Tài liệu Xây dựng hệ thống giám sát phòng máy dựa trên công nghệ iot

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HẢI LÂM XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT PHÒNG MÁY DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ IoT Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60.48.01.01 TOM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Đà Nẵng, năm 2018 Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN TẤN KHÔI Phản biện 1: TS. Lê Thị Mỹ Hạnh Phản biện 2: TS. Nguyễn Quang Thanh Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học máy tính tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 8 tháng 12 năm 2018. Có thể tìm hiểu luận văn tại: − Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa. − Thư viện Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN. 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của con người đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Và khái niệm “Internet of Things” không còn xa lạ và mới mẻ với chúng ta. Một thế giới mà mọi thứ trong cuộc sống được kết nối với Internet để truyền tải, trao đổi dữ liệu, từ đó người dùng có thể tương tác, điều khiển và kiểm soát mọi hoạt động trong cuộc sống thông qua những thiết bị thông minh như điện thoại hoặc máy tính bảng. Đánh giá về tình hình phát triển của Internet trong nước thời gian qua, Việt Nam đang phát triển nhanh về số lượng người sử dụng Internet và các thiết bị số, nhất là mạng xã hội và thiết bị di động. Internet Việt Nam có hạ tầng mạng phát triển khá bền vững với ADSL, TV cable, đặc biệt là hạ tầng cáp quang ở các thành phố lớn. Hiện nay, mặc dù khái niệm IoT đã trở nên khá quen thuộc và được ứng dụng khá nhiều trong các lĩnh vực của đời sống con người, đặc biệt ở các nước phát triển có nền khoa học công nghệ tiên tiến. Tuy nhiên, những công nghệ này chưa được áp dụng một cách rộng rãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng. Những dự án phát triển Internet of Things đang nổi lên ở rất nhiều công ty công nghệ trên toàn thế giới. Hiện tại chỉ có khoảng 300 nghìn lập trình viên tham gia IoT nhưng đến 2020, thế giới sẽ cần tới 4.5 triệu lập trình viên. Một sản phẩm của Internet of Things đang phổ biến hiện nay đó là Raspberry Pi. Một thiết bị phần cứng có chức năng tương tự như một chiếc máy tính thu nhỏ, phục vụ cho nhiều nhu cầu khác nhau như: học tập, giải trí, điều khiển các thiết bị phần cứng 2 khác… Được sự định hướng người hướng dẫn, tôi đề xuất đề tài Xây dựng hệ thống giám sát phòng máy dựa trên công nghệ IoT nhằm mục tiêu xây dựng một thiết bị IoT để giám sát các thông số độ ẩm, nhiệt độ và hình ảnh camera cho phòng máy chủ MobiFone với 40 tủ Rack và hơn 150 thiết bị. 2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu Xây dựng hệ thống giám sát phòng máy dựa trên công nghệ IoTcó chức năng giám sát, thu nhập thông tin và truyền tải dữ liệu về Server trên mạng để phục vụ giám sát và quản lý. Mục tiêu cụ thể: - Xây dựng mô hình thiết bị nhúng và các thành phần ngoại vi, - Xây dựng các sơ đồ tích hợp, kết nối thiết bị, - Lựa chọn hệ điều nhúng, phân tích mã nguồn, phát triển chức năng, - Cài đặt hệ điều hành nhúng vào thiết bị IoT, - Xây dựng các mô đun chức năng xử lý dữ liệu, - Xây dựng WebServer cho phép nhận dữ liệu từ thiết bị IoT và hiển thị thông. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu của đề tài: - Cơ sở lý thuyết về IoT, - Kiến trúc hệ thống IoT, - Các giải pháp xây dựng và kết nối thiết bị IoT, - Mô hình bảo mật cho IoT. Phạm vi nghiên cứu của đề tài: - Nghiên cứu các mô hình kết nối IoT phục vụ giám sát và quản lý 3 - Nghiên cứu xây dựng hệ điều hành nhúng cho thiết bị IoT 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết: - Cơ sở lý thuyết về IoT, - Cơ sở lý thuyết về các mô triển khai IoT, - Phân tích các chức năng của hệ điều hành nhúng thiết bị Nghiên cứu thực nghiệm: - Xây dựng hệ điều hành nhúng cho thiết bị IoT, - Xây dựng mô hình kết nối và thử nghiệm. 