Nghiên cứu giao thức mqtt trong mạng lưới internet kết nối vạn vật và xây dựng ứng dụng thực nghiệm

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là thiết kế chế tạo thử nghiệm 01 thiết bị tự động giám sát chất lượng nước với các thông số về độ pH, nhiệt độ, độ dẫn điện và gửi dữ liệu về máy chủ sử dụ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN VĂN TIỆM

NGHIÊN CỨU GIAO THỨC MQTT TRONG MẠNG LƯỚI INTERNET KẾT NỐI VẠN VẬT

VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG THỰC NGHIỆM

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 8 52 02 08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS VŨ CHIẾN THẮNG

Thái Nguyên - 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Nguyễn Văn Tiệm, học viên lớp cao học K18 – Kỹ thuật viễn thông – Trường đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái Nguyên

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu giao thức MQTT trong mạng lưới Internet kết nối vạn vật và xây dựng ứng dụng thực nghiệm” do Thầy giáo TS Vũ Chiến Thắng hướng dẫn, là công trình nghiên cứu do bản thân tôi thực hiện, dựa trên sự hướng dẫn của Thầy giáo hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn

Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình

Thái Nguyên, năm 2021

Học viên

Nguyễn Văn Tiệm

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu, tôi luôn nhận được sự quan tâm giúp đỡ của:

Thầy giáo hướng dẫn trực tiếp TS Vũ Chiến Thắng, đã giúp đỡ tận tình về phương hướng và phương pháp nghiên cứu cũng như hoàn thiện luận văn

Các thầy, cô giáo trong khoa Công nghệ Điện tử và Truyền thông, Trường đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện về thời gian, địa điểm nghiên cứu, phương tiện vật chất cho

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

3 Mục tiêu của đề tài 2

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Nội dung của luận văn 3

6 Đóng góp của luận văn 3

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG INTERNET KẾT NỐI VẠN VẬT 4

1.1 Khái niệm về mạng Internet kết nối vạn vật 4

1.2 Tầm nhìn tương lai của IoT 5

1.3 Kiến trúc mạng Internet kết nối vạn vật 5

1.4 Các công nghệ truyền thông cho mạng Internet kết nối vạn vật 7

1.5 Các mô hình ứng dụng của mạng Internet kết nối vạn vật 18

1.5.1 Lưới điện thông minh 18

1.5.2 Nhà thông minh 21

1.5.3 Tự động hóa tòa nhà 22

1.5.4 Mạng các thành phố và đô thị thông minh 23

1.5.5 Hệ thống giao thông thông minh 23

1.5.6 Nông nghiệp thông minh 24

1.5.7 Giải pháp đo lường tự động 25

Chương 2 GIAO THỨC MQTT 28

2.1 Giới thiệu về giao thức MQTT 28

2.2 Mô hình hoạt động của giao thức MQTT 29

2.3 Một số khái niệm trong MQTT 31

2.3 Định dạng các bản tin trong MQTT 33

2.3.1 Giới thiệu về các gói tin trong giao thức MQTT 33

2.3.2 Cấu trúc gói tin điều khiển trong giao thức MQTT 34

2.3.3 Giới thiệu một số gói tin điều khiển MQTT 38

2.4 Bảo mật trong giao thức MQTT 41

Chương 3 ỨNG DỤNG GIAO THỨC MQTT TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG NƯỚC 42

3.1 Giới thiệu về hệ thống giám sát chất lượng nước 42

3.2 Giải pháp thiết kế phần cứng cho thiết bị giám sát chất lượng nước 43

3.2.1 Khối vi điều khiển 44

3.2.2 Khối truyền thông 45

3.2.3 Khối cảm biến 46

3.2.4 Khối nguồn 50

3.3 Xây dựng phần mềm nhúng cho thiết bị giám sát chất lượng nước 50

3.3.1 Lưu đồ thuật toán 50

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các tính năng/thông số kỹ thuật của công nghệ Sigfox ……… 16 Bảng 2.1 Bảng gói tin điều khiển giao thức MQT ……… … 33 Bảng 2.2 Bảng Command Type của các gói tin MQTT Control ………36 Bảng 2.3 Giá trị các bit trường Control Flag của các gói MQTT Control……… 37 Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của Arduino nano 45

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình mạng IoT……… 3

Hình 1.2: Kiến trúc IoT……… 5

Hình 1.3: Công nghệ truyền thông Bluetooth……… 6

Hình 1.4: Công nghệ truyền thông Zigbee……… 7

Hình 1.5: Công nghệ truyền thông Zwave……… 8

Hình 1.6: Công nghệ truyền thông WiFi……… 9

Hình 1.7: Công nghệ truyền thông NFC……… 9

Hình 1.8: Cơ chế hoạt động của thẻ RFID……… 11

Hình 1.9: Một loại thẻ chip RFID phổ biến……… 12

Hình 1.10: Mạng LoRa theo mô hình Star………14

Hình 1.11: Công nghệ truyền thông SigFox……….15

Hình 1.12: Công nghệ mạng di động tế bào……… 16

Hình 1.13: Công nghệ NB-IoT……….17

Hình 1.14: Mô hình hệ thống lưới điện thông minh……….18

Hình 1.15: Mô hình hệ thống nhà thông minh của BKAV……… 20

Hình 1.16: Mô hình hệ thống tự động hóa tòa nhà………21

Hình 1.17: Một mô hình ứng dụng của hệ thống giao thông thông minh………….23

Hình 1.18: Mô hình nông nghiệp thông minh……… 24

Hình 1.19: Các thành phần cấu thành nên hạ tầng đo lường tự động AMR……….24

Hình 1.20: Mô hình hệ thống đọc đồng hồ nước tự động cho các tòa nhà………, 25

Hình 1.21: Lắp đặt thiết bị đọc đồng hồ nước tự động vào một đồng hồ nước hiện tại……… 26

Hình 2.1: Kiến trúc mức cao của giao thức MQTT………29

Hình 2.2: HiveMQ – một trong những openSource MQTT broker………….…….29

Hình 2.3: Các mức chất lượng dịch vụ trong giao thức MQTT………31

Hình 2.4: Quá trình hoạt động giữa 2 Client (một Subscriber, một Publisher) và Broker trong giao thức MQTT………33

Hình 2.5: Cấu trúc gói tin điều khiển trong giao thức MQTT………34

Hình 2.6: Trường kiểu gói tin điều khiển MQTT và các Cờ………34

Hình 2.7: Giới thiệu về gói tin CONNECT………37

Hình 2.8: Giới thiệu về gói tin CONACK………37

Hình 2.9: Giới thiệu về gói tin PUBLISH PACKET………38

Hình 2.10: Giới thiệu về gói tin SUBSCRIBE PACKET………39

Hình 2.11: Giới thiệu về gói tin SUBACK PACKET………39

Hình 3.1: Mô hình ứng dụng của hệ thống thu thập dữ liệu về chất lượng nguồn n ư ớ c … … … 4 1 Hình 3.2: Thiết bị đo chất lượng nước………42

