Luận văn Thạc sĩ Hệ thống thông tin: Nghiên cứu công nghệ IOT và ứng dụng trong hệ thống giám sát chất lượng không khí Hà Nội

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ------------------ ĐẶNG XUÂN HOÀNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ IOT VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ HÀ NỘI ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN Hà Nội - 2024 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ĐẶNG XUÂN HOÀNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ IOT VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ HÀ NỘI Ngành Hệ Thống Thông Tin Mã số : 8480104 ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. HÀ MẠNH ĐÀO Hà Nội – 2024 i MỤC LỤC MỤC LỤC .............................................................................................................. i MỤC LỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................... v LỜI CAM ĐOAN................................................................................................. vi MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ CÁC CÔNG NGHỆ NỀN TẢNG .............................................................................................. 3 1.1. Mức độ quan trọng việc giám sát chất lượng không khí .......................... 3 1.1.1. Hiện trạng ô nhiễm không khí hiện nay ............................................. 3 1.1.2. Hiện trạng hệ thống giám sát chất lượng không khí của Hà Nội ....... 4 1.2. Cấu trúc chung của hệ thống giám sát chất lượng không khí hiện đại..... 5 1.3. Các công nghệ trong các hệ thống giám sát chất lượng không khí ........ 7 1.3.1. Công nghệ IoT .................................................................................... 7 1.3.2. Công nghệ Điện toán đám mây (Cloud Computing) ....................... 13 1.3.3. Phát triển hệ thống IoT với điện toán đám mây ............................... 17 1.3.4. Các công nghệ khác.......................................................................... 26 1.4. Kết luận chương 1................................................................................... 26 CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ 27 2.1. Mô hình hệ thống ...................................................................................... 27 2.2. Thiết kế hệ thống....................................................................................... 27 2.2.1. Thiết kế phần cứng.............................................................................. 27 2.2.2. Phần mềm............................................................................................ 39 2.2.3. Server .................................................................................................. 40 2.2.4. Cơ sở dữ liệu ....................................................................................... 41 ii 2.3. Thiết kế phần mềm .................................................................................... 43 2.3.1. Mô đun thu thập dữ liệu của hệ thống giám sát thông số môi trường 43 2.4. Thiết kế điện toán đám mây Thingspeak .................................................. 49 2.5. Kết luận chương 2 ..................................................................................... 55 CHƯƠNG 3. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ................................................. 56 3.1. Mô hình thử nghiệm .................................................................................. 56 3.2. Các kịch bản thử nghiệm .......................................................................... 58 3.2.1. Bảng các kịch bản thử nghiệm ............................................................ 58 3.2.2. Một số kịch bản thử nghiệm ............................................................... 