5. CẤU TRÚC LUẬN VĂN Luận văn được tổ chức thành ba chương với các nội dung chính như sau: Chương 1. Tổng quan về công nghệ IoT Chương này, luận văn sẽ trình bày mô hình hệ thống, các thành phần của một hệ thống, các công nghệ ứng dụng của một hệ thống IoT. Từ đó tổng quan vấn đề cần nghiên cứu của luận văn. Chương 2. Phân tích thiết kế hệ thống IoT giám sát môi trường phòng máy Chương này, phát biểu bài toán, thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống IoT giám sát, thiết kế chi tiết các chức năng chính của hệ thống. Và từ đó phân tích và lựa chọn các công nghệ để triển khai hệ thống. Chương 3. Triển khai thực nghiệm hệ thống và đánh giá kết quả Trên cơ sở nghiên cứu cơ bản về IoT, thiết bị cảm biến thông dụng, đồng thời xuất phát từ thực tiễn phục vụ công việc giám sát nhiệt độ, độ ẩm và hình ảnh camera phòng máy chủ nơi tôi làm việc, và xây dựng một chương trình thực nghiệm (trên các thiết bị thật) để giám sát các thông số 4 về môi trường (nhiệt độ và độ ẩm) và hình ảnh camera phòng máy chủ. Sau đó, chạy thử nghiệm chương trình, đánh giá các kết quả đạt được và so sánh với mục tiêu, yêu cầu đặt ra đối với luận văn. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IOT 1.1 GIỚI THIỆU IoT có thể được coi là một tầm nhìn sâu rộng của công nghệ và cuộc sống. Từ quan điểm của tiêu chuẩn kỹ thuật, IoT có thể được xem như là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, tạo điều kiện cho các dịch vụ tiên tiến thông qua sự liên kết các “mọi thứ”. IoT dự kiến sẽ tích hợp rất nhiều công nghệ mới, chẳng hạn như các công nghệ thông tin máy móc-đến-máy móc, mạng tự trị, khai thác dữ liệu và ra quyết định, bảo vệ sự an ninh và sự riêng tư, điện toán đám mây. Như hình dưới, một hệ thống thông tin trước đây đã mang đến 2 chiều – “mọi thời gian giao tiếp” và “mọi địa điểm giao tiếp” giao tiếp. Giờ IoT đã tạo thêm một chiều mới trong hệ thống thông tin đó là “mọi thông tin giao tiếp” [3] 1.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG IoT Bất kỳ một hệ thống IoT nào cũng được xây dựng lên từ sự kết hợp của 4 lớp sau [5]: - Lớp ứng dụng (Application Layer) - Lớp hỗ trợ dịch vụ và ứng dụng (Service support and application support layer) - Lớp mạng (Network Layer) - Lớp thiết bị (Device Layer) 1.2.1 Tầng ứng dụng Lớp ứng dụng cũng tương tự như trong mô hình OSI 7 lớp, lớp này tương tác trực tiếp với người dùng để cung cấp một chức năng hay 5 một dịch vụ cụ thể của một hệ thống IOT. 1.2.2 Hỗ trợ dịch vụ và tầng hỗ trợ ứng dụng Nhóm dịch vụ chung: Các dịch vụ hỗ trợ chung, phổ biến mà hầu hết các ứng dụng IOT đều cần, ví dụ như xử lý dữ liệu hoặc lưu trữ dữ liệu. Nhóm dịch vụ cụ thể, riêng biệt: Những ứng dụng IoT khác nhau sẽ có nhóm dịch phụ hỗ trợ khác nhau và đặc thù. Trong thực tế, nhóm dịch vụ cụ thể riêng biệt là tính toán độ tăng trưởng của cây mà đưa ra quyết định tưới nước hoặc bón phân. 1.2.3 Tầng mạng Tầng mạng có 2 chức năng [5]: - Chức năng Networking: cung cấp chức năng điều khiển các kết nối kết nối mạng, chẳng hạn như tiếp cận được nguồn tài nguyên thông tin và chuyển tài nguyên đó đến nơi cần thiết, hay chứng thực, uỷ quyền… - Chức năng Transporting: tập trung vào việc cung cấp kết nối cho việc truyền thông tin của dịch vụ/ứng dụng IoT. 1.2.4 Tầng thiết bị Lớp Device chính là các phần cứng vật lý trong hệ thống IOT. Device có thể phân thành hai loại như sau [5]: - Thiết bị thông thường: Device này sẽ tương tác trực tiếp với network: Các thiết bị có khả năng thu thập và tải lên thông tin trực tiếp (nghĩa là không phải sử dụng gateway) và có thể trực tiếp nhận thông tin (ví dụ, lệnh) từ các network. Device này cũng có thể tương tác gián tiếp với network: Các thiết bị có thể thu thập và tải network gián tiếp thông qua khả năng gateway. Ngược lại, các thiết bị có thể gián tiếp nhận thông tin (ví dụ, lệnh) từ network. Trong thực tế, các Thiết bị thông thường bao g m các cảm biến, các phần cứng điều khiển motor, đèn … 6 1.3 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ THỐNG IoT 1.3.1 Đặc tính cơ bản Đặc tính cơ bản của một hệ thống IoT bao gồm [3], [4]: a. Tính kết nối liên thông với IoT, bất cứ điều gì cũng có thể kết nối với nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể. b. Những dịch vụ liên quan đến “mọi thứ”: hệ thống IoT có khả năng cung cấp các dịch vụ liên quan đến “mọi thứ”, chẳng hạn như bảo vệ sự riêng tư và nhất quán giữa mọi thứ vậy lý và mọi thứ ảo. Để cung cấp được dịch vụ này, cả công nghệ phần cứng và công nghệ thông tin sẽ phải thay đổi. c. Tính không đồng nhất: Các thiết bị trong IoT là không đồng nhất vì nó có phần cứng khác nhau, và mạng lưới khác nhau. Các thiết bị giữa các mạng lưới có thể tương tác với nhau nhờ vào sự liên kết của các mạng lưới. d. Thay đổi linh hoạt: Trạng thái của các thiết bị tự động thay đổi, ví dụ, ngủ và thức dậy, kết nối hoặc bị ngắt, vị trí thiết bị đã thay đổi, và tốc độ đã thay đổi… Hơn nữa, số lượng thiết bị có thể tự động thay đổi. e. Quy mô lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và giao tiếp với nhau. Số lượng này lớn hơn nhiều so với số lượng máy tính kết nối Internet hiện nay. Số lượng các thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều so với được truyền bởi con người. 1.3.2 Yêu cầu ở mức cao đối với một hệ thống IoT Một hệ thống IoT phải thoả mãn các yêu cầu sau: ❖ Kết nối dựa trên sự nhận diện: Nghĩa là các “mọi thứ” phải có ID riêng biệt. Hệ thống IOT cần hỗ trợ các kết nối giữa các “mọi thứ”, và kết nối được thiết lập dựa trên định danh (ID) của mọi thứ. 7 ❖ Khả năng cộng tác: hệ thống IoT khả năng tương tác qua lại giữa các mạng và Things. ❖ Khả năng tự quản của mạng: Bao gồm tự quản lý, tự cấu hình, tự recovery, tự tối ưu hóa và tự có cơ chế bảo vệ. Điều này cần thiết để mạng có thể thích ứng với các lĩnh vực ứng dụng khác nhau, môi trường truyền thông khác nhau, và nhiều loại thiết bị khác nhau. ❖ Dịch vụ thoả thuận: dịch vụ này để có thể được cung cấp bằng cách thu thập, giao tiếp và xử lý tự động các dữ liệu giữa các “Things” dựa trên các quy tắc (rules) được thiết lập bởi người vận hành hoặc tùy chỉnh bởi các người dùng. ❖ Các khả năng dựa vào vị trí (location-based capabilities): Thông tin liên lạc và các dịch vụ liên quan đến một cái gì đó sẽ phụ thuộc vào thông tin vị trí của Things và người sử dụng. Hệ thống IoT có thể biết và theo dõi vị trí một cách tự động. Các dịch vụ dựa trên vị trí có thể bị hạn chế bởi luật pháp hay quy định, và phải tuân thủ các yêu cầu an ninh. ❖ Bảo mật: Trong IoT, nhiều “Things” được kết nối với nhau. Chình điều này làm tăng mối nguy trong bảo mật, chẳng hạn như bí mật thông tin bị tiết lộ, xác thực sai, hay dữ liệu bị thay đổi hay làm giả. 1.3.3 Thành phần cơ bản của hệ thống IoT [18] Theo báo cáo nghiên cứu thị trường của tổ chức IoT Analytics, kiến trúc của nền tảng IoT hiện đại cơ bản nhất, được miêu tả bao gồm 8 thành phần như sau: Hình thức đơn giản nhất, một nền tảng IoT chỉ cho phép kết nối giữa “sự vật” hoặc thiết bị. Kiến trúc cũng có thể bao gồm một nền tảng phần mềm, một nền tảng phát triển ứng dụng hoặc một nền tảng phân tích. Trong một hình thức phức tạp hơn, một nền tảng IoT đầu cuối đích thực bao gồm tám khối kiến trúc quan trọng. 