooth), IEEE 802.15.4 (cho mạng ZigBee/6LoWPAN), được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng trong đo đạc thông số và tự động hóa các hoạt động.  Truyền thông trên khoảng cách dài (long range): Bao gồm các công nghệ truyền thông IoT mà ngày càng trở lên quan trọng, như là LoRA, hoạt động ở băng tần cỡ 868 – 870 MHz. Các tốc độ truyền dẫn dữ liệu thương mại này (chỉ vào cỡ một vài trăm kbps) là để đạt được khoảng cách truyền dẫn dài hơn. 1.3. Nền tảng hỗ trợ dịch vụ IoT của các mạng thông tin di động 1.3.1. Các mạng di động có khả năng hỗ trợ IoT IoT và công nghệ truyền thông di động đang hợp nhất với nhau và đặc biệt là trong các công nghệ truyền thông di động tương lai. Có nhiều ý tưởng mới đưa ra trong kiến trúc và thiết kế ban đầu sao cho các dịch vụ và ứng dụng IoT có thể được hỗ trợ một cách hoàn hảo. Ví dụ, trong truyền thông di động 5G (sắp tới đây sẽ được triển khai đồng loạt), giao tiếp kiểu máy (machine) đã được phát triển để hỗ trợ IoT theo nhiều cách khác nhau. Ngoài ra, mạng di động 5G tổng thể cũng được chia thành các mục tiêu ứng dụng IoT cụ thể. Quan tâm đến tất cả những vấn đề này, theo quy luật phát triển thì IoT và mạng truyền thông di động cần phải được nghiên cứu đồng bộ. Nhìn chung, nhóm tiêu chuẩn hóa đang dẫn đầu vấn đề này là 3GPP. Đây là Dự án đối tác Thế hệ thứ ba và có bảy nhóm tiêu chuẩn hóa viễn thông đang xây dựng các tiêu chuẩn cho truyền thông mạng di động. Các tiêu chuẩn 3GPP được xây dựng theo các phiên bản khác nhau. Phát hành Re.8 và các tiêu chuẩn theo sau bao gồm khả năng hỗ trợ IoT [2]. Theo bản phát hành 8, chúng ta có LTE (Long- 17 Evolution Evolution), là tiêu chuẩn truyền thông di động thế hệ thứ tư (4G) loại một (Cat. 1). Có thể thấy sự phát triển của phiên bản tiêu chuẩn này, trong đó có LTEMTC (viết tắt của giao tiếp loại máy, MTC: Machine Type Communications). Nghĩa là các ứng dụng dịch vụ IoT đang được hỗ trợ. Ngoài ra, trong phiên bản Re.8 còn có LP-WAN, là công nghệ mạng diện rộng công suất thấp. Theo đó, có GSM-MTC, đó là MTC dựa trên hệ thống thông tin di động toàn cầu, và trong tiêu chuẩn này, đây là một chế độ khác của công nghệ truyền thông di động tế bào, một công nghệ truyền thông di động GSM rất phổ biến sẽ được sử dụng để hỗ trợ các ứng dụng IoT. Quan tâm tới cách mà các tiêu chuẩn phát triển, có thể thấy rằng từ các tiêu chuẩn LTE Cat.1, chúng đang được hợp nhất và hỗ trợ các tiêu chuẩn LTEMTC và sự phát triển tiếp tục trở thành LTE Cat M1 là tiêu chuẩn eMTC. Điều này hiện đang đạt đến phiên bản Re.14 và hơn thế nữa đó là một tiêu chuẩn truyền thông di động tế bào thế hệ thứ năm (5G). Hình 1.6. Các phát hành hỗ trợ IoT của 3GGP [2]. Các nhà sản xuất thiết bị và mô-đun IoT có thể cần chú ý đến hỗ trợ toàn cầu cho các mạng 2G hoặc 3G. Cả mạng 2G và 3G đều chậm hơn 4G, với cơ sở hạ tầng hiện tại mà chi phí của nó là cao hơn LTE 4G. Điều này làm cho 2G và 3G trở 18 thành ứng cử viên sáng giá cho IoT. Mạng 2G có thể phân phối từ 0.5 đến 1.9 Megabits/giây (Mbps), tùy thuộc vào nhà cung cấp, trong khi mạng 3G dao động từ 14 đến 168 Mbps. Các thiết bị IoT khác nhau về yêu cầu tốc độ dữ liệu dựa trên các yêu cầu về độ trễ, phạm vi/khoảng cách nhận dữ liệu, số lượng truyền dữ liệu mà thiết bị IoT cần gửi trong một khoảng thời gian nhất định và thậm chí cả tốc độ di chuyển của thiết bị IoT. Mặc dù vậy, hầu hết các nhà mạng không muốn duy trì cơ sở hạ tầng 2G hoặc 3G vì lưu lượng truy cập giảm dần, cùng với người dùng. Các nhà mạng di động nhận thấy việc chi phí để giữ cho các mạng hoạt động không còn hiệu quả khi lượng người dùng nhiều nhất đang hướng tới 5G. 1.3.2. Phân loại các chuẩn IoT di động Theo ITU, các hệ thống IoT được phân vào hai nhóm chính [3]: (i) Các tiêu chuẩn không thuộc 3GPP và (ii) Các tiêu chuẩn do 3GPP định nghĩa. Hình 1.7 dưới đây chỉ ra tên của các hệ thống IoT khác nhau. Hình 1.7. Phân loại các hệ thống IoT. Trong bản phát hành R.13, 3GPP đã thực hiện một nỗ lực lớn để giải quyết thị trường IoT. Danh mục công nghệ mà các nhà khai thác 3GPP hiện nay có thể sử dụng để giải quyết các yêu cầu thị trường khác nhau của họ bao gồm [4]:  eMTC: Cải tiến LTE hơn nữa cho truyền thông kiểu máy, xây dựng dựa trên công việc đã bắt đầu trong bản phát hành-12 (UE Cat 0, chế độ tiết kiệm năng lượng mới: PSM).  NB-IoT: Thành phần vô tuyến mới được bổ sung cho nền tảng LTE tối ưu 19 đối với phân khúc thị trường mức thấp.  EC-GSM-IoT: Những cải tiến của EGPRS kết hợp với PSM giúp các thị trường GSM/EDGE chuẩn bị sẵn sàng cho IoT. Bản phát hành Re.3 sau đó ngừng phát triển và công việc bổ sung đang được tiến hành cho bản phát hành R.14. Các thông số hoạt động của ba tiêu chuẩn IoT nói trên được thể hiện như trong Hình 1.8. Hình 1.8. Các thông số hoạt động của eMTC, NB-IoT và EC-GSM-IoT. 1.4. Nền tảng dịch vụ IoT đám mây (Cloud) Ở thời điểm ban đầu, phương pháp tiếp cận đơn giản được áp dụng để tạo kết nối giữa các thiết bị IoT với nhau: bằng cách dựa vào sự sẵn có của các dịch vụ đám mây, tất cả những gì cần làm là kết nối mọi thứ với Internet (thông qua mạng di động hoặc trong nhiều trường hợp thông qua một cổng kết nối Internet) và gửi tất cả dữ liệu lên đám mây. Dịch vụ đám mây khi đó sẽ cung cấp một cơ sở lưu trữ cho tất cả dữ liệu được gửi bởi các thiết bị từ một phía, và giao diện dựa trên HTTP để khách hàng truy cập (thông qua trình duyệt hoặc ứng dụng di động cụ thể của nhà cung cấp) từ phía khác. Tất cả các nhà cung cấp dịch vụ đám mây lớn (như được minh họa trong Hình 1.9), như Amazon và Microsoft, hiện đã tham gia vào thị trường này và phát hành nền tảng IoT trên nền tảng đám mây của riêng họ. 20
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan

Tài liệu vừa đăng