58 3.3. Đánh giá thực nghiệm ............................................................................... 65 3.4. Kết Luận chương 3 .................................................................................... 65 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 66 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................ 67 iii MỤC LỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Bảng trạm kiểm sát................................................................................ 4 Hình 1.2 Ví dụ một hệ thông GSCLKK................................................................ 7 Hình 1.3: Kiến trúc IoT chuẩn .............................................................................. 7 Hình 1.4. Các kiến trúc phân tầng của IoT ........................................................... 8 Hình 1.5. Ví dụ các thành phần của giao thức MQTT ........................................ 10 Hình 1.6. Giao thức thông điệp nâng cao AMQP ............................................... 10 Hình 1.7. Mô hình IoT sử dụng giao thức DDS.................................................. 11 Hình 1.8. Mô hình IoT với giao thức XMPP ...................................................... 12 Hình 1.9. Mô hình IoT sử dụng giao thức CoAP ................................................ 12 Hình 1.10. Quá trình phát triển điện toán đám mây ............................................ 13 Hình 1.11. Mô hình điện toán đám mây (NIST) theo nguyên tắc 5-4-3............. 14 Hình 1.12. Mô hình kinh doanh của điện toán đám mây .................................... 14 Hình 1.13. Mô hình triển khai của điện toán đám mây....................................... 15 Hình 1.14. a) Đám mây Google; b) Đám mây AWS của Amazon; .................... 16 c) Đám mây Azure của Microsoft ....................................................................... 16 Hình 1.15. Mô hình điện toán đám mây di động ................................................ 16 Hình 1.16. Nền tảng đám mây của Google (PaaS) ............................................. 17 Hình 1.17. Mô hình GCIoTCore ......................................................................... 18 Hình 1.18. Hệ thống IoT sử dụng IoT core của Google. .................................... 19 Hình 1.19. AWS IoT ........................................................................................... 20 Hình 1.20. Hoạt động của AWS IoT ................................................................... 20 Hình 1.21. Các thành phần AWS IoT ................................................................. 21 Hình 1.22. Kiến trúc các thành phần AWS IoT core .......................................... 22 Hình 1.23. Các dịch vụ của AWS IoT cốt lõi ..................................................... 23 Hình 1.24. Công nghệ, dịch vụ, giải pháp của Azure ......................................... 24 Hình 1.25. Mô hình của ThingSpeak .................................................................. 25 Hình 2.1 Mô hình hệ thống giám sát chất lượng không khí ............................... 27 Hình 2.2. Cấu trúc của nút thiết bị đầu cuối ....................................................... 28 Hình 2.3. Mô đun ESP32 .................................................................................... 29 Hình 2.4. Sơ đồ chân mô đun ESP32 .................................................................. 29 Hình 2.5. Cấu trúc của mô đun ESP32 ............................................................... 29 Hình 2.6. Mô đun và chân của DHT11 ............................................................... 32 Hình 2.7. Sơ đồ kết nối điện tử của mô đun DHT11 với ESP32 ........................ 