Tài liệu So sánh và đánh giá các nền tảng điện toán đám mây iot trong kịch bản nhà thông minh (tt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  LÊ CÔNG VĨNH KHẢI SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC NỀN TẢNG ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY IOT C C R UT.L TRONG KỊCH BẢN NHÀ THÔNG MINH D Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 8520203 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng – Năm 2020 Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS. Ngô Minh Trí Phản biện 1: TS. Tăng Anh Tuấn Phản biện 2: TS. Trần Thế Sơn Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện tử họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 25 tháng 10 năm 2020 C C R UT.L Có thể tìm hiểu luận văn tại: D  Trung tâm Học liệu và Truyền thông, Trường Đại học Bách khoa  Thư viện Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Internet of Things (IoT) là một trong những thuật ngữ phổ biến nhất trong thế giới công nghệ ngày nay, IoT góp phần cải tiến hiệu quả hoạt động trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, tuy nhiên số lượng thiết bị IoT tăng đột biến cũng đặt ra rất nhiều bài toán cho các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này. Phần lớn các giải pháp IoT hiện nay đều triển khai theo hướng thủ công và cục bộ tức là phải thiết kế và xây dựng toàn bộ hệ thống từ thành phần thiết bị, máy chủ cho đến các hạ tầng giao thức kết nối. Có rất nhiều vấn đề cần giải quyết khi triển khai một hệ thống IoT như vậy. C C R UT.L Trong những năm gần đây, các hãng công nghệ lớn về điện toán D đám mây đã cho ra một dịch vụ với sự kết hợp giữa ưu điểm của điện toán đám mây và nền tảng IoT được gọi là nền tảng điện toán đám mây IoT điển hình là: Amazon AWS IoT, Google Cloud IoT, Microsoft Azure IoT, Oracle IoT Cloud, IBM Watson IoT,… Với công nghệ nền tảng này, các doanh nghiệp và tổ chức không cần phải xây dựng thêm phần cứng máy chủ, cấu hình quản lý mô hình mạng và hạ tầng triển khai hệ thống Luận văn nghiên cứu về phương pháp xây dựng một hệ thống Internet of Things thực tế ứng dụng nền tảng điện toán đám mây IoT, đề xuất quy trình kiến trúc dữ liệu hệ thống IoT, lựa chọn và thực hiện khảo sát hai trong số những nền tảng điện toán đám mây IoT lớn nhất hiện nay dựa trên các kịch bản mô hình nhà thông minh. Từ đó so sánh và đánh giá hai nền tảng theo bộ tiêu chí đánh giá được đề xuất trong đề tài. 2 2. Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu và đề xuất kiến trúc hệ thống Internet of Things ứng dụng nền tảng điện toán đám mây IoT; - Tìm hiểu kiến trúc và ứng dụng của các nền tảng điện toán đám mây IoT; - Tìm hiểu và đề xuất bộ tiêu chí đánh giá định tính và định lượng; - Triển khai mô hình hệ thống IoT trong kịch bản nhà thông minh sử dụng các nền tảng điện toán đám mây IoT; - So sánh, đánh giá các nền tảng đã khảo sát; 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu C C R UT.L - Kiến trúc Internet of Things; - Dịch vụ điện toán đám mây; - Nền tảng điện toán đám mây IoT; - Phân loại nền tảng điện toán đám mây IoT; - Các giao thức truyền thông (MQTT, HTTP); - Mô hình nhà thông minh; - Xác thực và bảo mật trong hệ thống IoT; - Trợ lý ảo giọng nói. D 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Tìm hiểu kiến trúc hệ thống IoT; - Thiết kế quy trình hệ thống IoT ứng dụng nền tảng điện toán đám mây; - Tìm hiểu các nền tảng điện