8 1.4 CÁC CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG TRONG IoT 1.4.1 Công nghệ a. Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) cho phép một thiết bị đọc thông tin chứa trong chip không tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa, không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào hoặc giữa hai vật không nhìn thấy.. Công nghệ này cho ta phương pháp truyền, nhận dữ liệu từ một điểm đến điểm khác. Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thông không dây trong dải tần sóng vô tuyến để truyền dữ liệu từ các tag (thẻ) đến các reader (bộ đọc). b. NFC (Near-Field Communications) là công nghệ kết nối không dây phạm vi tầm ngắn trong khoảng cách 4 cm, sử dụng cảm ứng từ trường để thực hiện kết nối giữa các thiết bị khi có sự tiếp xúc trực tiếp hay để gần nhau. NFC được phát triển dựa trên nguyên lý nhận dạng bằng tín hiệu tần số vô tuyến (Radio-frequency identification - RFID), hoạt động ở dải băng tần 13.56 MHz và tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa 424 Kbps. Do khoảng cách truyền dữ liệu khá ngắn nên giao dịch qua công nghệ NFC được xem là an toàn. 1.4.2 Giao thức truyền thông a. Bluetooth là một công nghệ không dây cho phép truyền thông giữa các thiết bị với nhau mà không cần cáp và dây dẫn. Nó là một chuẩn điện tử, điều đó có nghĩa là các hãng sản xuất muốn có đặc tính này trong sản phẩm thì họ phải tuân theo các yêu cầu của chuẩn này đối cho sản phẩm của mình. Những chỉ tiêu kỹ thuật này bảo đảm cho các thiết bị có thể nhận ra và tương tác với nhau khi sử dụng công nghệ Bluetooth b. Z-Wave là tiêu chuẩn quốc tế cho các giao tiếp không dây giữa các thiết bị khác nhau trong nhà và văn phòng. Mặc dù ra sau nhưng với ưu điểm vượt trội Z-Wave nhanh chóng được đón nhận và phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới. Đến nay chuẩn mở Z-Wave đã 9 có hơn 200 nhà cung cấp từ khắp các châu lục với tất cả các quy mô khác nhau và cung cấp hơn 2.000 chủng loại sản phẩm phục vụ cho các giải pháp nhà thông minh. Sự xuất hiện của chuẩn Z-Wave đã làm thay đổi toàn bộ công nghệ mạng internet. Với chuẩn không dây ZWave đã mở ra cuộc cách mạng IoT. c. WiFi là viết tắt của Wireless Fidelity là phương thức kết nối không dây sử dụng sóng vô tuyến. WiFi được triển khai trên hầu hết các thiết bị điện tử thông minh hiện nay để có thể kết nối với nhau và kết nối Internet. WiFi được triển khai với mục đích truyền dữ liệu không dây tốc độ cao, không cần đấu nối dây hay cáp mạng, triển khai hạ tầng mạng một cách nhanh chóng. 1.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA IoT a. Nhà thông minh: Có thể nói smart home chính là ứng dụng được tìm kiếm nhiều nhất trên google. Vậy như thế nào được hiểu là một ngôi nhà thông minh? Bạn sẽ có thể bật điều hòa, bình nóng lạnh trước khi về nhà hay thậm chí tắt đèn ngay khi bạn không có nhà, bạn có thể mở cửa cho bạn bè vào chơi trong khi bạn vẫn còn ở cơ quan. b. Thành phố thông minh là một ứng dụng của IoT tạo được sự tò mò của đông dảo người dân. Giám sát thông minh, vận chuyển tự động, hệ thống quản lý năng lượng thông minh hơn, phân phối nước, an ninh đô thị và giám sát môi trường tất cả là ví dụ về internet của các ứng dụng cho thành phố thông minh. c. Chăm sóc sức khỏe: Đây có thể nói là một lĩnh vực chưa được khai phá hết của Internet of Things bởi những ứng dụng không ngờ mà nó mang lại. Một hệ thống chăm sóc sức khỏe được kết nối cùng các thiết bị y tế thông minh mang lại tiềm năng to lớn cho các công ty đầu tư sản xuất. d. Trong nông nghiệp: Nếu như trước đây toàn bộ quá trình trồng trọt phụ thuộc lớn vào sức lao động của con người thì giờ đây nó hoàn 10 toàn có thể đơn giản hóa với sự xuất hiện của máy móc và công nghệ. 1.6 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU 1.6.1 Tính cấp thiết ứng dụng IoT để giám sát môi trường phòng máy chủ MobiFone a. Mô tả hiện trạng: Công ty Dịch vụ MobiFone Khu vực 3 là một trong 25 đơn vị trực thuộc Tổng công ty Viễn thông MobiFone. Phụ trách kinh doanh của 08 tỉnh thành trải dài từ Quảng Trị cho vào đến Phú Yên. Với yêu cầu công việc được đưa ra như vậy, là một thành viên ở phòng Công nghệ thông tin nơi tôi làm việc chịu trách nhiệm về việc quản trị hệ thống mạng lõi từ Tổng công ty cho đến các chi nhánh, cửa hàng và đại lý MobiFone gồm các hệ thống: Firewall, Proxy, QRarda, DLP, hệ thống ảo hóa....ngoài ra quản lý hệ thống máy chủ nơi lưu trữ các ứng dụng, website…được phục vụ cho công tác kinh doanh, kèm theo đó là hệ thống cơ sở dữ liệu lớn với hơn 150 loại thiết bị và hơn 40 tủ Rack. Với công việc được phân công quản lý phòng máy chủ. Thì luôn có một màn hình chung lớn để giám sát hình ảnh phòng máy chủ, giám sát các đường truyền kết nối mạng tại các điểm, hiệu năng các thiết bị mạng và server, SAN cũng như database. Ngoài ra, Cũng có các hệ thống ngoại vị để tăng cường bảo vệ cho phòng máy chủ: có các hệ thống bảo vệ xác nhận dấu vân tay, hệ thống điều hòa tập trung và các hệ thống phòng cháy chữa cháy… b. Yêu cầu thực tế: Do thời gian gần đây, biến đổi khí hậu và các hiện tượng nên nhiệt độ không ở một mức ổn định luôn thay đổi, kéo theo các thông số môi trường phòng máy chủ thay đổi. Dẫn đến mất sự ổn định nhiệt độ và độ ẩm. Đặc biệt nữa, hệ thống giám sát các thiết bị phòng máy chủ chưa có một hệ thống giám sát môi trường đặt tại các thiết bị nên việc đưa ra các điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm vẫn 11 còn cảm tính chưa có một quy trình nghiêm ngặt để bảo vệ các thiết bị tránh khỏi các yếu tố môi trường. c. Các sự cố: Ngoài các sự cố về hế thống mạng tập trung ra thì việc các thiết bị switch, router, firewall, server, SAN….phần cứng hay bị hỏng như: hệ thống làm mát của thiết bị, hư mainboard, ram và đĩa cứng lưu trữ. d. Vấn đề giải quyết: Như vậy qua các trình bày ở trên, Ngoài các yếu tố khác thì Nhiệt độ và độ ẩm là kẻ thù của mọi loại thiết bị điện tử, trong phòng máy chủ thì 2 yếu tố này luôn cần phải được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo sự hoạt động ổn định của hệ thống…Do đó tính cấp thiết phải xây dựng một hệ thống giám sát môi trường phòng máy chủ là rất quan trọng để giải quyết được bài toán đặt ra. 1.6.2 Tổng quan các nghiên cứu đã có a. Giám sát nhiệt độ và độ ẩm: Hệ thống E-Sensor Iot rất đơn giản và tiện gọn. Nó giám sát thông số môi trường ở kho lạnh đóng đóng vai quan trọng trong bảo quản thực phẩm, dược phẩm và một số sản phẩm đặc thù. Vì vậy, hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm trong kho lạnh cần phải đảm bảo được sự chính xác, nhanh chóng và ổn định, bởi chỉ cần một sự cố nhỏ trong hệ thống làm lạnh là đã có thể gây hư hỏng thực phẩm được bảo quản trong kho lạnh, thậm chí tạo nên những tổn thất lớn cho doanh nghiệp. b. Ứng dụng camera giám sát: Ngày nay trong sự phát triển của kỷ nguyên công nghệ, con người ngày càng sáng tạo và nghiên cứu ra rất nhiều những sản phẩm ứng dụng thông minh phục vụ cho nhu cầu cuộc sống sinh hoạt nay. Trong đó phải kế đến một thiết bị vô cùng quan trọng thiết yếu được ứng dụng và xuất hiện nhiều nhất ở mọi nơi đó là chiếc camera giám sát. 1.7 KẾT CHƯƠNG Trong chương này trình bày một số vấn đề tổng quan về các 12 công nghệ IoT và các mô hình của hệ thống IoT, các công nghệ được sử dụng và giao thức tryền thông để tạo ra một hệ thống IoT để từ đó có các ứng dụng của IoT hiện nay. Tôi cũng tổng quan vấn đề cần nghiên cứu và tính cấp thiết ứng dụng IoT để giám sát môi trường phòng máy chủ MobiFone. CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG IoT GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG 2.1 PHÁT BIỂU BÀI TOÁN Hiện nay, với xu hướng thời đại công nghệ 4.0, áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào trong mọi lĩnh vực hoạt động của xã hội, với thế mạnh và tính cấp thiết của ứng dụng công nghệ thông tin vào giám sát môi trường thì việc phát triển các công cụ giám sát là một lợi thế để quản lý nhiệt độ và độ ẩm để tránh cho các thiết bị được bảo quản trong điều kiện tốt. Đáp ứng với nhu cầu thự tế tại nơi tôi làm việc thì chưa có hệ thống nào để giám sát môi trường cụ thể là nhiệt độ và độ ẩm ở phòng máy chủ vậy nên hệ thống IoT giám sát môi trường phòng máy chủ được đưa ra nhằm là công cụ linh hoạt, tiện dụng cho người quản lý phòng máy chủ. Với hệ thống đó thì theo dõi nhiệt độ, độ ẩm ở màn hình quản lý theo dõi các thông số phòng máy chủ được đáp ứng nhu cầu và nó trở nên dễ dàng hơn. Bên cạnh theo dõi được biểu đồ nhiệt độ từ đó có các điều chỉnh các thông số môi trường cho đảm bảo phòng máy chủ. Với vị trí công việc được giao phó ở công ty MobiFone quản lý phòng máy chủ. Với quy mô phòng máy chủ công ty lên đến 40 tủ Rack và hơn 150 thiết bị tin học, yêu cầu xây dựng hệ thống IoT để giám sát môi trường phòng máy chủ vì nhiệt độ và độ ẩm là nguyên nhân chính dẫn đến hư hỏng các thiết bị. Công ty yêu cầu xây dựng hệ thống IoT giám sát môi trường phòng máy chủ với các chức năng chính 13 như sau: ❖ Chức năng hiển thị lên màn hình quản lý thông số nhiệt độ và độ ẩm: Có hai cột hiển thị nhiệt độ và độ ẩm với thời gian lấy thông số hiện tại. ❖ Các chức năng cảnh báo nhiệt độ và độ ẩm: Tùy vào thời điểm đo được có các nhiệt độ và độ ẩm theo quy định phòng máy chủ. Thì đưa ra các cảnh báo màu sắc ở màn hình hiển thị nhằm cảnh báo cho người quản lý phòng máy chủ xem được cảnh báo để có các điều chỉnh. ❖ Chức năng hiển thị lịch sử đồ thị nhiệt độ và độ ẩm: Dựa vào từng thời điểm đo được nhiệt độ và độ ẩm sau đó sẽ hiển thị đồ thị tăng giảm, từ đó xem và phân tích xem các thông số phòng máy được duy trì ổn định như thế nào để từ đó có các điều chỉnh thích hợp. ❖ Chức năng quan sát hình ảnh phòng máy chủ: Sử dụng camera kết nối thiết bị để đưa hình ảnh hiện tại lên giám sát. ❖ Chức năng cảnh báo cho người quản lý phòng máy chủ qua tin nhắn sms đến điện thoại di động. 2.2 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG IoT GIÁM SÁT 2.2.1 Kiến trúc hệ thống IoT giám sát Hệ thống xây dựng tương tác với bộ điều khiển sử dụng bo mạch Raspberry Pi để tương tác với các thiết bị trong phòng máy chủ. Hệ thống gồm 2 phần xử lý chính: - Phần 1: Xử lý tương tác giữa người dùng với hệ thống cung cấp giao diện web giúp cho người dùng tương tác với hệ thống một cách dễ dàng - Phần 2: Xử lý chức năng hệ thống điều khiển các thiết bị chức năng điều khiển thiết bị được xử lý bởi bo mạch Raspberry Pi tương tác với ứng dụng web WebIopi đểu điều khiển hệ thống. Đó cũng là 14 nơi lưu trữ thông tin người dùng, lưu trữ các thiết lập của người dùng vào cơ sở dữ liệu. Bộ điều khiển trung tâm sẽ điều khiển các thiết bị được gắn kết trong hệ thống. 2.2.2 Mô hình giao tiếp của hệ thống Hệ thống IoT được triển khai lắp đặt tại phòng máy chủ gồm các thành phần và chức năng chính như sau: - Thiết bị Raspberry đây là thành phần chính của hệ thống, nó thu nhập các dữ liệu từ cảm biến đo được theo từng mốc thời gian được định sẵn và từ thiết bị camera sau đó được đẩy lên cơ sở dữ liệu. Dựa vào dữ liệu thu thập được từ đó có các cảnh báo khác nhau cũng như hiển thị lịch sử dữ liệu cảm biến đo được - Thiết bị cảm biến nhiệt độ và độ ẩm được lắp đặt ở thiết bị Raspberry tại thiết bị phòng máy chủ để đo được chính xác các thông số môi trường được đẩy vào thiết bị Raspberry để đưa vào cơ sở dữ liệu và phân tích dữ liệu thu thập được. - Thiết bị camera gắn ở thiết bị thành phần chính Raspberry nhằm lấy hình ảnh hiện tại của phòng máy chủ, thiết lập các cảnh báo chuyển động của phòng máy chủ 2.3 THIẾT KẾ CHI TIẾT CÁC CHỨC NĂNG CHÍNH CỦA HỆ THỐNG IoT GIÁM SÁT - (1.1) và (1.2): Hệ thống thu thập camera hình ảnh từ phòng máy chủ. Qua đó xác định được các chuyển động ở phòng máy chủ. - (2): Hệ thống đọc các thông số nhiệt độ, độ ẩm đo được theo từng thời điểm trong cơ sở dữ liệu được đẩy lên từ thiết bị cảm biến. - (3): Nhiệt độ và độ ẩm của phòng máy chủ sẽ được cảm biến thu thập. - (4): Tùy theo nhiệt độ, độ ẩm môi trường vượt mức ngưỡng cho phép sẽ có cảnh báo trên màn hình hiển thị website 15 - (5): Raspberry Pi thiết lập các chân của bo mạch của Raspberry Pi để tương tác với các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và thiết bị camera - (6): Hiển thị các thông số và hình ảnh lên web. 2.4 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CÁC CÔNG NGHỆ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG 2.4.1 Công nghệ thiết bị a. Raspberry Pi là một chiếc máy tính tí hon chạy hệ điều hành Linux ra mắt vào tháng 2 năm 2012 với giá chỉ $25. Ban đầu Raspberry Pi được phát triển dựa trên ý tưởng tiến sĩ Eben Upton tại đại học Cambridge muốn tạo ra một chiếc máy tính giá rẻ để học sinh có thể dễ dàng tiếp cận và khám phá thế giới tin học. Dự định khiêm tốn của ông đến cuối đời là có thể bán được tổng cộng 1000 bo mạch cho các trường học. Tuy nhiên với những ưu điểm nổi bật, hơn một triệu board Raspberry Pi đã được bán ra chỉ trong vòng chưa đầy một năm. b. Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm: Thông số kỹ thuật của linh kiện điện tử DHT22 Điện áp hoạt động 3.3V – 5.5V. Dải do độ ẩm 0 - 100%. Sai số độ ẩm ±2%. Dải đo nhiệt độ -40 – 80oC. Sai số nhiệt dộ ±0.5oC. Kích thước module 38 x 20mm (1.50 x 0.79") Chuẩn giao tiếp TTL, 1 wire. Cách kết nối thiết bị cảm biến DHT22 và Raspberry Pi3 • • • Chân + 3,3v trên cảm biến => dây đỏ => Chân PIN 01 3.3V trên PI 3 Chân GPIO trên cảm biến => dây xanh => Chân PIN 36 trên PI 3 Chân Mass trên cảm biến => dây đen => Chân PIN 06 trên PI 3 16 c. Thiết bị camera: Camera Module NoIR V2 mang trong mình mọi tính năng, công dụng của Camera Module thông thường, tuy nhiên có 1 điểm khác biệt là nó không sử dụng bộ lọc hồng ngoại (NoIR = No Infrared). Điều này có nghĩa là hình ảnh bạn chụp bằng ánh sáng ban ngày sẽ nhìn hơi mờ, nhưng nó mang lại cho bạn khả năng nhìn trong bóng tối với ánh sáng hồng ngoại. Nó là một sản phẩm hoàn hảo để quan sát vào ban đêm (như camera giám sát), chụp ảnh trong môi trường ánh sáng thấp (như hoàng hôn chẳng hạn). 2.4.2 Công nghệ truyền thông Sau qua trình tìm hiểu các công nghệ điều khiển thiết bị ở trên, luận văn sẽ chọn theo hướng công nghệ truyền thông WiFi kết hợp bo mạch Raspberry Pi để thực hiện nghiên cứu luận văn này. 2.4.3 Công nghệ lập trình a. Python được xem là một mô hình đa năng, ngôn ngữ truyền tải được sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng cấp cao hơn như tìm kiếm, truyền phát video và máy thông minh. Nó cung cấp một loạt các phong cách lập trình, chẳng hạn như đối tượng, bắt buộc và chức năng, và có một cú pháp dễ dàng mã hóa và phát triển. b. SQLite là một hệ quản trị cơ sở dữ liệu hay còn gọi là hệ thống cơ sở dữ liệu quan hệ nhỏ gọn, khác với các hệ quản trị khác như MySQL, SQL Server, Ocracle, PostgreSQL… SQLite là một thư viện phần mềm mà triển khai một SQL Database Engine truyền thống, không cần mô hình client-server nên rất nhỏ gọn. SQLite được sử dụng vào rất nhiều chương trình từ desktop đến mobile hay là website. c. Flask là một web frameworks, nó thuộc loại micro-framework được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Python. Flask cho phép bạn xây dựng các ứng dụng web từ đơn giản tới phức tạp. Nó có thể xây dựng các api nhỏ, ứng dụng web chẳng hạn như các trang web, blog, trang wiki hoặc một website dựa theo thời gian hay thậm chí là một 17 trang web thương mại. Flask cung cấp cho bạn công cụ, các thư viện và các công nghệ hỗ trợ bạn làm những công việc trên. d. Mô hình công nghệ lập trình hệ thống IoT giám sát • Sử dụng ngôn ngữ lập trình Python để viết chương trình để đọc dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ và độ ẩm • Cài đặt Cơ sở dữ liệu SQLite để lưu dữ liệu được đẩy từ chương trình viết bằng Python • Dùng Flask là một Web Framework được viết bởi Python để view thông số lên Webserver 2.6 KẾT CHƯƠNG Trong chương này, dựa bài toán đưa ra từ nhu cầu thực tế và khảo sát hiện trạng. Từ đó thiết kế và xây dựng hệ thống IoT giám sát phòng máy chủ. Để chuẩn bị cho công đoạn phân tích và lựa chọn các công nghệ để triển khai bao gồm: công nghệ thiết bị Raspberry Pi, thiết bị cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, công nghệ truyền thông WiFi và các công nghệ lập trình: Python, SQLite và Flask. CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3.1 MÔI TRƯỜNG TRIỂN KHAI Chọn khối vi xử lý là chip RaspBerry Pi. Vì loại này chuyên làm các dự án nhỏ, thích hợp sử dụng cho các đối tượng học sinh, sinh viên. Dễ sử dụng, lập trình đơn giản, chi phí phù hợp. Khối cảm biến: mô hình sử dụng phương pháp đo bằng cảm biến, khối vi xử lý là Raspberry Pi, có các chân cắm GPIO đã được tích hợp sẵn trên cảm biến của thiết bị. Khối giao tiếp hiển thị: sử dụng phương thức giao tiếp WiFi với thiết bị và bô xử lý, hiển thị trên chương trình xử lý. Tiến trình xử lý có nhiều sự tương đồng với Raspberry Pi nên có thể sử dụng để hiển 18 thị trên máy tính dễ dàng. Bộ vi xử lý cần nguồn nuôi 5V nên chọn nguồn điện cung cấp là 5V, 500mA. 3.2 KỊCH BẢN a. Mô hình kịch bản đo thông số môi trường và cảnh báo Ở kịch bản này, hệ thống sẽ điều khiển các thiết bị một cách tự động tùy theo sự biến đổi khí hậu của môi trường bên trong phòng máy chủ. Hệ thống có tích hợp thêm những bộ cảm biến thông minh như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm giúp cho hệ thống điều khiển thông minh hơn và gởi cảnh báo đến người quản lý phòng máy chủ từ đó có các điều chỉnh thích hợp. Chức năng hệ thống: ❖ Xem thông số môi trường tại phòng máy chủ 1. Xem thông số nhiệt độ hiện tại phòng máy chủ 2. Xem thông số độ ẩm hiện tại phòng máy chủ 3. Xem lại biểu đồ nhiệt độ tại phòng máy chủ 4. Xem lại biểu đồ độ ẩm tại phòng máy chủ ❖ Thiết bị cảm biến thông minh cho phép hệ thống gởi cảnh báo qua điện thoại sms đến người quản lý phòng máy chủ khi cần thiết. 1. Hệ thống gởi tin nhắn qua điện thoại khi độ ẩm xuống dưới 70% và khi độ ẩm lớn hơn 90%. 2. Hệ thống gởi tin nhắn qua điện thoại khi nhiệt độ lớn 27℃ và nhiệt độ dưới 20℃ b. Mô hình kịch bản camera nhận diện hình ảnh và cảnh báo Ở kịch bản này, camera quan sát hệ thống kiểm soát hình ảnh và cảnh báo được tình trạng hoạt động của các phòng máy chủ cho người quản lý phòng máy chủ: Phát hiện các dấu hiệu bất thường để có những phương án xử lý kịp thời.