Hình 3.3: Sơ đồ khối thiết bị đo chất lượng nước………42

Hình 3.4: Hình mặt trên của KIT Arduino nano………43

Hình 3.5: Khối truyền thông sử dụng Module SIM 900A………44

Hình 3.6: Cảm biến PH Analog DFRobot………45

Hình 3.7: Cảm biến nhiệt độ DS18B20………46

Hình 3.8: Cảm biến độ dẫn điện DFR0300………47

Hình 3.9: Cảm biến đo độ đục nước………48

Hình 3.10: Lưu đồ thuật toán phần mềm nhúng………49

Hình 3.11: Giám sát chất lượng nước ……… 52

Hình 3.12: Quản lý báo cáo……… 52

Hình 3.13: Biểu đồ chi tiết chất lượng nước ……… 53

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

API Application Programing Interface

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

ISM Industrial Seientific and Medical MQTT Message Queue Telemetry Transport

TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol

QFSK Quadrature Frequency Shift Key

GSM/CDMA Global System for Mobiles/ Code Division Multiple

PDIP Plastic Dual In-line-Paclage

UMTS/HSPA Universal Mobile Telecommunications Service/High

Speed Packet Access

RFID Radio Frequency Identification OCR Optical Character Recognition

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Mạng Internet kết nối vạn vật (IoT) [1] hiện đang là một xu hướng mạnh mẽ trên toàn thế giới, mở ra những cơ hội chưa từng có cho các nền kinh tế, doanh nghiệp, tổ chức và cá nhân để cạnh tranh trong môi trường mới Rất nhiều các công ty tập đoàn có giá trị thị trường lớn đang đầu tư hàng tỷ đô la vào nghiên cứu và phát triển lĩnh vực này trên thế giới

Phạm vi ứng dụng công nghệ IoT thực sự rộng lớn và đa dạng, từ quản lý giao thông [2], quản lý đô thị [3], quản lý môi trường [4], ứng phó khẩn cấp đến mua sắm thông minh [5], các dịch vụ y tế chăm sóc sức khỏe [6]

Trong giai đoạn gần đây giao thức MQTT (Message Queue Telemetry Transport) [7] đang nổi lên như là một giao thức được sử dụng phổ biến dùng cho giao tiếp IoT, rất nhiều hãng công nghệ lớn đã sử dụng, áp dụng và hỗ trợ giao thức MQTT cho các ứng dụng của mình Trong phạm vi đề tài này, tác giả tập trung nghiên cứu về giao thức lớp ứng dụng MQTT trong IoT Dựa trên các kết quả nghiên cứu lý thuyết, tác giả xây dựng một ứng dụng giám sát chất lượng nước theo mô hình IoT sử dụng giao thức MQTT

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu về hoạt động của giao thức MQTT và xây dựng một ứng dụng thực nghiệm về hệ thống tự động thu thập dữ liệu về chất lượng nước theo mô hình IoT sử dụng giao thức MQTT

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là thiết kế chế tạo thử nghiệm 01 thiết bị tự động giám sát chất lượng nước với các thông số về độ pH, nhiệt độ, độ dẫn điện và gửi dữ liệu về máy chủ sử dụng giao thức MQTT

3 Mục tiêu của đề tài

Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu lý thuyết về giao thức MQTT trong mô hình mạng lưới Internet kết nối vạn vật Từ các kết quả nghiên cứu lý thuyết, tác giả xây dựng mô hình thử nghiệm với giao thức MQTT cho hệ thống giám sát chất lượng nước

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận văn là khảo sát, tổng hợp, phân tích các nghiên cứu ở trong và ngoài nước, từ đó thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống

5 Nội dung của luận văn

Luận văn được trình bày thành 03 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về mạng Internet kết nối vạn vật Chương 2: Giao thức MQTT

Chương 3: Ứng dụng giao thức MQTT trong hệ thống tự động giám sát chất lượng nước

Cuối cùng là kết luận, tóm tắt các nội dung nghiên cứu và dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo của luận văn

6 Đóng góp của luận văn

Luận văn này có 02 đóng góp chính:

Thứ nhất, tác giả đã tổng hợp được các nghiên cứu lý thuyết có liên quan đến giao thức MQTT

Thứ hai, tác giả đã xây dựng thử nghiệm hệ thống giám sát chất lượng nước sử dụng giao thức MQTT Các kết quả nghiên cứu thử nghiệm giúp làm rõ hơn những nghiên cứu lý thuyết về giao thức MQTT

Như vậy, kết quả nghiên cứu của đề tài vừa có tính khoa học và thực tiễn

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG INTERNET KẾT NỐI VẠN VẬT

1.1 Khái niệm về mạng Internet kết nối vạn vật

Internet of Things là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet

Như vậy có thể tạm hiểu, IoT là khi tất cả mọi thứ đều được kết nối với nhau qua mạng Internet, người dùng có thể kiểm soát mọi đồ vật của mình qua mạng chỉ bằng một thiết bị thông minh, chẳng hạn như smartphone, tablet, PC hay thậm chí chỉ bằng một chiếc smartwatch nhỏ bé trên tay Hình 1.1 minh họa mô hình mạng

Gần đây, IoT còn bao gồm cả những giao tiếp theo kiểu máy với máy (M2M), hạn chế sự tác động của con người nhưng chủ yếu được áp dụng trong sản xuất năng lượng hay các ngành công nghiệp nặng

Viễn cảnh tưởng chừng chỉ có trên phim ảnh này đã dần hiển hiện trên thực tế, với sự phát triển của nhà thông minh, Tivi thông minh, tủ lạnh thông minh,… và

cũng không thể không kể tới sự mở rộng không gian địa chỉ lên IPv6 thay vì IPv4 như trước đây

1.2 Tầm nhìn tương lai của IoT

Mặc dù đã manh nha từ lâu nhưng kỷ nguyên IoT chỉ thực sự được sự được chú ý và bùng nổ trong những năm gần đây, sau sự phát triển của smartphone, tablet và những kết nối không dây,… Và ngay sau khi nhận được sự chú ý của cộng đồng, IoT đã cho thấy tiềm năng của mình với những số liệu đáng kinh ngạc

Cisco, nhà cung cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo: Đến năm 2025, sẽ có khoảng 75,44 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, bao gồm hàng tỷ thiết bị di động, tivi, máy giặt, …

Để thấy được sự phát triển của lĩnh vực này, họ cũng đưa ra số liệu vào năm 1984, khi mà Cisco mới thành lập mới chỉ có khoảng 1.000 thiết bị được kết nối mạng toàn cầu, đến năm 2010, con số này đã lên mức 10 tỷ

Intel, đơn vị mới tham gia vào thị trường sản xuất chip cho các thiết bị thông minh phục vụ IoT cũng đã thu về hơn 2 tỷ USD trong năm 2014 từ lĩnh vực này, tăng trưởng 19% so với năm 2013

Và không thể không kể tới một thương hiệu Việt Nam là Bkav cũng đã đạt được những thành tựu đáng ghi nhận về IoT Hệ thống nhà thông minh SmartHome của Bkav là một tổ hợp các thiết bị thông minh trong một ngôi nhà, đều được kết nối Internet và có thể tự động điều chỉnh cũng như điều khiển qua smartphone Sau hàng chục năm nghiên cứu và sản xuất, Bkav SmartHome đã có chỗ đứng nhất định trên thị trường và hoàn toàn có thể cạnh tranh với những giải pháp nhà thông minh khác trên thế giới