33 Hình 2.8. Quá trình truyền thông của DHT11 .................................................... 34 Hình 2.9. Mô đun MQ135 và các chân tín hiệu .................................................. 35 Hình 2.10. kết nối MQ135 với ESP32 ................................................................ 36 Hình 2.11 Cảm biến BME280 ............................................................................. 36 iv Hình 2.12. Cấu tạo của cảm biến GP2Y1014AU0F ........................................... 38 Hình 2.13. hình dạng và sơ đồ chân của cảm biền GP2Y1014AU0F ................ 39 Hình 2.14. Sơ đồ thuật toán thu thập dữ liệu ...................................................... 43 Hình 2.15.Sơ đồ thuật toán đọc, xử lý dữ liệu của thiết bị đầu cuối................... 44 Hình 2.16. Sơ đồ thuật toán thu thập và cập nhật dữ liệu của Thingspeak......... 46 Hình 2.17. Sơ đồ truy cập giám sát thông số môi trường từ thiết bị đầu cuối .... 48 Hình 2.18. Tạo tài khoản Thingspeak ................................................................. 50 Hình 2.19. Tạo kênh truyền thông ...................................................................... 51 Hình 2.20. Tạo kênh truyền thông với 2 trường Data_1, Data_2 ....................... 51 Hình 2.21. Server lưu trữ dữ liệu ........................................................................ 52 Hình 2.22. Cập nhật dữ liệu lên Server ............................................................... 52 Hình 2.23. Thay đổi thông số của kênh truyền thông ......................................... 53 Hình 2.24. Dùng khóa Key để đọc/viết dữ liệu từ kênh truyền thông ................ 53 Hình 3.1. Mô hình thử nghiệm ............................................................................ 56 Hình 3.2. Một số hình ảnh hệ thống thử nghiệm ................................................ 58 Hình 3.3. Một số hình ảnh kết quả thu được chạy trong mạng cục bộ ............... 62 Hình 3.4. Kết quả chạy hệ thống với đám mây Thingspeak ............................... 65 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 1 IOT Internet Of Things Intermet vạn vật 2 CLKK - Chất lượng không khí 3 API Application Progmraming Giao diện lập trình Interface ứng dụng 4 MQTT Message Queue Telemetry Giao Thức Truyền Transport Thông Hàng Đợi Đo Lường 5 AMQP Advanced Message Queing Giao Thức Hàng Đợi Protocol Tin Nhắn Tiên Tiến 6 DDS Data distribution service Dịch Vụ Phân Phối Dữ Liệu 7 XMPP Extensible Messaging and Giao Thức Tin Nhắn Presence Protocol và Sự Hiện Diện Mở Rộng 8 CoAP Constrained Application Giao Thức Ứng Dụng Protocol Hạn Chế 9 ĐTĐM Cloud Coputing Điện toán đám mây 10 GCP Google Cloud Platform Nền tảng đám mây của Google 11 AWS Amazon web service Dịch vụ điện toán đám mây Amazon 12 HTTPS Hypertext Transfer Protocol - Giao thức truyền siêu Secure) văn bản - Bảo mật vi LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong đề án tốt nghiệp này là trung thực. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện đề án tốt nghiệp này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong đề án tốt nghiệp đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố. Người thực hiện đề án tốt nghiệp Đặng Xuân Hoàng 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Trong tình hình hiện nay, tình trạng ô nhiễm không khí đang ngày càng trở nên nghiêm trọng và ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường. Các nguồn gốc ô nhiễm bao gồm khí thải từ các phương tiện giao thông, nhà máy sản xuất, năng lượng hoá thạch, và cả các hoạt động hàng ngày như nấu nướng và sưởi ấm. Ô nhiễm không khí góp phần vào nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng như các bệnh hô hấp, bệnh tim mạch, và thậm chí có thể dẫn đến tử vong. Ngoài ra, ô nhiễm cũng gây hại cho môi trường, gây ra hiện tượng asid hóa mưa, nghiêm trọng hóa tình trạng nóng lên toàn cầu, và trực tiếp ảnh hưởng tới hệ sinh thái đa dạng. Ở bối cảnh này, Công nghệ Internet of Things (IoT) đã nổi lên như một giải pháp tiềm năng để giám sát và giảm thiểu ô nhiễm không khí. IoT cho phép các thiết bị thông minh và cảm biến kết nối với nhau qua internet, tạo thành một mạng lưới thông tin liên tục về chất lượng không khí tại các vị trí khác nhau. Điều này giúp chúng ta thu thập dữ liệu thời gian thực về mức độ ô nhiễm, từ đó đưa ra các quyết định thông minh về cách giảm thiểu tác động của ô nhiễm không khí. Nhiều ứng dụng công nghệ IoT trong giảm ô nhiễm không khí là rất đa dạng. Chẳng hạn, chúng ta có thể triển khai cảm biến để đo lường mức độ ô nhiễm tại các điểm khác nhau trong Hà Nội, từ đó sẽ xác định các khu vực có mức ô nhiễm cao và đưa ra phương án cải thiện. Ngoài ra, thông tin về chất lượng không khí có thể được cập nhật liên tục qua các phần mềm di động, giúp người dân có thể cảnh báo và điều chỉnh hành vi của họ để tránh tiếp xúc với không khí ô nhiễm. Ngoài việc giám sát, cũng có thể IoT được sử dụng để tự động hóa thiết bị và hệ thống như hệ thống điều hòa không khí trong nhà hoặc hệ thống giao thông thông minh. Điều này giúp tiết kiệm nhiều năng lượng và giảm nguồn gốc gây ô nhiễm. Được sự định hướng và tư vấn chính vì vậy tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ IOT và ứng dụng trong hệ thống giám sát chất lượng không khí Hà Nội” là đề tài để tìm hiểu và nghiên cứu. 2. Mục tiêu đề tài Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu công nghệ ESP32 và tích hợp với công nghệ đám mây.Sau đó ứng dụng hệ thống vào giám sát thông số môi trường đối với các đối tượng cần theo dõi hoặc quan tâm nhằm phục vụ các mục đích khác nhau. 3. Nội dung nghiên cứu 2 - Nghiên cứu tình trạng ô nhiễm môi trường - Hiện trạng giám sát chất lượng không khí - Nghiên cứu hệ thống giám sát chất lượng không khí - Nghiên cứu công nghệ IOT trong giám sát CLKK - Nghiên cứu công nghệ ESP32 - Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống - Tiến hành thực hiện kịch bản thực nghiệm và đánh giá 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. Các công việc thực hiện tập trung vào nghiên cứu, tổng hợp, phân tích và đưa ra giải pháp cho bài toán. 5. Kết quả dự kiến - Báo cáo luận văn - Mô hình thử nghiệm 6. Cấu trúc đề án Đề án gồm 3 chương chính: Chương 1: Tổng quan về ô nhiễm không khí và các công nghệ. Tầm quan trọng của việc giám sát chất lượng không khí. Nêu cấu trúc chung của hệ thống giám sát chất lượng không khí và công nghệ IOT Chương 2: Tổng hợp các kiến thức liên quan đến phân tích, thiết kế hệ thống giám sát chất lượng không khí, trình bày các yêu cầu của hệ thống các sơ đồ mô tử, lưu đồ thuật toán. Ngoài ra giới thiệu về phần cứng ESP32 và Thingspeak. Chương 3: Trình bày các kịch bản thử nghiệm và kết quả của thực nghiệm để đưa ra đánh giá về hệ thống. 3 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ CÁC CÔNG NGHỆ NỀN TẢNG 1.1. MỨC ĐỘ QUAN TRỌNG VIỆC GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ 1.1.1. Hiện trạng ô nhiễm không khí hiện nay 1.1.1.1. Tình hình ô nhiễm không khí trên toàn cầu Tình trạng ô nhiễm không khí trên toàn cầu, như được báo cáo và đánh giá trong Tình trạng không khí toàn cầu năm 2020 của Viện Ảnh hưởng Sức khỏe (HEI) và Viện Đo lường, Đánh giá Sức khỏe (IHME) của Đại học Washington và Đại học British Columbia, đã từ lâu là một vấn đề nguy hiểm. Tuy nhiên, cho đến nay, không có biện pháp cụ thể nào được đưa ra để giải quyết tình trạng này. Dữ liệu mới nhất từ Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) chỉ ra rằng gần như toàn bộ dân số thế giới (99%) phải sống với mức ô nhiễm không khí cao, đặc biệt là ở các thành phố của các quốc gia thu nhập thấp hoặc trung bình. Nguồn gốc chính của ô nhiễm không khí là các hạt bụi mịn PM 2.5, có khả năng xâm nhập vào cơ thể con người và gây ra nhiều vấn đề sức khỏe như bệnh tim mạch, hen suyễn, và khó thở. Số liệu cho thấy hàng năm có hơn 7 triệu ca tử vong liên quan đến ô nhiễm không khí trên toàn thế giới. 1.1.1.2. Tình hình ô nhiễm không khí ở Việt Nam Ở Việt Nam, tình trạng ô nhiễm không khí cũng rất nghiêm trọng. Theo báo cáo thường niên về chỉ số môi trường, Việt Nam là một trong 10 nước có mức độ ô nhiễm không khí cao nhất tại Châu Á, đặc biệt là với các hạt bụi mịn PM 10 và PM 2.5. Hà Nội và Hồ Chí Minh là hai trong những địa điểm bị ô nhiễm nặng nhất, với mức độ PM 2.5 thường cao và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Dữ liệu từ báo cáo chất lượng không khí toàn cầu của IQAir năm 2022 cho thấy mặc dù nồng độ bụi mịn PM 2.5 tại Việt Nam có xu hướng giảm, nhưng vẫn ở mức cao so với các quốc gia trong khu vực Đông Nam Á. Sự cải thiện tạm thời trong tình trạng ô nhiễm không khí tại Hà Nội và Hồ Chí Minh vào quý 1 và quý 2 của năm 2021 được cho là do ảnh hưởng của dịch COVID-19, khi giãn cách xã hội đã giảm thiểu lưu lượng phương tiện giao thông. 1.1.1.3. Tình trạng ô nhiễm không khí ở Hà Nội Tại Hà Nội, ô nhiễm không khí phần lớn đến từ các nguồn bên ngoài, với một phần ba bụi mịn PM 2.5 được sinh ra trực tiếp trong thành phố và phần còn lại đến từ các khu vực lân cận và Đồng Bằng Sông Hồng. Mức độ ô nhiễm thường 4 biến đổi theo mùa, với mùa đông thường có mức độ ô nhiễm cao hơn, đặc biệt là vào ban đêm. Văn bản này chỉ ra tình trạng nghiêm trọng của ô nhiễm không khí trên toàn cầu và ở Việt Nam, đồng thời cũng nhấn mạnh vào sự cần thiết của các biện pháp để giảm thiểu vấn đề này và bảo vệ sức khỏe của cộng đồng. 1.1.2. Hiện trạng hệ thống giám sát chất lượng không khí của Hà Nội Hệ thống giám sát chất lượng không khí tại Hà Nội đang phát triển nhằm theo dõi tình trạng ô nhiễm không khí và cung cấp thông tin quan trọng cho cả cơ quan quản lý môi trường và cộng đồng. Bằng việc triển khai mạng cảm biến tại nhiều vị trí quan trọng trong thành phố, hệ thống này đo lường các chỉ số chất lượng không khí như PM2.5, PM10, CO, NO2, SO2, O3, cùng với các thông số về nhiệt độ và độ ẩm. Hình 1.1. Bảng trạm kiểm sát Dữ liệu thu thập từ các cảm biến được truyền tải thời gian thực qua mạng đến các trung tâm quản lý, cho phép cơ quan chức năng theo dõi tình trạng không khí và phản ứng nhanh chóng khi có tình trạng ô nhiễm. Thông tin chi tiết về chất lượng không khí được phân tích và hiển thị thông qua các ứng dụng di động, trang web hoặc các bảng điện tử, giúp cộng đồng và những người quan tâm có thể theo dõi tình trạng không khí tại các khu vực khác nhau. 5 Hệ thống cảnh báo tự động sẽ hoạt động khi chất lượng không khí xuất hiện tình trạng nguy hại cho sức khỏe, thông báo cho người dân thông qua tin nhắn SMS, ứng dụng di động hoặc các phương tiện truyền thông khác. Dữ liệu về chất lượng không khí thường được công khai và chia sẻ với cộng đồng, giúp tăng cường nhận thức và sự tham gia trong việc bảo vệ môi trường. Cụ thể tại Hà Nội có 8 trạm giám sát (bảng 1.1) và thuộc các cơ quan khác nhau, hoạt động độc lập và không kết nối với nhau trong quản lý hệ thống. Các trạm đo nồng độ PM10, CO2, SO2, NOx, Ozone(O3), TSP và các thông số khí tượng. Các trạm được quản lý và hoạt động riêng rẽ bởi các tổ chức khác nhau, nơi các trạm được đặt. Đầu ra các dữ liệu giám sát với các định dạng khác nhau làm cho việc đánh giá chất lượng không khí gặp khó khăn. AQM hoạt động chỉ ở mức cơ bản tại Hà Nội. Rõ ràng là quản lý chất lượng không khí Hà Nội chưa đồng bộ. Các chức năng, trách nhiệm, sắp xếp tổ chức quản lý chất lượng không khí ở đô thị là không rõ ràng vì không có sự phân công rõ ràng trách nhiệm quản lý chất lượng không khí ở cấp quốc gia. Văn bản quy phạm pháp luật bảo vệ môi trường và các quy định cụ thể về chất lượng không khí đô thị vẫn còn nhiều thiếu sót. Nguồn phát thải, hệ thống giám sát và kiểm toán còn hạn chế. 1.2. CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ HIỆN ĐẠI Hệ thống giám sát chất lượng không khí thường được thiết kế dựa trên một cấu trúc chung để thu thập, xử lý và truyền tải dữ liệu về chất lượng không khí. Các hệ thống giám sát chất lượng không khí (GSCLKK) hiện nay hầu hết đều xây dựng trên nền tảng hệ thống IoT thông minh và điện toán đám mây. Các hệ thống có thể có kiến trúc, cấu trúc, phân bố chức năng khác nhau nhưng nói chung nó đều có các thành phần chung sau: • Cảm biến và thiết bị đo đạc: Hệ thống bao gồm một mạng cảm biến được đặt tại các vị trí chiến lược trong khu vực cần giám sát. Cảm biến có khả năng đo các chỉ số quan trọng về chất lượng không khí như hạt mịn (PM2.5, PM10), khí CO, NO2, SO2, O3, nhiệt độ và độ ẩm. Các thiết bị đo đạc thường được cài đặt theo chuẩn quốc tế để đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy của dữ liệu. • Thu thập và truyền tải dữ liệu: Dữ liệu từ cảm biến được thu thập liên tục hoặc theo khoảng thời gian xác định. Dữ liệu sau đó được truyền tải qua mạng (mạng Internet hoặc mạng di động) đến các trung tâm quản lý và xử lý. 6 • Xử lý và phân tích dữ liệu Dữ liệu từ các cảm biến được xử lý để loại bỏ nhiễu và sai sót có thể xảy ra trong quá trình thu thập. Các giá trị đo được thường được so sánh với các chuẩn mức chất lượng không khí quốc gia hoặc quốc tế để xác định tình trạng ô nhiễm. • Hiển thị và truyền tải thông tin Dữ liệu về chất lượng không khí thường được hiển thị qua các giao diện trực quan như ứng dụng di động, trang web hoặc bảng điện tử. Thông tin này có thể được trình bày dưới dạng biểu đồ, bản đồ, chỉ số chất lượng không khí và các thông báo cảnh báo. • Cảnh báo và thông báo Hệ thống thường có khả năng tự động phát ra cảnh báo khi chất lượng không khí xuất hiện tình trạng nguy hại cho sức khỏe. Cảnh báo có thể được gửi đến người dân qua ứng dụng di động, tin nhắn SMS, email hoặc thông báo trực tiếp trên các thiết bị. • Lưu trữ và chia sẻ dữ liệu Dữ liệu về chất lượng không khí thường được lưu trữ để tạo ra lịch sử và phân tích dài hạn. Thông tin này thường được chia sẻ công khai để người dân, các nhà nghiên cứu và cơ quan quản lý có thể truy cập và sử dụng. • Quản lý và bảo trì hệ thống Hệ thống cần được quản lý và bảo trì thường xuyên để đảm bảo hoạt động ổn định và đáng tin cậy của các cảm biến và thiết bị. Cấu trúc chung này giúp hệ thống giám sát chất lượng không khí hoạt động hiệu quả, cung cấp thông tin quan trọng về tình trạng ô nhiễm không khí và hỗ trợ quyết định về quản lý môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Hình 1.2 là một ví dụ tiêu biểu về hệ thống giám sát chất lượng không khí. Sử dụng mạng 3G và điện toán đám mây. 7 Hình 1.2 Ví dụ một hệ thống GSCLKK 1.3. CÁC CÔNG NGHỆ TRONG CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ 1.3.1. Công nghệ IoT 1.3.1.1. Kiến trúc IoT Công nghệ IoT gồm nhiều kiểu kiến trúc IoT khác nhau. Một kiểu kiến trúc IoT hiện nay đang được chấp nhận rộng rãi và coi là một chuẩn như hình 1.3. Nó gồm có các thiết bị đầu cuối, các thiết bị cạnh và điện toán đám mây được kết nối với nhau qua các mạng khác nhau và qua Internet. Hình 1.3: Kiến trúc IoT chuẩn Theo kiến trúc phân tầng IoT có thể có 3 tầng, 4 tầng, 5 tầng … (hình 1.4). Trong luận văn này mô hình kiến trúc phân tầng được sử dụng gồm 4 tầng: Các 8 thiết bị (Things), Gateways, hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud), tầng tạo và cung cấp dịch vụ (Services-creation and Solutions Layers). • Thiết bị (Things): Hiện nay, có hàng tỷ sản phẩm tồn tại trên thị trường gia dụng và công nghệ, có thể được sử dụng trong nhà hoặc mang theo bởi người dùng. Đây bao gồm các loại thiết bị như ô tô, cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động, đều có khả năng kết nối trực tiếp qua mạng không dây và truy cập Internet. Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh quản lý và chia sẻ dữ liệu một cách tự động, trong khi các thiết bị chưa thông minh có thể kết nối thông qua các trạm kết nối. • Cổng kết nối (Gateways): Một thách thức lớn khi triển khai IoT là hầu hết các thiết bị hiện có không được thiết kế để kết nối trực tiếp với Internet và không thể chia sẻ dữ liệu với các hệ thống điện toán đám mây. Để giải quyết vấn đề này, các trạm kết nối hoạt động như một cầu nối trực tiếp, cho phép các thiết bị hiện có kết nối với các hệ thống điện toán đám mây một cách an toàn và dễ dàng quản lý. Hình 1.4. Các kiến trúc phân tầng của IoT • Hạ tầng mạng và công nghệ điện toán đám mây (Network and cloud): ➢ Cơ sở hạ tầng kết nối: Internet được xem như một hệ thống toàn cầu gồm nhiều mạng IP kết nối với nhau và liên kết với các hệ thống máy tính. Cơ sở hạ tầng này bao gồm các thiết bị như định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp và lặp, cũng như nhiều thiết bị khác có khả năng quản lý lưu lượng dữ liệu trên mạng. Đồng thời, nó cũng được kết nối với các mạng viễn thông và cáp khác - đều được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ. 9 ➢ Trung tâm dữ liệu/ hạ tầng điện toán đám mây: Bao gồm các trung tâm dữ liệu và hạ tầng điện toán đám mây, nơi có một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối. • Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ: Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (Application progmraming interface) là Mashery* và Aepona* để giúp đưa các sản phẩm và giải pháp IoT ra thị trường một cách chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ hệ thống và tài sản đang có sẵn. 1.3.1.2. Các giao thức IoT Hệ thống IoT là hệ thống liên kết nhiều mạng với nhau và với Internet như Wifi, Bluetooth, mạng di động, ZigBee, LoRaWAN hoặc một số phương thức kết nối khác nên giao thức truyền thông của IoT rất phong phú. Các giao thức nổi bật đó là MQTT, AMQP, DDS, XMPP, CoAP. • Giao thức MQTT (message queue telemetry transport) Giao thức MQTT, hay còn được gọi là giao thức Message Queuing Telemetry Transport, là một giao thức mạng nhẹ được sử dụng để vận chuyển các thông điệp đo từ xa giữa các thiết bị IoT. Thông thường, MQTT chạy trên giao thức TCP/IP, nhưng cũng có thể hoạt động trên các giao thức mạng khác miễn là chúng hỗ trợ các kết nối hai chiều và không mất dữ liệu. MQTT được thiết kế nhẹ và là lựa chọn lý tưởng cho các tình huống kết nối trong đó các thiết bị IoT có thể có băng thông hạn chế hoặc các ràng buộc khác yêu cầu các thiết bị từ xa có kích thước mã nhỏ. Các tính năng nổi bật của MQTT bao gồm: - Giao thức nhẹ, phù hợp cho các mạng bị hạn chế. - Hỗ trợ cơ chế publisher/subscriber nhắn tin. - Tiêu thụ điện năng thấp. - Kích thước gói dữ liệu được giảm thiểu. - Chuẩn giao thức OASIS. Mô hình hoạt động Pub/Sub của MQTT bao gồm các thành phần lõi sau: - MQTT Broker: Là thành phần chính trong kiến trúc MQTT, chịu trách nhiệm lọc và phân phối các thông điệp dựa trên các chủ đề (topic). - MQTT Client: Là các thiết bị hoặc ứng dụng kết nối đến Broker để truyền và nhận dữ liệu. - Topic: Là cách MQTT Broker quản lý thông điệp, mỗi client có thể đăng ký (subscribe) để nhận dữ liệu từ một hoặc nhiều topic, và cũng có thể gửi dữ liệu đến một hoặc nhiều topic. 