toán đám mây IoT; - Xây dựng thuật toán cho các thiết bị kết nối; - So sánh và đánh giá các nền tảng điện toán đám mây. 3 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu phương pháp ứng dụng các nền tảng điện toán đám mây IoT; - Đề xuất bộ tiêu chí đánh giá định tính và định lượng; - Đề xuất mô hình kiến trúc dữ liệu cho hệ thống IoT; - Xây dựng các kịch bản cụ thể về nhà thông minh; - Thiết kế và thi công mô hình nhà thông minh; - Thực hiện các kịch bản và rút ra đánh giá, so sánh các nền tảng điện toán đám mây IoT. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Luận văn có ý nghĩa khoa học trong lĩnh vực thiết kế hệ thống IoT, điện toán đám mây IoT và bảo mật thông tin. C C R UT.L Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả đề tài luận văn có khả năng áp dụng cho D các hệ thống IoT khác nhau trong thực tế và có cơ sở giúp lựa chọn nền tảng phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể. 6. Cấu trúc luận văn Chƣơng 1 – Tổng quan đề tài. Chƣơng 2 – Đề xuất mô hình kiến trúc dữ liệu và thiết kế mô hình nhà thông minh. Chƣơng 3 – Quản lý hệ thống sử dụng nền tảng điện toán đám mây AWS IoT. Chƣơng 4 – Quản lý hệ thống sử dụng nền tảng điện toán đám mây Google Cloud IoT. Chƣơng 5 – Kết quả thực nghiệm và so sánh, đánh giá. 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1. Tổng quan về Internet of Things Internet of Things là thuật ngữ mô tả mạng lưới các thực thể vật lý, tích hợp các cảm biến, phần mềm và các công nghệ khác nhằm mục đích kết nối, trao đổi dữ liệu với các thực thể khác qua môi trường Internet. 1.2. Tổng quan về điện toán đám mây 1.2.1. Định nghĩa điện toán đám mây Điện toán đám mây là việc cung cấp các dịch vụ điện toán theo yêu cầu bao gồm: máy chủ; dịch vụ lưu trữ; CSDL; phần mềm; công C C R UT.L cụ phân tích, tính toán,… qua môi trường Internet. 1.2.2. Phân loại điện toán đám mây D Hầu hết các dịch vụ điện toán đám mây được chia thành 3 loại chính: cơ sở hạ tầng như một dịch vụ (IaaS), nền tảng như một dịch vụ (PaaS) và phần mềm như một dịch vụ (SaaS). 1.2.3. Các mô hình triển khai điện toán đám mây Để triển khai mô hình điện toán đám mây phù hợp với từng hệ thống có thể sử dụng một trong ba mô hình sau: - Đám mây công cộng (Public cloud) - Đám mây riêng tư (Private cloud) - Đám mây kết hợp (Hybrid cloud) 1.2.4. Lợi ích của điện toán đám mây Sự ra đời của điện toán đám mây là sự thay đổi lớn so với mô hình truyền thống và luận văn nêu ra 5 lý do quan trọng giải thích vì 5 sao các tổ chức dần chuyển sang sử dụng dịch vụ điện toán đám mây: - Tiết kiệm chi phí - Đẩy nhanh tốc độ triển khai - Khả năng mở rộng cao - Độ tin cậy cao - Đảm bảo tính năng bảo mật 1.3. Phân tích và lựa chọn nền tảng điện toán đám mây IoT cho đề tài 1.3.1. Các yếu tố của nền tảng điện toán đám mây IoT Một nền tảng IoT đầy đủ sẽ bao gồm 8 khối tính năng quan trọng C C R UT.L bao gồm: kết nối và chuẩn hóa (Connectivity & normalization), quản lý thiết bị (device management), cơ sở dữ liệu (database), xử lý và D quản lý hành động (processing & action management), phân tích (analytics), trực quan hóa (visualization), các công cụ bổ sung và giao diện bên ngoài (additional tools, and external interfaces). 1.3.2. Lựa chọn nền tảng điện toán đám mây IoT Trong phạm vi đề tài, tôi sẽ lựa chọn 2 trong số các nền tảng điện toán đám mây thuộc nhóm dẫn đầu này và đáp ứng đầy đủ 8 mô đun tính năng kể trên là: Amazon AWS IoT (thuộc Amazon Web Server và Google Cloud IoT (thuộc Google Cloud Platform). 