Bên cạnh đó, các ông lớn như Google, Apple, Samsung, Microsoft cũng không hề giấu diếm ý định xâm nhập thị trường này, hứa hẹn một cuộc cạnh tranh mạnh mẽ trong thời gian tới đây, đưa kỷ nguyên IoT đến sớm hơn với mọi người

Rõ ràng, IoT có thể thay đổi hoàn toàn cách sống của con người trong tương lai Khi mọi thứ đã được “Internet hóa”, người dùng hoàn toàn có thể điều khiển chúng từ bất cứ đâu, chỉ cần một chiếc điện thoại có kết nối Internet Sở hữu những thành tựu trong lĩnh vực này nghĩa là bạn đang nắm giữ trong tay chìa khóa thành công của mọi thời đại IoT chính là xu hướng của tương lai

1.3 Kiến trúc mạng Internet kết nối vạn vật

Kiến trúc IoT được đại diện cơ bản bởi 4 phần như hình 1.2 bao gồm: Vạn vật (Things), trạm kết nối (Gateway), hạ tầng mạng Internet và điện toán đám mây (Internet and Cloud), các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services)

Hình 1.2: Kiến trúc IoT

 Vạn vật (Things): Ngày nay có hàng tỷ vật dụng đang hiện hữu trên thị

trường gia dụng và công nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của người dùng Chẳng hạn như xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối trực tiếp thông qua băng tần mạng không dây và truy cập vào Internet Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ, còn các thiết bị chưa thông minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối

 Trạm kết nối (Gateway): Một rào cản chính khi triển khai IoT đó là gần

85% các vật dụng đã không được thiết kế để có thể kết nối với Internet và không thể chia sẻ dữ liệu với điện toán đám mây Để khắc phục vấn đề này, các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý

 Hạ tầng mạng Internet và điện toán đám mây (Internet and Cloud):  Cơ sở hạ tầng kết nối: Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng

IP được kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính Cơ sở hạ tầng mạng này bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp - được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ

 Trung tâm dữ liệu/ hạ tầng điện toán đám mây: Các trung tâm dữ liệu

và hạ tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối

 Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services): Intel đã kết hợp những phần

mềm quản lý API hàng đầu (Application Progmraming Interface) 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 nguyên đang có sẵn

1.4 Các công nghệ truyền thông cho mạng Internet kết nối vạn vật

1.4.1 Bluetooth

Một công nghệ giao tiếp truyền thông trong khoảng cách ngắn vô cùng quan trọng, đó là Bluetooth Hiện nay, bluetooth xuất hiện hầu hết ở các thiết bị như máy tính, điện thoại/ smartphone, và nó được dự kiến là chìa khóa cho các sản phẩm IoT đặc biệt, cho phép giao tiếp thiết bị với các smartphone - một lượng lớn thiết bị hiện nay

Hiện nay, BLE - Bluetooth Low Energy - hoặc Bluethooth Smart là một giao thức được sử dụng khá nhiều cho các ứng dụng IoT Quan trọng hơn, cùng với một khoảng cách truyền tương tự như Bluetooth, BLE được thiết kế để tiêu thụ công suất ít hơn rất nhiều

Hình 1.3: Công nghệ truyền thông Bluetooth

Tuy nhiên, BLE không thực sự được thiết kế cho các ứng dụng dùng để truyền file và sẽ phù hợp hơn cho khối dữ liệu nhỏ Nó có một lợi thế vô cùng lớn trong bối cảnh hiện nay, smartphone đang là thiết bị không thể thiếu được của mỗi

1.4.2 Zigbee/IEEE802.15.4

Zigbee, giống như Bluetooth, là một loại truyền thông trong khoảng cách ngắn, hiện được sử dụng với số lượng lớn và thường được sử dụng trong công nghiệp Điển hình, Zigbee Pro và Zigbee remote control (RF4CE) được thiết kế trên nền tảng giao thức IEEE802.15.4 - là một chuẩn giao thức truyền thông vật lý trong công nghiệp hoạt động ở 2.4Ghz thường được sử dụng trong các ứng dụng khoảng cách ngắn và dữ liệu truyền tin ít nhưng thường xuyên, được đánh giá phù hợp với các ứng dụng trong smarthome hoặc trong một khu vực đô thị/khu chung cư

Hình 1.4: Công nghệ truyền thông Zigbee

Zigbee / RF4CE có một lợi thế đáng kể trong các hệ thống phức tạp cần các điều kiện: tiêu thụ công suất thấp, tính bảo mật cao, khả năng mở rộng số lượng các node cao ví dụ như yêu cầu của các ứng dụng M2M và IoT là điển hình Phiên bản mới nhất của Zigbee là 3.0, trong đó điểm nổi bật là sự hợp nhất của các tiêu chuẩn Zigbee khác nhau thành một tiêu chuẩn duy nhất Ví dụ, sản phẩm và kit phát triển của Zigbee của TI là CC2538SF53RTQT Zigbee System-On-Chip T và CC2538 Zigbee Development Kit

 Chuẩn: ZigBee 3.0/IEEE802.15.4

 Tần số: 2.4GHz

 Phạm vi: 10-100m

 Tốc độ dữ liệu: 250kbps

1.4.3 Z-Wave

Tương tự Zigbee, Z-Wave là chuẩn truyền thông không dây trong khoảng cách ngắn và tiêu thụ rất ít năng lượng Dung lượng truyền tải với tốc độ 100kbit/s, quá đủ cho nhu cầu giao tiếp giữa các thiết bị trong các hệ thống IoT, M2M Chuẩn kết nối Z-Wave và Zigbee cùng hoạt động với tần số 2.4GHz, và cùng được thiết kế với mức tiêu thụ năng lượng rất ít nên có thể sử dụng với các loại PIN di động.Zwave hoạt động ở tần số thấp hơn so với Zigbee/wifi, dao động trong các dải tần của 900Mhz, tùy theo quy định ở từng khu vực khác nhau

Hình 1.5: Công nghệ truyền thông Zwave

Ưu điểm của Z-Wave là tiêu thụ năng lượng cực ít và độ mở ( open platform) cực cao Hiện nay, Z-Wave được ứng dụng chủ yếu trong ứng dụng smarthome Đặc biệt, mỗi thiết bị Z-Wave trong hệ thống là một thiết bị có thể vừa thu và vừa phát sóng nên tính ổn định hệ thống được nâng cao

Đặc biệt, Z-Wave đã được nhiều nhà sản xuất thiết bị tích hợp vào, đây là một công nghệ đang được chú ý và các nhà sản xuất đang tập trung nhiều hơn vào nó

Thông số kỹ thuật cơ bản:

 Chuẩn: Z-Wave Alliance ZAD12837/ITU-T G.9959

 Tần số: 900MHz (Băng tần ISM - Industrial, Scientific and Medical)

 Phạm vi: 30m

 Tốc độ dữ liệu: 9.6/40/100kbit/s

1.4.4 WiFi

Wifi (là viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11) là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến Kết nối Wifi thường là sự lựa chọn hàng đầu của rất nhiều kỹ sư giải pháp bởi tính thông dụng và kinh tế của hệ thống wifi và mạng LAN với mô hình kết nối trong một phạm vi địa lý có giới hạn

Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác Nó có thể chuyển và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz Tần số này cao

hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn

Hình 1.6: Công nghệ truyền thông WiFi

Hiện nay, đa số các thiết bị wifi đều tuân theo chuẩn 802.11n, được phát ở tần số 2.4Ghz và đạt tốc độ xử lý tối đa 300Megabit/giây

 Chuẩn: IEEE 802.11n (được sử dụng phổ biến nhất hiện nay)

 Tần số: 2.4GHz and 5GHz bands

 Phạm vi: Xấp xỉ 50m

 Tốc độ dữ liệu: Tối đa 600 Mbps maximum, tuy nhiên 150-200Mbps là phổ biến, phụ thuộc vào tần số kênh được sử dụng và số lượng anten

1.4.5 NFC

NFC (Near-Field Communications) là công nghệ kết nối không dây trong phạm vi tầm ngắn trong khoảng cách 4 cm Công nghệ này sử dụng cảm ứng từ trường để thực hiện kết nối giữa các thiết bị khi có sự tiếp xúc trực tiếp (chạm)

Hình 1.7: Công nghệ truyền thông NFC

Khi hai thiết bị đều có kết nối NFC, chúng ta có thể chạm chúng vào nhau để kích hoạt tính năng này và nhanh chóng truyền tập tin gồm danh bạ, nhạc, hình ảnh, video, ứng dụng hoặc địa chỉ website Ở các nước phát triển, NFC còn được xem là chiếc ví điện tử khi có thể thanh toán trực tuyến, tiện lợi và nhanh chóng

Ngoài việc giúp truyền tải dữ liệu như trên thì NFC còn mở rộng với những công dụng ví dụ như bạn đến quán café có một thẻ NFC để trên bàn, trong thẻ này đã cài đặt sẵn wifi, thông tin của quán…lúc này bạn lấy chiếc điện thoại chạm vào NFC này thì máy sẽ bật tất cả tính năng được cài sẵn trong thẻ đó mà không cần

phải nhờ gọi nhân viên Hoặc tiên tiến hơn thì sau này có thể khi mua đồ trong siêu thị lớn thì quẹt NFC của điện thoại để thanh toán tiền

 Ở cửa nhà: Khi về đến nhà, bạn áp smartphone vào thẻ NFC ở cửa ra vào để

tự động bật chức năng thu sóng Wi-Fi, tắt chức năng thu sóng Bluetooth, tăng âm lượng nhạc chuông, hoặc tự động gửi tin nhắn có nội dung đã định cho người thân Đối với loại chỉ thị bật/tắt, bạn áp smartphone vào thẻ NFC để bật và áp lần nữa để tắt

 Trong phòng khách: Thẻ NFC ở tường phòng khách giúp smartphone tự

động đăng nhập mạng Wi-Fi trong nhà Điều này giúp bạn cho phép khách dùng mạng Wi-Fi mà không cần thông báo mật khẩu

 Trong bếp: Sau khi bật bếp hoặc bật lò vi sóng, bạn áp smartphone vào thẻ

NFC ở gần lò để được smartphone báo động sau năm phút hoặc mười phút

 Ở giường ngủ: Khi vào giường, bạn áp smartphone vào thẻ NFC ở đầu

giường để smartphone chuyển qua chế độ im lặng và thực hiện nhiệm vụ của đồng hồ báo thức

 Trên xe hơi: Thẻ NFC gắn trên xe giúp smartphone của bạn tự động bật

chức năng Bluetooth để tương tác với máy hát hoặc tai nghe Bluetooth có sẵn trong xe, chạy phần mềm định vị và dẫn đường

 Tại nơi công cộng: Khi đi ra ngoài, làm việc với máy tính xách tay hoặc

máy tính bảng ở nơi không có sóng Wi-Fi, bạn có thể áp smartphone vào thẻ dán ở máy tính để smartphone tự động trở thành điểm phát sóng Wi-Fi (Wi-Fi hotspot), cho phép máy tính kết nối với Internet thông qua smartphone

1.4.6 Công nghệ RFID

Radio Frequency Identification (RFID) là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến Hai thiết bị này hoạt động thu phát sóng điện từ cùng tần số với nhau Thẻ RFID có thể được quét ở khoảng cách lên đến 100 mét mà không cần kết nối có dây, với khả năng đó RFID được sử dụng trên toàn cầu để theo dõi tài sản trong kho, kiểm soát hành lý ở sân bay, nhận dạng vật nuôi và nhiều hơn nữa RFID

hoạt động ở phạm vi và tần số vô tuyến khác nhau và có tiêu chuẩn thiết lập riêng

3,1-10 GHz (Microwave) Lên tới 200m

Một thiết bị hay một hệ thống RFID được cấu tạo bởi hai thành phần chính là thiết bị đọc (reader) và thiết bị phát mã RFID có gắn chip hay còn gọi là tag Thiết bị đọc được gắn antenna để thu-phát sóng điện từ, thiết bị phát mã RFID tag được gắn với vật cần nhận dạng, mỗi thiết bi RFID tag chứa một mã số nhất định và không trùng lặp

Nguyên lý hoạt động: Thiết bị RFID reader phát ra sóng điện từ ở một tần số nhất định, khi thiết bị RFID tag trong vùng hoạt động sẽ cảm nhận được sóng điện từ này và thu nhận năng lượng từ đó phát lại cho thiết bị RFID Reader biết mã số của mình Từ đó thiết bị RFID reader nhận biết được tag nào đang trong vùng hoạt động

Bộ phát đápAnten

Thiết bị đọc

Hình 1.8: Cơ chế hoạt động của thẻ RFID

Thẻ chip (tag) RFID chứa rất nhiều mã nhận dạng khác nhau, thông thường là 32bit tương ứng với hơn 4 tỷ mã số khác nhau Ngoài ra khi xuất xưởng mỗi thẻ chip RFID được gán một mã số khác nhau Do vậy khi một vật được gắn chip RFID thì khả năng nhận dạng nhầm vật đó với 1 thẻ chip RFID khác là rất thấp, xác

suất là 1 phần 4 tỷ Với ưu điểm về mặt công nghệ như vậy nên sự bảo mật và độ an toàn của các thiết bị ứng công nghệ RFID là rất cao

Hình 1.9: Một loại thẻ chip RFID phổ biến

RFID và IoT

RFID đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực kinh doanh bán lẻ khi được kì vọng thay thế hoàn toàn mã vạch hay ứng dụng trong y tế với khả năng giám sát nhằm chăm sóc người già hoặc trẻ sơ sinh… Ngoài ra công nghệ này được sử dụng nhiều trong hệ thống an ninh, ngành công nghiệp vận chuyển, tuy phần lớn những ứng dụng thường không thỏa mãn được kì vọng và chịu lép vế trước nhiều cuộc cách mạng công nghệ khác như mạng xã hội hay giải trí streaming luôn được ca tụng…

Hiện tại RFID dường như đã bước vào kỉ nguyên thứ 2 của mình khi trở thành một phần thiết yếu của xu hướng Internet kết nối vạn vật (IoT) và tạo ra cuộc cách mạng trong môi trường tương tác hiện nay Các chuyên gia nghiên cứu thị trường cho rằng RFID đã có quãng thời gian tồn tại không giống như sự kì vọng ban đầu của nó nhưng công nghệ này đang chuyển mình trở thành vai trò chủ đạo và tạo ra một tương lai vô hạn

RFID có thể được xem như một mã vạch nâng cao với khả năng kết nối vô tuyến Công nghệ nhận dạng bằng sóng vô tuyến có khả năng theo dõi đối tượng và lưu thông tin trong thẻ tag (được gắn vào sản phẩm) từ đó các thiết bị đọc khác có thể phát hiện, tìm kiếm khi đối tượng di chuyển qua các chuỗi cung ứng như trong nhà kho, gian hàng hay trong dây chuyền sản xuất Hệ thống RFID bao gồm các thành phần như thẻ tag, bộ đọc thẻ, máy chủ, phần mềm trung gian (middleware) và các ứng dụng cung cấp khả năng nhận diện bằng cách theo dõi số lượng lớn đối tượng ở mọi ngành công nghiệp, từ chai bia cho đến máy móc công nghiệp… Mục đích của một hệ thống RFID là cho phép dữ liệu được truyền từ một –sản phẩm được gắn thẻ đến bộ đọc RFID và bộ đọc xử lý thông tin theo yêu cầu của ứng dụng cụ thể

Hiện tại, ứng dụng phổ biến nhất của RFID tập trung vào lĩnh vực quản lý lượng hàng hóa, nhưng với IoT thì sự kết hợp sức mạnh của Internet cùng với các thành phần như cảm biến hay điện toán đám mây sẽ giúp việc định danh thiết bị theo phương thức sóng vô tuyến, mang lại nhiều ứng dụng hữu ích, phổ biến và giảm chi phí trong đầu tư công nghệ Công nghệ mới cũng được cập nhật cho hệ thống thẻ tag thụ động nhằm phục vụ cho việc thu thập dữ liệu Bên cạnh xác định vị trí, tín hiệu RFID cũng có thể được sử dụng để cho biết tình trạng của đối tượng Ví dụ như hồi đầu năm 2015, RFMicron phát hành chip RFID có khả năng xác định thông tin về nhiệt độ, độ ẩm, trọng lượng, khoảng cách của đối tượng được định danh

Tiềm năng lớn nhất của RFID trong IoT là khả năng theo dõi người dùng và các đối tượng cùng được trang bị công nghệ Nhiều chính phủ trên thế giới đã tích hợp chip RFID một cách rộng rãi vào hộ chiếu hay giấy phép lái xe Ngoài ra, trong quá trình chờ đợi sự phát triển toàn diện thì giới kinh doanh cũng đã phổ biến công nghệ sóng vô tuyến này vào số ít ngành nghề nhất định như quản lý phòng khách sạn hay thẻ tag thuê xe nhỏ gọn Đầu năm 2015, các hãng nghiên cứu đã chứng minh rằng thẻ RFID với giá thành rẻ có thể được sử dụng để xác định đối tượng một cách kín đáo và có khả năng tương tác liên tục Điều này sẽ giúp ngành công nghiệp trò chơi phát triển hơn, hay được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống nhà thông minh để các thiết bị có khả năng giao tiếp mạnh mẽ và tạo nên môi trường làm việc mới Ngoài ra, công nghệ này cũng tạo nên các phương thức mới trong việc nghiên cứu thói quen mua sắm của người tiêu dùng Ví dụ như hệ thống IDSense sử dụng công nghệ sóng vô tuyến có khả năng theo dõi đồng thời 20 đối tượng trong căn phòng và xác định vị trí chính xác tới 93% của các chuyển động

1.4.7 Lora

Giới thiệu về tổ chức LoRa Alliance: Đây là 1 tổ chức phi lợi nhuận, được

thành lập tháng 3 năm 2015, tổ chức này nghiên cứu và định nghĩa các chuẩn giao tiếp LPWAN network dựa trên nền tảng LoRa Hiện tại LoRaAlliance đang phát triển chuẩn giao tiếp LoRaWAN để kết nối hàng triệu thiết bị IoT trong các ứng dụng smart city, smart meters,… Website của tổ chức này:

https://www.lora-alliance.org LoRa là gì?

LoRa™ (Long Range) là một kỹ thuật điều chế (modulation) dựa trên kỹ thuật Spread-Spectrum là một biến thể của Chirp Spread Spectrum (CSS) duy trì các đặc tính công suất thấp giống như điều chế FSK nhưng làm tăng đáng kể phạm vi truyền thông, giúp truyền khoảng cách xa hơn đáng kể so với các kỹ thuật khác

Kỹ thuật không dây LoRa được phát triển bởi Cycleo SAS và sau này được mua lại bởi Semtech

Kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum: Đây là kỹ thuật sử dụng tần số

chirp với một biến đổi tuyến tính của tần số theo thời gian để mã hóa thông tin, kỹ thuật này giúp cho độ lệch về tần số giữa bộ phát và bộ thu dễ dàng được loại bỏ trong bộ giải mã và còn giúp miễn dịch với hiệu ứng Doppler Độ lệch tần số giữa bộ phát và bộ thu có thể lên đến 20% băng thông mà không ảnh hưởng đến hiệu suất giải mã Ngoài ra, các module có thể chuyển sang sử dụng kỹ thuật điều chế FSK hoặc GFSK tùy nhu cầu Các tham số dùng để tùy biến điều chế LoRa là: băng thông (Bandwidth – BW), yếu tố lan truyền (Spreading Factor – SF) và tỉ lệ mã hóa

(Code Rate – CR)

Băng tần làm việc của LoRa từ 430 MHz đến 915 MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới: 430MHz cho châu Á, 780MHz cho Trung Quốc, 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu, 915MHz cho USA

Các gói tin LoRa có thể truyền xa đến 5 Km trong khu vực thành thị và đến 15 Km ở khu vực ngoại ô với tốc độ dữ liệu khoảng 0,3 đến 22 Kbps (điều chế LoRa) hoặc 100 Kbps (điều chế GFSK) Do đó thường sử dụng ở môi trường ngoài trời như các nông trường, trang trại,…

Mạng Lora WAN

Cấu trúc mạng LoRa WAN điển hình thường được sử dụng với công nghệ LoRa đó là kiến trúc hình sao (Star topology) Để hiểu thêm, thông thường kiến trúc của một mạng LoRaWAN được tổ chức như sau: các thiết bị cuối (end-device) giao tiếp với gateway sử dụng kỹ thuật LoRa và giao thức LoRaWAN, gateway sẽ chuyển tiếp gói tin từ thiết bị đến server thông qua Ethernet hoặc Wifi và server sẽ gửi gói tin đến các end-device theo luồng ngược lại

Các nút mạngBộ tập trung/Cổng kết nốiNetwork

Trong một mạng LoRaWAN, nodes không được kết nối với một GateWay cụ thể Thay vào đó, dữ liệu được truyền bởi một node thường được nhận bởi nhiều GateWay Mỗi GateWay sẽ chuyển tiếp gói tin đã nhận từ nodes kết thúc đến máy chủ mạng đám mây thông qua một số đường truyền (mạng di động, Ethernet, vệ tinh hoặc Wi-Fi)

1.4.8 Sigfox

Sigfox là hệ thống giống như mạng di động, sử dụng công nghệ Ultra Band ( UNB) để kết nối các thiết bị từ xa Mục tiêu của công nghệ là sử dụng trong các ứng dụng truyền thông với tốc độ thấp, khoảng cách truyền xa và mức tiêu thụ năng lượng cực thấp Ngoài ra, nó đòi hỏi yêu cầu về antenna thấp hơn so với mạng di động GSM/CDMA Sigfox sử dụng các dải tần ISM được sử dụng miễn phí mà không cần phải được cấp phép để truyền dữ liệu

Ý tưởng ra đời của Sigfox được hình thành từ nhu cầu: Đối với các ứng dụng M2M sử dụng nguồn bằng Pin và chỉ đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu thấp thì phạm vi truyền của Wifi lại quá ngắn, còn với mạng di động thì lại quá đắt đỏ và tốn năng lượng Với công nghệ UNB, và được thiết kế để chỉ xử lý đường truyền dữ liệu từ 10 đến 1000 bit trên giây, giúp chỉ tiêu thụ mức năng lượng 50 microwatts so với 5000 microwatts của việc dùng mạng điện thoại di động Hay đơn giản, với một cục pin 2,5Ah thì với công nghệ Sigfox cho phép bạn dùng tới 25 năm thay vì 0,2 năm nếu dùng truyền thông qua mạng điện thoại di động

Các nút mạngCổng kết nối SigFox

Các ứng dụng kinh doanh

Hình 1.11: Công nghệ truyền thông SigFox

Bảng 1.1 Các tính năng/thông số kỹ thuật của công nghệ Sigfox

Tần số Băng tần ISM không cấp phép, 868 MHz(Europe),

được truyền

Công suất tiêu thụ Rất thấp, ví dụ năng lượng tiêu thụ ở công nghệ Sigfox khoảng 50 microwatts trong khi ở công nghệ GSM là 5000 microwatts

Thời gian chờ với pin 2.5Ah Khoảng 20 năm với công nghệ SIGFOX, trong khi mạng GSM rất thấp khoảng 0 đến 2 năm

1.4.9 Mạng di động tế bào

Với các ứng dụng IoT/M2M yêu cầu khoảng cách truyền thông dài, hoặc không bị giới hạn bởi khoảng cách địa lý thì việc lựa chọn đường truyền dữ liệu thông qua mạng điện thoại di động GPRS/3G/LTE là một lựa chọn sáng suốt Tất nhiên, đối với các kỹ sư thiết kế giải pháp,ai cũng hiểu rằng, truyền dữ liệu đi xa thì sẽ tốn năng lượng tương ứng Và yếu tố tiêu hao năng lượng dễ được chấp nhận trong bài toán này

Hình 1.12: Công nghệ mạng di động tế bào

 Chuẩn: GSM/GPRS/EDGE (2G/2,5G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G)

 Tần số: 900/1800/1900/2100MHz

 Tốc độ dữ liệu (typical download): 35-170kps (GPRS), 120-384kbps (EDGE), 384Kbps-2Mbps (UMTS), 600kbps-10Mbps (HSPA), 20-50Mbps (LTE)

1.4.10 NB-IoT

Narrowband IoT (NB-IoT) là một tiêu chuẩn công nghệ di động không dây mới, hiện đang phát triển nhanh chóng, được giới thiệu trong Release 13 nhằm đáp ứng các yêu cầu LPWA của IoT Narrowband IoT (NB-IoT) được phân loại là công nghệ 5G, tiêu chuẩn hóa bởi 3GPP vào năm 2016 Nó nhanh chóng gây được tiếng vang là công nghệ LPWAN hàng đầu cung cấp cho một loạt các thiết bị IoT mới, bao gồm bãi đậu xe thông minh, các tiện ích, thiết bị đeo và giải pháp công nghiệp

Narrowband IoT (NB-IoT) có vùng phủ sóng trong nhà tuyệt vời, hỗ trợ một số lượng lớn kết nối, tiết kiệm chi phí, tiêu thụ ít điện năng và kiến trúc mạng được tối ưu hóa Điều này có thể là do khả năng kết nối hiệu quả các nhóm thiết bị lớn,

đồng thời giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng và tăng phạm vi phủ sóng ở các vị trí mà những công nghệ di động thông thường không thể chạm tới

Hình 1.13: Công nghệ NB-IoT

NB-IoT cải thiện đáng kể hiệu quả mạng, tăng khả năng hỗ trợ một số lượng lớn kết nối mới, chỉ sử dụng một phần của phổ tần có sẵn Sự hiệu quả này làm giảm thiểu việc tiêu thụ năng lượng, cho phép tuổi thọ pin kéo dài hơn 10 năm Ngoài ra, NB-IoT có khả năng thâm nhập sâu xuống dưới lòng đất và vào các không gian kín

Công nghệ truyền thông này cung cấp các tính năng bảo mật và quyền riêng tư tương tự như các mạng di động LTE, bao gồm hỗ trợ bảo mật danh tính người dùng, xác thực thực thể, bảo vệ tính toàn vẹn dữ liệu và nhận dạng thiết bị di động

1.5 Các mô hình ứng dụng của mạng Internet kết nối vạn vật

1.5.1 Lưới điện thông minh

Lưới điện thông minh (còn gọi là hệ thống điện thông minh) là hệ thống điện có sử dụng các công nghệ thông tin và truyền thông để tối ưu việc truyền dẫn, phân phối điện năng giữa nhà sản xuất và hộ tiêu thụ, hợp nhất cơ sở hạ tầng điện với cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc Có thể coi hệ thống điện thông minh gồm có 2 lớp: lớp 1 là hệ thống điện thông thường và bên trên nó là lớp 2- hệ thống thông tin, truyền thông, đo lường

Hình 1.14: Mô hình hệ thống lưới điện thông minh

Lưới điện thông minh là dạng lưới điện mà mục tiêu đặt ra là tiên đoán và phản ứng một cách thông minh với cách ứng xử và hành động của tất cả các đơn vị được kết nối điện với lưới điện, bao gồm các đơn vị cung cấp điện, các hộ tiêu thụ điện và các đơn vị đồng thời cung cấp và tiêu thụ điện, nhằm cung cấp một cách hiệu quả các dịch vụ điện tin cậy, kinh tế và bền vững

Lưới điện thông minh phát triển trên 4 khâu:  Phát điện: Smart Generation

 Truyền tải: Smart Transmission  Phân phối: Smart Distribution  Tiêu thụ: Smart Power Consumers

Chức năng của lưới điện thông minh bao gồm:

 Khả năng tự động khôi phục cung cấp điện khi có sự cố xảy ra mất điện đối với khách hàng

 Chống được sự tấn công cố ý đối với hệ thống cả về mặt vật lý và mạng máy tính

 Trợ giúp sự phát triển các nguồn điện phân tán (phát điện, dự trữ năng lượng, cắt giảm nhu cầu…)