10 Hình 1.5. Ví dụ các thành phần của giao thức MQTT Broker được coi như là thành phần trung tâm. Nó là điểm giao của tất cả các kết nối đến từ client (Pub/Sub). Nhiệm vụ chính của Broker là nhận thông điệp (message) từ Pub, xếp vào hàng đợi rồi chuyển đến một địa điểm cụ thể. Nhiệm vụ phụ của Broker là nó có thể đảm nhận thêm một vài tính năng liên quan tới quá trình truyền thông như: bảo mật thông điệp, lưu trữ thông điệp, logs, ....Client thì được chia thành hai nhóm là Publisher và Subscriber. Client chỉ làm ít nhất một trong 2 việc là xuất bản các thông điệp lên một/nhiều topic cụ thể hoặc đong svai trò Sub một/nhiều topic nào đó để nhận thông điệp từ topic này. MQTT Clients tương thích với hầu hết các nền tảng hệ điều hành hiện có: MAC OS, Windows, Linux, Android, iOS, .... • AMQP (Advanced message queing protocol) Giao thức AMQP, viết tắt của advanced message queuing protocol, là một giao thức lớp ứng dụng tiêu chuẩn mở với tính năng hàng đợi thông điệp nâng cao. Được thiết kế như một giao thức nhị phân, AMQP được phát triển để hỗ trợ một loạt các ứng dụng nhắn tin và các mẫu liên lạc. Mặc dù không được tạo ra đặc biệt cho các giải pháp Internet of Things (IoT), nhưng AMQP vẫn hoạt động hiệu quả cho truyền thông tin nhắn trong nhiều kịch bản IoT. Hình 1.6. Giao thức thông điệp nâng cao AMQP Tính năng nổi bật: - Giao thức lớp ứng dụng nhị phân 11 - Có thể được sử dụng để chuyển thông điệp kiểu Point-to-Point và Pulisher /Subscriber - Khả năng tương thích rộng với các tình huống nhắn tin - Hỗ trợ mã hóa đầu cuối của tin nhắn • DDS (Data distribution service) DDS, viết tắt của data distribution service, là một giao thức dịch vụ phân tán dữ liệu được thiết kế để hoạt động với các hệ thống thời gian thực và là tiêu chuẩn máy-máy của Nhóm Quản lý Đối tượng (OMG). Mục tiêu của DDS là cung cấp khả năng trao đổi dữ liệu đáng tin cậy, hiệu suất cao, có khả năng tương tác theo thời gian thực, và có thể mở rộng bằng cách sử dụng mô hình nhận tin theo phát/hủy (publish/subscribe). Giao thức DDS được thiết kế để đáp ứng các nhu cầu đặc biệt của nhiều lĩnh vực ứng dụng như hàng không vũ trụ, quốc phòng, kiểm soát không gian, phương tiện tự hành, thiết bị y tế, robot, sản xuất điện, hệ thống giao thông và các hệ thống trao đổi dữ liệu thời gian thực khác. Tính năng nổi bật: - Được thiết kế cho hệ thống thời gian thực - Cung cấp thông điệp pub/sub - Kết nối các thiết bị trực tiếp với nhau - Chi phí thấp Hình 1.7. Mô hình IoT sử dụng giao thức DDS • XMPP (Extensible messaging and presence protocol) XMPP là giao thức mở rộng cho việc hiện diện và nhắn tin. Nó là một giao thức truyền thông dựa trên XML, được thiết kế để hỗ trợ trao đổi dữ liệu XML có cấu trúc theo thời gian thực giữa hai hoặc nhiều thiết bị. Ban đầu, giao thức XMPP 12 được biết đến với tên Jabber và được phát triển để gửi tin nhắn theo thời gian thực (IM), hiển thị trạng thái hiện diện và quản lý danh sách liên lạc. Gần đây, XMPP đã mở rộng sử dụng của mình cho các mục đích khác như pub/sub thông điệp, thoại qua IP (VoIP), Internet of Things (IoT), chơi game và các hệ thống khác . Hình 1.8. Mô hình IoT với giao thức XMPP Tính năng nổi bật: - Được thiết kế để có thể mở rộng - Tiêu chuẩn mở - Kiến trúc client/server • CoAP (Constrained application protocol) CoAP là một giao thức ứng dụng có ràng buộc, được thiết kế đặc biệt cho các thiết bị có hạn chế. Với yêu cầu về năng lượng thấp, nó hoạt động tốt trên các mạng không đáng tin cậy và có thể được sử dụng để kết nối các thiết bị với nhau hoặc các nút chung trên Internet. CoAP không chỉ được áp dụng trong các kịch bản IoT mà còn được sử dụng trên các hệ thống khác như SMS trên mạng di động. Hình 1.9. Mô hình IoT sử dụng giao thức CoAP Tính năng nổi bật: - Sử dụng năng lượng thấp - Được sử dụng trên các thiết bị hạn chế 1.3.1.3. Các kỹ thuật phát triển ứng dụng IoT