1.4. Phƣơng pháp thực hiện quy trình đánh giá và đề xuất tiêu chí đánh giá Quy trình đánh giá cụ thể bao gồm các bước sau: 6 - Bƣớc 1: Nghiên cứu, đề xuất kiến trúc tổng quát của một hệ thống IoT; - Bƣớc 2: Đề xuất bộ tiêu chí đánh giá; - Bƣớc 3: Thiết kế các kịch bản nhà thông minh - Bƣớc 4: Thiết kế 2 mô hình phần cứng hệ thống - Bƣớc 5: Triển khai hệ thống nhà thông minh đã xây dựng - Bƣớc 6: Thực hiện phân tích đánh giá Để thực hiện đánh giá và so sánh hai nền tảng, đề tài đề xuất bộ tiêu chí được gán nhãn từ T1 đến T8 gồm: - Tiêu chí đánh giá định lượng:  - T1: Thông lượng C C R UT.L Tiêu chí đánh giá định tính:  T2: Quản lý thiết bị  T3: Định tuyến gói tin từ IoT Core đến các dịch vụ  T4: Giao thức hỗ trợ kết nối thiết bị và ứng dụng  T5: Thông báo đẩy  T6: Bảo mật, xác thực và ủy quyền máy khách  T7: Công cụ phát triển phụ trợ  T8: SDK và API hỗ trợ D 1.5. Kết luận chƣơng Chương 1 đã nêu tổng quan, phân loại, các mô hình triển khai và lợi ích chính của điện toán đám mây cùng với Internet of Things; bên cạnh đó là phân tích lựa chọn nền tảng điện toán đám mây IoT cho đề tài cùng phương pháp thực hiện quy trình đánh giá và đề xuất tiêu chí đánh giá. Chi tiết về quá trình thiết kế và triển khai sẽ được trình bày cụ thể ở các chương sau. 7 CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH VÀ ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH KIẾN TRÚC DỮ LIỆU 2.1. Thiết kế kịch bản nhà thông minh Hệ thống nhà thông minh được xây dựng bao gồm các ngữ cảnh được gắn nhãn từ N1 đến N7 như sau: - N1: Giám sát các giá trị thông số môi trường định kỳ mỗi 5 giây bao gồm: nhiệt độ, độ ẩm và khí gas - N2: Hỗ trợ tính năng phát hiện có người để cảnh báo trộm, có thể cấu hình từ xa qua giao diện website. - N3: Trong trường hợp tính năng chống trộm được kích hoạt, nếu phát hiện có người hoặc đối tượng lạ sẽ thực hiện báo C C R UT.L động âm thanh và gửi cảnh báo đến người dùng. - D N4: Hỗ trợ tính năng báo động âm thanh và gửi cảnh báo đến người dùng nếu khí gas vượt ngưỡng, có thể cấu hình ngưỡng từ xa qua giao diện website. - N5: Giám sát trạng thái các thiết bị điện trong nhà. - N6: Hỗ trợ tính năng điều khiển các thiết bị điện trong nhà bằng 2 phương pháp: tại chỗ qua công tắc cảm ứng hoặc từ xa qua giao diện website. - N7: Hỗ trợ cảnh báo qua giao diện website nếu thiết bị gặp sự cố mất kết nối đột ngột đến nền tảng đám mây. Mỗi ngữ cảnh từ N1 đến N7 sẽ được sử dụng để phân tích, đánh giá 2 nền tảng IoT theo các tiêu chí từ T1 đến T8 được sắp xếp ở Bảng 1: 8 Bảng 1: Ánh xạ tiêu chí đánh giá và kịch bản nhà thông minh N1 T1 T2 T3 T4 X X X X N2 T5 T6 T7 T8 X X X X X X X N3 X X X X X N4 X X X X X X X X X X X N5 X N6 X C C R .L N7 X X X X X DUT 2.2. Đề xuất mô hình kiến trúc dữ liệu hệ thống sử dụng nền tảng điện toán đám mây IoT 2.2.1. Các đối tượng chính trong hệ thống IoT Một hệ thống IoT điển hình thường gồm 3 thành phần đối tượng chính tương tác với nhau là: thiết bị, máy chủ (đám mây) và ứng dụng. 2.2.2. Định nghĩa khung phân loại gói tin chung cho hệ thống IoT Các hệ thống IoT được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đa dạng, mỗi hệ thống khác nhau sẽ có các đặc điểm riêng và loại gói tin cũng khác nhau. Vì vậy việc định nghĩa và chuẩn hóa một khung phân loại các gói tin cơ bản rất cần thiết để làm cơ sở trước khi xây