 Trợ giúp sự phát triển các nguồn năng lượng tái tạo

 Giảm lượng tiêu hao năng lượng trên dây dẫn, tăng cường chất lượng điện năng

 Tối ưu hóa vận hành hệ thống điện để giảm chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối kể cả giảm chi phí đầu tư mới và nâng cấp hệ thống điện Để tạo được sự tiến bộ trong việc giải quyết được những thách thức của hệ thống hiện tại cũng như những đặc tính chính của Smart Grid trong tương lai, các công ty điện lực cần tập trung vào bốn lĩnh vực sau:

 Thu thập dữ liệu: Dữ liệu cần được thu thập từ rất nhiều nguồn khác

nhau của hệ thống điện (hệ thống bảo vệ, điều khiển, công tơ điện, các bộ I/O ), các bộ thu thập dữ liệu tiêu thụ điện của thiết bị tại các nhà máy và thậm chí tại nhà ở của khách hàng và các nguồn thông tin “không điện” như thời tiết,… Khả năng thu thập dữ liệu được dựa trên sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ thông tin và viễn thông trong thế kỷ 21

 Phân tích và dự báo: Dữ liệu thu thập từ nhiều nguồn khác nhau ở trên,

theo tính toán với một hệ thống có 2 triệu khách hành sử dụng điện thì lượng dữ liệu sẽ khoảng 22GB/ngày, cần được phân tích cho các mục tiêu vận hành và kinh doanh Cho mục đích vận hành hệ thống điện các phân tích sẽ được dựa trên số liệu thời gian thực và cận thời gian thực Còn đối với mục đích kinh doanh thì sẽ sử dụng số liệu quá khứ Các số liệu thời gian thực và quá khứ cũng được sử dụng cho công tác dự báo từ dài cho đến trung hạn phục vụ công tác lập qui hoạch, kế hoạch phát triển và phương thức vận hành

 Giám sát, quản lý, điều khiển: Dữ liệu được thu thập và xử lý thành

thông tin phục vụ công tác vận hành, điều khiển hệ thống điện cũng như được lưu trữ cho các mục đích khác nhau theo yêu cầu của các qui định trong quản lý và điều tiết hoạt động điện lực Trong lĩnh vực kinh doanh, các thông tin này được sử dụng để xác định mức sử dụng và tính toán chi phí thanh toán giữa các bên tham gia thị trường điện và khách hàng

 Phát triển hệ thống cho phép trao đổi thông tin và điện năng hai chiều giữa nhà cung cấp và khách hàng sử dụng điện: Cả ba bước trên

sẽ chỉ có khả năng ảnh hưởng tối thiểu lên khách hàng nếu họ không được tiếp cận và có các thiết bị để cùng tham gia vào hoạt động điện lực từ phía tiêu thụ điện Thực ra đây là lĩnh vực tốn kém nhất trong Smart Grid và theo tính toán thì Thế giới sẽ mất khoảng 20 năm để hoàn thành phần này với việc trang bị các Smart Meter và thiết bị cho phép tương tác hai chiều đối với bất kỳ khách hàng nào

Một số các thành phần của Smart Grid đã được lắp đặt trong hệ thống điện, tuy nhiên chúng ta còn phải nỗ lực hết sức để có thể biến một hệ thống điện truyền

thống hiện nay thành một hệ thống điện thông minh (Smart Grid) thực sự Bởi vì nó không đơn thuần chỉ bao gồm các hệ thống phần cứng và phần mềm

1.5.2 Nhà thông minh

Nhà thông minh (Smart Home) là một ngôi nhà/căn hộ được trang bị hệ thống tự động tiên tiến dành cho điều khiển đèn chiếu sáng, nhiệt độ, truyền thông đa phương tiện, an ninh, rèm cửa, cửa và nhiều tính năng khác nhằm mục đích làm cho cuộc sống ngày càng tiện nghi, an toàn và góp phần sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên

Các thành phần cơ bản của một ngôi nhà thông minh bao gồm:  Một máy tính điều khiển trung tâm (Home server)

 Các thiết bị gia dụng đầu cuối

 Hệ thống các phần mềm điều khiển ngôi nhà  Các thiết bị điều khiển

Hình 1.15: Mô hình hệ thống nhà thông minh của BKAV Các chức năng chính của một ngôi nhà thông minh bao gồm:  Điều khiển hệ thống chiếu sáng

 Hệ thống An ninh, báo động, báo cháy  Điều khiển Điều hòa, máy lạnh

 Hệ thống Âm thanh đa vùng  Camera, chuông hình

 Hệ thống Bảo vệ nguồn điện

 Các tiện ích và ứng dụng khác

1.5.3 Tự động hóa tòa nhà

Với chi phí năng lượng ngày càng tăng thì việc tiết kiệm năng lượng trở nên rất quan trọng trong các tòa nhà Tự động hóa tòa nhà (BAS - Building Automation System) là một cách để tiết kiệm năng lượng và hỗ trợ một số chức năng quan trọng như cảnh báo khẩn cấp các đám cháy trong các tòa nhà

Các hệ thống tự động hóa tòa nhà cho phép giám sát và điều khiển các thiết bị trong tòa nhà một cách hiệu quả Các hệ thống này tự động điều chỉnh hệ thống thông gió, sưởi ấm, hệ thống điều hóa không khí và ánh sáng trong tòa nhà nhằm đáp ứng các điều kiện môi trường trong tòa nhà với chi phí tối thiểu Hệ thống tự động hóa tòa nhà cũng làm tăng sự an toàn đối với môi trường trong tòa nhà thông qua việc giám sát và điều khiển các hệ thống an ninh, cứu hỏa trong tòa nhà

Hình 1.16: Mô hình hệ thống tự động hóa tòa nhà

Hệ thống tự động hóa tòa nhà được ứng dụng trong các trường đại học, các bệnh viện, văn phòng chính phủ, các nhà máy, khách sạn Các đối tượng thông

minh trong các tòa nhà thực hiện chức năng cảm nhận các thông số môi trường và tác động lại thiết bị truyền động để thay đổi các thông số môi trường trong tòa nhà Các mạng SON được triển khai trong tòa nhà có thể là các thiết bị truyền thông vô tuyến hoặc cũng có thể là các thiết bị truyền thông hữu tuyến theo chuẩn PLC (Power Line Communication), Ethernet

Các hệ thống BAS sử dụng các kết nối hữu tuyến có thể đạt hiệu suất sử dụng cao hơn nhưng thường có chi phí cao và gặp nhiều khó khăn trong việc thiết lập và nâng cấp mạng Trong 5 năm trở lại đây, các công nghệ truyền thông không dây như 802.15.4, WiFi đã được nghiên cứu và triển khai trong hệ thống tự động hóa tòa nhà Hình 1.11 minh họa mô hình triển khai mạng có dây và không dây trong các hệ thống BAS

1.5.4 Mạng các thành phố và đô thị thông minh

Các thành phố thông minh đòi hỏi một lượng lớn các thiết bị kết nối mạng IP thông qua các liên kết cố định hoặc di động để hỗ trợ một số dịch vụ mới như:

 Giao thông: Quản lý lưu lượng giao thông, điều khiển tốc độ, xác định điểm tắc nghẽn, các hệ thống thông tin giao thông, theo dõi xe cộ, an toàn bay, quản lý bãi đỗ xe

 An toàn và an ninh công cộng: Các hệ thống kiểm soát truy cập, giám sát cảnh báo, cảnh báo khẩn cấp, quản lý tình huống

 Dịch vụ công cộng: Theo dõi bệnh nhân từ xa, quản lý hồ sơ bệnh nhân, mạng lưới giáo dục/học tập

 Nhận dạng: Các hệ thống thẻ thông minh

 Các tiện ích: Quản lý các thiết bị điện, nước; quản lý các nguồn phát điện, thiết bị lưu trữ năng lượng điện; phát hiện sự rò rỉ khí gas, nước

 Môi trường: Thu thập dữ liệu và giám sát môi trường (tiếng ồn, ô nhiễm…)

1.5.5 Hệ thống giao thông thông minh

Hệ thống giao thông thông minh là những ứng dụng tiên tiến, nhằm mục đích để cung cấp các dịch vụ mới liên quan đến phương thức vận tải và quản lý giao thông cho phép người dùng có thông tin tốt hơn khi tham gia mạng lưới giao thông

Nói cách khác hệ thống giao thông thông minh là hệ thống giao thông mà ở đó công nghệ thông tin và truyền thông được áp dụng trong lĩnh vực vận tải đường bộ và các hình thức vận tải khác bao gồm các cơ sở hạ tầng, phương tiện giao thông và người dùng

Hệ thống giao thông thông minh bao gồm các chức năng cơ bản sau:

 Các trang thiết bị đo lường, thu thập thông tin như: cảm biến, đồng hồ, camera, điện thoại thông minh, các thiết bị sinh trắc học giúp hệ thống có thể đo lường, nhận biết phương tiện giao thông và các hoạt động, hành vi giao thông (phạm lỗi, gây tai nạn, tắc nghẽn,… )

Hình 1.17: Một mô hình ứng dụng của hệ thống giao thông thông minh  Trung tâm xử lý thông tin giao thông sẽ tự động phát hiện, xử lý thông tin

được thu thập, xác định mẫu và mối quan hệ giữa các mẫu thu được để đưa ra phương án xử lý kịp thời, tương tác theo thời gian thực tới phương tiện, người tham gia giao thông

 Trung tâm giám sát, vận hành hệ thống

 Hệ thống biển báo, thông báo thông tin giao thông tới phương tiện và người tham gia giao thông

 Hệ thống thanh toán được tích hợp

1.5.6 Nông nghiệp thông minh

“Nông nghiệp thông minh” tức ngành nông nghiệp sử dụng cảm biến và các thuật toán thông minh để phân phối nước, phân bón và thuốc trừ sâu chỉ cho những cây trồng mà thực sự cần chúng nhằm đảm bảo tính sinh lời, tính bền vững và bảo vệ môi trường Toàn bộ việc giám sát, phân tích và ra quyết định này đều được thực hiện tức thời theo thời gian thực Với nông nghiệp thông minh, mọi nhu cầu cho vụ mùa dường như được hiện lên rõ ràng và trở thành kim chỉ nam điều phối mọi hoạt động cho trang trại Việc này khiến cho chi phí quản lý trang trại luôn nằm ở mức tối ưu, trong khi chỉ sử dụng tài nguyên vừa đủ cho nhu cầu của cây trồng, vật nuôi

tại bất kỳ điều kiện nào Với việc được đáp ứng theo đúng nhu cầu, không dư cũng không thiếu, nhiều nghiên cứu khoa học đã chỉ ra cây trồng, vật nuôi có điều kiện phát huy tối đa năng suất của mình

Hình 1.18: Mô hình nông nghiệp thông minh

Nông nghiệp thông minh là một trong những công nghệ có thể giúp cung cấp lương thực nuôi sống dân số thế giới dự kiến sẽ lên tới xấp xỉ 10 tỉ người vào năm 2050 Nếu nông dân có thể tưới tiêu chỉ khi nào cần thiết và tránh việc lạm dụng thuốc trừ sâu, họ sẽ có thể tiết kiệm được chi phí và nâng cao sản lượng

1.5.7 Giải pháp đo lường tự động

Giải pháp đo lường tự động AMR (Automatic Meter Reading) đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới Hình 1.14 giới thiệu về các thành phần cấu thành nên hạ tầng đo lường tự động AMR Trong hạ tầng đo lường tự động AMR, các thiết bị đo điện, nước, gas được triển khai tại các hộ gia đình và gửi dữ liệu về máy chủ thông qua các mạng truyền dẫn dữ liệu

Hình 1.19: Các thành phần cấu thành nên hạ tầng đo lường tự động AMR

Hạ tầng đo lường tự động AMR được định nghĩa bao gồm các thành phần phần cứng, phần mềm truyền thông, hệ thống liên kết và phần mềm quản lý dữ liệu

Các thành phần này được kết nối tạo thành mạng giữa các thiết bị đo và các hệ

thống tiện ích kinh doanh cho phép thu thập và phân phối thông tin cho khách hàng và các bên tham gia Dữ liệu thiết bị đo được gửi tới hệ thống quản lý dữ liệu thiết bị đo MDMS (Meter Data Management System) Hệ thống MDMS có nhiệm vụ quản lý dữ liệu được lưu trữ và phân tích dữ liệu nhằm cung cấp thông tin hữu ích cho các tiện ích khách hàng

Hình 1.20: Mô hình hệ thống đọc đồng hồ nước tự động cho các tòa nhà Hình 1.20 là mô hình hệ thống đọc đồng hồ nước tự động thông minh Các thiết bị đọc đồng hồ nước tự động được gắn trên các đồng hồ nước hiện tại và gửi dữ liệu về lượng nước tiêu thụ đến trạm trung chuyển (Gateway) qua chuẩn truyền thông không dây Lora Gateway có nhiệm vụ thu thập và gửi dữ liệu về Server theo giao thức MQTT bằng sóng vô tuyến dạng 3G/4G hoặc wifi hoặc dây mạng LAN Phần mềm ứng dụng trên Server có chức năng quản lý thiết bị đồng hồ nước, thu thập dữ liệu từ các đồng hồ nước và cung cấp các tiện ích cho người dùng

Thiết bị đọc đồng hồ nước tự động sử dụng công nghệ nhận dạng ký tự quang học OCR (Optical Character Recognition) để chuyển ảnh chụp về lượng nước tiêu thụ thành các ký tự rồi gửi về trạm trung chuyển bằng sóng vô tuyến và từ đó chuyển tiếp dữ liệu đến Server Thiết bị gồm hai thành phần chính:

 Phần đọc chỉ số thông minh sử dụng công nghệ OCR bao gồm: Camera khối loại nhỏ đã gồm thấu kính để chụp ảnh về lượng nước tiêu thụ; bộ vi điều khiển trung tâm loại tiêu thụ năng lương thấp để kích hoạt camera chụp ảnh và tắt camera để tiết kiệm năng lượng, sau đó nhận và xử lý ảnh từ camera