dựng mô 9 hình kiến trúc dữ liệu cho các gói tin cụ thể. Luận văn sử dụng kiến trúc gồm 4 loại gói tin cơ sở: STATE, TELEMETRY, CONFIGURATION, COMMAND cho một hệ thống IoT bất kỳ. 2.2.3. Xác định và phân loại gói tin theo khung đề xuất Các loại gói tin được sắp xếp theo khung phân loại gói tin 4 loại cơ sở ở Bảng 3: Bảng 2: Sắp xếp gói tin hệ thống nhà thông minh vào khung phân loại gói tin cơ sở Loại gói tin Cấu hình Điều khiển Cảm biến Trạng thái Cảnh báo Luồng dữ liệu Ứng dụng -> Đám mây - CONFIGURATION > Thiết bị COMMAND C C R UT.L D Thiết bị -> Đám mây -> Ứng dụng Phân tích 2.2.4. Phân loại theo khung TELEMETRY STATE - TELEMETRY TELEMETRY TELEMETRY Thiết kế kiến trúc luồng dữ liệu Luồng dữ liệu cảm biến: luận văn đề xuất thiết kế luồng dữ liệu cảm biến với quy trình 4 bước nhằm đảm bảo tính tin cậy, khả năng mở rộng đối với lượng dữ liệu lớn theo thời gian ở Hình 9. Hình 1: Kiến trúc luồng dữ liệu cảm biến theo quy trình 4 bước 10 Luồng dữ liệu điều khiển và cập nhật trạng thái: luận văn đề xuất sử dụng mô hình tổ chức dữ liệu thiết bị gọi là Current state (Trạng thái hiện tại) sẽ được tổ chức lưu trữ thành 2 khối riêng biệt trong CSDL theo kiến trúc No-SQL gọi là reported và desired được trình bày trong Hình 10. C C R UT.L Hình 2: Mô hình lưu trữ và luồng dữ liệu trạng thái thiết bị - D Reported: đại diện cho trạng thái thực của thiết bị, chỉ có thiết bị mới được cập nhật trạng thái vào khối này. - Desired: đại diện cho trạng thái điều khiển, cập nhật mà ứng dụng mong muốn thiết bị thực hiện, các ứng dụng khác nhau có thể cùng cập nhật trạng thái vào khối này. 2.3. Thiết kế phần cứng hệ thống 2.3.1. Sơ đồ kết nối phần cứng Hệ thống sử dụng chip SoC tích hợp WiFi ESP32 32-bit của hãng Expressif làm vi điều khiển trung tâm giao tiếp với các ngoại vi khác và kết nối với nền tảng điện toán đám mây IoT. 11 Hình 3: Sơ đồ khối tổng quát kết nối phần cứng hệ thống 2.3.2. Lưu đồ thuật toán thiết bị C C R UT.L D Hình 4: Lưu đồ thuật toán luồng xử lý chính 12 Hình 5: Lưu đồ thuật toán luồng xử lý nhấn nút tại bảng điều khiển cảm ứng C C R UT.L D Hình 6: Lưu đồ thuật toán luồng xử lý nhận dữ liệu điều khiển và cấu hình từ ứng dụng 13 2.4. Kết luận chƣơng Chương 2 đề xuất mô hình kiến trúc dữ liệu hệ thống IoT bao gồm khung phân loại gói tin chung (4 loại gói tin cơ sở), xác định và phân loại gói tin hệ thống IoT và thực hiện thiết kế chi tiết luồng dữ liệu của một số loại gói tin chính trong hệ thống IoT; cuối cùng là thiết kế nguyên lý phần cứng hệ thống nhà thông minh và lưu đồ thuật toán phía thiết bị. D C C R UT.L 14 CHƢƠNG 3. QUẢN LÝ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG NỀN TẢNG ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY AWS IOT 3.1. Kiến trúc dữ liệu hệ thống nhà thông minh sử dụng nền tảng AWS IoT Luận văn đề xuất thiết kế hệ thống nhà thông minh sử dụng nền tảng AWS IoT như Hình 20 và Hình 21: C C R UT.L Hình 7: Kiến trúc dữ liệu từ Thiết bị -> Đám mây -> Ứng dụng D Hình 8: Kiến trúc dữ liệu từ Ứng dụng -> Đám mây -> Thiết bị 3.1.1. Dịch vụ AWS IoT Core Trong số các dịch vụ IoT mà AWS cung cấp, dịch vụ đóng vai trò trung tâm và cốt lõi nhất là dịch vụ AWS IoT Core với nhiệm vụ cung cấp cách thức (địa chỉ broker, giao thức, phương thức bảo mật) để các thiết bị trong hệ thống IoT có thể kết nối đến AWS, ngoài ra 15 AWS IoT Core cũng là điểm đầu cuối để các dịch vụ đám mây khác có thể dễ dàng tương tác với dữ liệu hệ thống. 3.1.2. Lựa chọn và mô tả dịch vụ CSDL Lựa chọn dịch vụ CSDL: Luận văn phân tích các ưu nhược điểm và lựa chọn sử dụng dịch vụ CSDL DynamoDB làm CSDL chính cho hệ thống nhà thông minh đã thiết kế. Mô tả dịch vụ CSDL DynamoDB: là dịch vụ CSDL NoSQL được cung cấp bởi nền tảng điện toán đám mây AWS. Các thành phần cốt lõi trong DynamoDB là bảng (table), mục (item) và thuộc tính (attribute). 3.1.3. C C R UT.L Quy trình luồng dữ liệu cảm biến D Theo quy trình luồng dữ liệu cảm biến theo 4 bước đã thiết kế ở chương 2, trên nền tảng điện toán đám mây AWS luận văn đề xuất thiết kế ở Hình 25: Hình 9: Quy trình luồng dữ liệu cảm biến trên nền tảng AWS 3.1.4. Quy trình luồng dữ liệu điều khiển và cập nhật trạng thái Tính năng điều khiển và cập nhật trạng thái tuân theo quy trình mô hình reported-desired được thiết kế ở mục 2.3.4 và luận văn đề xuất thiết kế trên nền tảng điện toán đám mây AWS IoT ở Hình 33: 16 Hình 10: Quy trình luồng dữ liệu điều khiển và cập nhật trạng thái trên nền tảng AWS 3.1.5. Thiết kế API tương tác ứng dụng website Hệ thống nhà thông minh ứng dụng nền tảng điện toán đám mây AWS sử dụng dịch vụ Amazon API Gateway kết hợp AWS Lambda làm dịch vụ phụ trợ (backend) để thiết kế một bộ gồm các API theo tiêu chuẩn REST giúp ứng dụng bên ngoài tương tác truy vấn dữ C C R UT.L liệu. D Hình 11: Sơ đồ kiến trúc thiết kế API cho ứng dụng website theo kiến trúc REST 3.2. Kết luận chƣơng Chương 3 đã phân tích lựa chọn các dịch vụ trên nền tảng AWS để ứng dụng vào quản lý hệ thống nhà thông minh theo các quy trình thiết kế đã trình bày ở Chương 2, qua đó nhận thấy rằng nền tảng AWS cung cấp các dịch vụ đa dạng hoàn toàn đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu thiết kế của một hệ thống IoT bất kỳ. 17 CHƢƠNG 4. QUẢN LÝ HỆ THỐNG SỬ DỤNG NỀN TẢNG ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY GOOGLE CLOUD IOT 4.1. Kiến trúc dữ liệu hệ thống nhà thông minh sử dụng nền tảng Google Cloud IoT Từ các quy trình phân loại và thiết kế ở trên, luận văn đề xuất thiết kế hệ thống sử dụng nền tảng GCP với hai chiều như sau: C C R UT.L D Hình 38: Kiến trúc dữ liệu từ Thiết bị -> Đám mây -> Ứng dụng Hình 12: Kiến trúc dữ liệu từ Ứng dụng -> Đám mây -> Thiết bị 18 4.1.1. Dịch vụ Cloud IoT Core Cloud IoT Core là dịch vụ được quản lý toàn diện cho phép kết nối, quản lý và nhập dữ liệu từ hàng triệu thiết bị phân tán trên toàn cầu một cách dễ dàng và an toàn. Cloud IoT Core hỗ trợ hai giao thức để thiết bị kết nối và giao tiếp với đám mây là MQTT và HTTP. 4.1.2. Lựa chọn và mô tả dịch vụ CSDL Lựa chọn dịch vụ CSDL: Luận văn phân tích lựa chọn dịch vụ Cloud Firestore làm CSDL chính cho hệ thống nhà thông minh đã thiết kế. Mô tả dịch vụ CSDL Cloud Firestore: là CSDL kết hợp giữa C C R UT.L ưu điểm về dữ liệu thời gian thực (của Firebase) và khả năng mở rộng (của GCP). Trong Firestore có các khái niệm sau: collections, D documents (tương đương với bản ghi trong SQL). Mỗi “document” gồm nhiều fields chứa các dữ liệu thực tế. 4.1.3. Dịch vụ Cloud Pub/Sub Là dịch vụ nhắn tin không đồng bộ cung cấp độ tin cậy cao và khả năng mở rộng. Dịch vụ hoạt động theo cơ chế xuất bản/đăng ký (publish/subscribe), phía gửi và phía nhận được tách biệt với nhau và được quản lý, phân phối bởi Cloud Pub/Sub. 4.1.4. Quy trình luồng dữ liệu cảm biến Trên nền tảng điện toán đám mây GCP luận văn đề xuất thiết kế ở Hình 45: