[Kiến trúc và giao thức IoT] Tìm hiểu mô hình ứng dụng IoT trong nhà

Báo cáo bài tập lớn mô hình ứng dụng IoT trong nhà. Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc cách mạng về công nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi cuộc sống của con người từng ngày từng giờ, theo hướng hiện đại hơn. Trong khoảng 5 năm trở lại đây chúng ta thường xuyên được nghe trên báo đài về cuộc cách mạng 4.0, cùng với đó là công nghệ vạn vật kết nối IOT (Internet of things). Với IOT người dùng có thể kiểm soát, điều khiển các thiết bị của mình như: cửa sổ, TV, đèn, quạt… thông qua một chiếc điện thoại, máy tính…Nó đem lại sự tiện lợi cho cuộc sống hiện đại của chúng ta.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNGKHOA VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

BỘ MÔN: KIẾN TRÚC VÀ GIAO THỨC IOT CHỦ ĐỀ 1: TÌM HIỂU MÔ HÌNH ỨNG DỤNG IOT TRONG NHÀ

Giảng viên: Nguyễn Thị Thu NgaNhóm lớp: 03

Nhóm bài tập lớn: 05Thành viên: 03

Hà Nội, Tháng 3 năm 2023

Hình 1.2 Theo dõi lộ trình của xe đi chở hàng

Hình 1.3 Theo dõi tình trạng sinh trưởng của cây trồng Hình 1.4 Ví dụ về nhà thông minh

Hình 2.1 Giao diện phần mềm Packet Tracer

Hình 2.2 Tab giao diện dòng lệnh của Cisco Packet Tracer Hình 2.3: Tab cấu hình Cisco Packet Tracer

Hình 2.4 Các “End Device” trong Packet Tracer Hình 2.5 Các “Component” trong Packet Tracer Hình 3.1 Biểu tượng giao thức KNX Hình 3.2 Biểu tượng giao thức Thread Hình 3.3 Biểu tượng giao thức Wifi Hình 3.4 Biểu tượng giao thức Bluetooth Hình 3.5 Biểu tượng giao thức Zigbee Hình 3.6 Biểu tượng giao

2 Mục tiêu của đề tài 4

Chương I Tổng quan về IoT 5

1.1 Giới thiệu 5

1.2 Định nghĩa 5

1.3 Ứng dụng 6

1.3.1 Ứng dụng trong giao thông vận tải 6

1.3.2 Ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp 7

1.3.3 Ứng dụng trong nhà thông minh 7

1.3.4 Ứng dụng trong ngành công nghiệp oto 8

Chương II TÌM HIỂU VỀ CISCO PACKET TRACER 9

2.1 Giới thiệu về Cisco Packet Tracer 9

2.2 Cấu hình thiết bị 9

2.3 Các giao thức hỗ trợ và các thiết bị IoT trong Cisco Packet Tracer 10

2.3.1 Các giao thức 10

Chương III NHÀ THÔNG MINH 13

3.1 Định nghĩa nhà thông minh 13

3.1.1 Các giao thức trong nhà thông minh 13

3.1.1a Giao thức mạng kết nối 14

3.1.1b Giao thức truyền dữ liệu 15

3.2 Kiến trúc nhà thông minh 16

3.2.1 Thiết bị 16

3.2.2 trạm kết nối 16

3.2.3 Hạ tầng mạng và bộ phân tích xử lý dữ liệu 17

Chương IV CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH 19

Kết luận, hướng phát triển 19

Lời cảm ơn 25

LỜI MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài.

Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc cách mạng về công nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi cuộc sống của con người từng ngày từng giờ, theo hướng hiện đại hơn Trong khoảng 5 năm trở lại đây chúng ta thường xuyên được nghe trên báo đài về cuộc cách mạng 4.0, cùng với đó là công nghệ vạn vật kết nối IOT (Internet of things) Với IOT người dùng có thể kiểm soát, điều khiển các thiết bị của mình như: cửa sổ, TV, đèn, quạt… thông qua một chiếc điện thoại, máy tính…Nó đem lại sự tiện lợi cho cuộc sống hiện đại của chúng ta.

Mục tiêu của đề tài

 Hiểu về mô hình ứng dụng công nghệ IOT trong nhà thông minh  Rèn luyện kỹ năng làm việc nhóm, thuyết trình

 Kỹ năng làm báo cáo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT1.1 Giới thiệu

Trong ngành Công nghệ thông tin, IoT - Internet of things là thuật ngữ được

nhắc đến rất nhiều trong các diễn đàn công nghệ trong những năm gần đây Trongnhững bộ phim khoa học viễn tưởng, chúng ta thường nhìn thấy viễn cảnh công nghệtrở thành yếu tố chính hỗ trợ cuộc sống của con người Hiện nay, đó không còn làviễn tưởng nữa Công nghệ thực sự đang đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong quá

trình phát triển của thế giới Ngày nay, Internet vạn vật (IoT) là một trong nhữngcông nghệ phổ biến nhất với một tương lai đầy hứa hẹn IoT đang thay đổi thế giới

không phải một câu nói vô căn cứ.

Hình 1.1 IOT-Internet of things

Trong vài năm qua, IoT đã trở thành một trong những công nghệ quan trọng nhất của thế kỷ 21 Giờ đây, chúng ta có thể kết nối các đồ vật hàng ngày - thiết bị nhà bếp, ô tô, máy điều nhiệt, màn hình trẻ em - với internet thông qua các thiết bị nhúng, có thể giao tiếp liền mạch giữa mọi người, quy trình và mọi thứ Bằng công nghệ điện toán chi phí thấp, đám mây, dữ liệu lớn, phân tích và di động, những thứ vật lý có thể chia sẻ và thu thập dữ liệu với sự can thiệp tối thiểu của con người Trong thế giới siêu kết nối này, các hệ thống kỹ thuật số có thể ghi lại, giám sát và điều chỉnh từng tương tác giữa những thứ được kết nối Thế giới vật chất gặp gỡ thế giới kỹ thuật số - và họ hợp tác.

1.2 Định nghĩa

Internet of Things (IoT) là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối Đây là một viễn cảnh trong đó mọi vật, mọi con vật hoặc con người được cung cấp các định danh và khả năng tự động truyền tải dữ liệu qua một mạng lưới mà không cần sự tương tác giữa con người-với-con người hoặc con người-với-máy tính IoT tiến hoá từ sự hội tụ của các công nghệ không dây, hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) và Internet Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999 Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT

"Thing" - sự vật - trong Internet of Things, có thể là một trang trại động vật với bộ tiếp sóng chip sinh học, một chiếc xe ô tô tích hợp các cảm biến để cảnh báo lái xe khi lốp quá non, hoặc bất kỳ đồ vật nào do tự nhiên sinh ra hoặc do con người sản xuất ra mà có thể được gán với một địa chỉ IP và được cung cấp khả năng truyền tải dữ liệu qua mạng lưới IoT phải có 2 thuộc tính: một là đó phải là một ứng dụng internet Hai là, nó phải lấy được thông tin của vật chủ Một ví dụ điển hình cho IoT là tủ lạnh thông minh, nó có thể là một chiếc tủ lạnh bình thường nhưng có gắn thêm các cảm biến bên trong giúp kiểm tra được số lượng các loại thực phẩm có trong tủ lạnh, cảm biến nhiệt độ, cảm biến phát hiện mở cửa… và các thông tin này được đưa lên internet Với một danh mục thực phẩm được thiết lập trước bởi người dùng, khi mà một trong các loại thực phẩm đó sắp hết thì nó sẽ thông báo ngay cho chủ nhân nó biết rằng cần phải bổ sung gấp, thậm chí nếu các loại sản phẩm được gắn mã ID thì nó sẽ tự động trực tiếp gửi thông báo cần nhập hàng đến siêu thị và nhân viên siêu thị sẽ gửi loại thực phẩm đó đến tận nhà.

1.3 Ứng dụng

Với những hiệu quả thông minh rất thiết thực mà IoT đem đến cho con người, IoT đã và đang được tích hợp trên khắp mọi thứ, mọi nơi xung quanh thế giới mà con người đang sống Từ chíp vòng đeo tay, những đồ gia dụng trong nhà, những mảnh vườn đang ươm hạt giống, cho đến những sinh vật sống như động vật hay con người… đều có sử dụng giải pháp IoT.

1.3.1 Ứng dụng trong lĩnh vực giao thông vận tải

Ứng dụng điển hình nhất trong lĩnh vực này là gắn chíp lấy tọa độ GPS lên xe chở hàng, nhằm kiểm soát lộ trình, tốc độ, thời gian đi đến của các xe chở hàng Ứng dụng này giúp quản lý tốt khâu vận chuyển, có những xử lý kịp thời khi xe đi không đúng lộ trình hoạt bị hỏng hóc trên những lộ trình mà ở đó mạng di động không phủ sóng tới được, kiểm soát được lượng nhiên liệu tiêu hao ứng với lộ trình đã được vạch trước…

Hình 1.2 Theo dõi lộ trình của xe đi chở hàng

1.3.2 Ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp

Quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng trải qua nhiều giai đoạn từ hạt nảy mầm đến ra hoa kết trái Ở mỗi giai đoạn cần có sự chăm sóc khác nhau về chất dinh dưỡng cũng như chế độ tưới tiêu phù hợp Những yêu cầu này đòi hỏi sự bền bỉ và siêng năng của người nông dân từ ngày này sang ngày khác làm cho họ phải vất vả Nhưng nhờ vào ứng dụng khoa học kỹ thuật, sử dụng cảm biến để lấy thông số nhiệt độ, độ ẩm, độ pH của đất trồng, cùng với bảng dữ liệu về quy trình sinh trưởng của loại cây đó, hệ thống sẽ tự động tưới tiêu bón lót cho cây trồng phù hợp với từng giai đoạn phát triển của cây trồng Người nông dân bây giờ chỉ kiểm tra, quan sát sự vận hành của hệ thống chăm sóc cây trồng trên một màn hình máy tính có nối mạng

Hình 1.3 Theo dõi tình trạng sinh trưởng của cây trồng

Sản phẩm của mỗi loại nông sản sẽ được gắn mã ID, nếu tủ lạnh nhà chúng ta sắp hết một loại nông sản nào đó thì ngay lập tức nó sẽ tự động gửi thông báo cần mua đến cơ sở dữ liệu của trang trại có trồng loại nông sản đó, và chỉ sau một thời gian nông sản mà bạn cần sẽ được nhân viên đem đến tận nhà.

1.3.3 Ứng dụng trong nhà thông minh

Vài năm trở lại đây, khi thế giới đang dần tiến vào kỷ nguyên Internet of Things, kết nối mọi vật qua Internet, nhà thông minh trở thành một xu hướng công nghệ tất yếu, là tiêu chuẩn của nhà ở hiện đại Trong căn hộ thông minh, tất cả các thiết bị từ rèm cửa, điều hoà, dàn âm thanh, hệ thống ánh sáng, hệ thống an ninh, thiết bị nhà tắm… được kết nối với nhau và hoạt động hoàn toàn tự động theo kịch bản lập trình sẵn, đáp ứng đúng nhu cầu sử dụng của khách hàng.

Hình 1.4 Ví dụ về nhà thông minh

Ví dụ, vào buổi sáng, đèn tắt, rèm cửa tự động chuyển tới vị trí thích hợp để giảm bớt những tác động náo nhiệt từ đường phố và nhường không gian cho ánh sáng tự nhiên Tối đến, hệ thống đèn bật sáng, các rèm cửa kéo lên người dùng có thể thưởng ngoạn từ trên cao bức tranh thành phố rực rỡ ánh đèn, đồng thời âm nhạc cũng nhẹ nhàng cất lên các giai điệu yêu thích của gia đình Nếu có việc cả nhà phải đi vắng, chế độ "Ra khỏi nhà" sẽ được kích hoạt, toàn bộ thiết bị điện tử gia dụng sẽ tự động tắt hoặc đóng lại và khi chủ nhân về, chúng cũng sẽ khôi phục lại trạng thái trước đó Thậm chí, nước nóng cũng đã sẵn sàng từ vài phút trước khi gia chủ về đến cửa Riêng hệ thống an ninh luôn hoạt động 24/24 và sẽ thông báo đến chủ nhà mọi thay đổi "đáng ngờ" trong ngôi nhà, dù đang ở bất cứ đâu.

1.3.4 Ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô

Ngành công nghiệp ô tô đang nhận ra những lợi thế đáng kể từ việc sử dụng các ứng dụng IoT Ngoài những lợi ích của việc áp dụng IoT vào dây chuyền sản xuất, cảm biến có thể phát hiện thiết bị sắp xảy ra hỏng hóc ở các phương tiện đang lưu thông trên đường và có thể cảnh báo người lái xe với các chi tiết và khuyến nghị Nhờ thông tin tổng hợp được thu thập bởi các ứng dụng dựa trên IoT, các nhà sản xuất và nhà cung cấp ô tô có thể tìm hiểu thêm về cách giữ cho ô tô hoạt động và thông báo cho chủ sở hữu ô tô.

loại ứng dụng này không chỉ giúp mọi người hiểu rõ hơn về sức khỏe của chính mình mà còn cho phép các bác sĩ theo dõi bệnh nhân từ xa.

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ CISCO PACKET TRACER2.1 Giới thiệu về Cisco Packet Tracer

Packet Tracer là một phần mềm giả lập mạng sử dụng các thiết bị mạng (router/switch) của Cisco Phần mềm này có thể chạy trên cả Linux và Windows, cho phép người dùng tạo cấu trúc liên kết mạng và mô phỏng giả lập các mạng máy tính hiện đại.

Bộ theo dõi gói của Cisco cung cấp cho người dùng / sinh viên thiết kế và mô phỏng một mạng bằng cách sử dụng ảo các thiết bị như trung tâm, bộ định tuyến, bộ chuyển mạch, vvv Trong trình theo dõi gói Cisco, mô phỏng hoạt động mà không cần có bất kỳ mạng vật lý nào.

Hình 2.1 Giao diện phần mềm Packet Tracer

Packet Tracer cho phép thiết kế những mạng lớn và phức tạp mà không cần tốn bất cứ chi phí phần cứng nào, có thể kể đến một số tính năng chính như:

- Logical Workspace (Vùng làm việc Logic): Có thể tạo được nhiều kiểu mạng

như Bus, Star, Ring, Tree… Phần mềm sử dụng các thiết bị có sẵn hoặc có thể thêm các module nếu cần thiết Ngoài ra còn có thể sử dụng các router, hub, switch, wireless access point…Các thiết bị được kết nối theo nhiều cách khác nhau.

- Physical Workspaces (Vùng làm việc vật lý): Tính năng này cho biết các thiết bị

được đặt, tổ chức như thế nào trong một phòng hoặc trong hệ thống, … sau khi thiết kế ở mức logic… Physical Workspaces được chia làm 4 mức: Intercity, City, Building, and Wiring closet Trong đó: Intercity (liên thành phố) có thể có nhiều thành phố; City (thành phố) có thể có nhiều tòa nhà; Building mỗi tòa nhà có nhiều Wiring closet; Wiring closet là nơi các thiết bị đã được thiết kế ở mức logical.

- Realtime Mode (Chế độ chờ thời gian thực): Cho phép cấu hình router,

switch, … sử dụng các câu lệnh như ping, show, … Đồng thời kiểm tra các thiết bị khi di chuột đế một đối tượng nào đó.

- Simulation Mode (Chế độ giả lập): Ở chế độ này có thể nhìn thấy mạng hoạt

động từng bước chậm, quan sát các tuyến đường mà gói tin đi và kiểm tra chúng hoạt động một cách chi tiết Cho biết được hành trình của các gói tin, sự hoạt động của mô ình OSI, chi tiết thành phần bên trong mỗi PDU, …

2.2 Cấu hình thiết bị

Cisco Packet Tracer cho phép chúng tôi định cấu hình thiết bị bằng hai tùy chọn: tab cấu hình hoặc tab CLI (giao diện dòng lệnh).

Với giao diện dòng lệnh, chúng ta cấu hình thiết bị bằng dòng lệnh cisco Các lợi thế của việc sử dụng giao diện dòng lệnh là, các lệnh chúng tôi sử dụng để cấu hình các thiết bị hầu như giống với lệnh mà chúng tôi sử dụng với các thiết bị thực Hình 2.2.1 thể hiện cấu hình bộ định tuyến sử dụng giao diện dòng lệnh (CLI).

Hình 2.2 Tab giao diện dòng lệnh của Cisco Packet Tracer

Tab cấu hình không yêu cầu bất kỳ kiến thức lệnh Cisco nào Cấu hình với cấu hình tab được thực hiện thông qua một giao diện đồ họa Phương pháp cấu hình này có thể được sử dụng trong tình huống mà người dùng không có đủ thời gian và muốn cấu hình thiết bị một cách nhanh chóng Cái này kỹ thuật có thể giúp chúng tôi tiết kiệm

thời gian trong quá trình cấu hình Hình 2.2.2 dưới đây thể hiện cấu hình bộ định tuyến với Tab cấu hình:

Hình 2.3 Tab cấu hình Cisco Packet Tracer

2.3 Các giao thức hỗ trợ và các thiết bị IoT trong Cisco Packet Tracer

2.3.1 Các giao thức hỗ trợ trong Cisco Packet Tracer

Cisco Packet Tracer hỗ trợ nhiều giao thức khác nhau theo từng lớp:

FTP, SMTP, POP3, HTTP, TFTP, Telnet, SSH, DNS, DHCP, NTP, SNMP, AAA, ISR VOIP, SCCP config and call ISR command support, Call Manager Express, BGP, EIGRP

Transport TCP& UDP, TCP Nagle Algorithm & Fragmentation, RTP

IPv4, ICMP, ARP, IPv6, ICMPv6, IPSec, RIPv1/v2/ng, Multu-Area OSPF, Static Routing, Route Redistribution, Multilayer Switching, L3 QoS, NAT, CBAL, Zone-based policy firewall and Intrusion Protection System on the ISR, GRE VPN, IPSee VPN

Network Access/ Interface Interface Ethernet (802.3), 802.11, HDLC, Frame Relay, PPP, PPPoE, STP, RSTP, VTP, DTP, CDP, 802.1q, PagP,

L2 QoS, SLARP, Simple WEP, WPA, EAP

Trong đó, Packet Tracer hỗ trợ một số giao thức IOT như: MQTT, HTTP, DDS, TCP, UDP, Ipv4, Ipv6, Ethernet, Wifi Tuy nhiên, Packet Tracer không hỗ trợ một số giao thức đặc trưng cho các thiết bị IoT như CoAP, và Zigbee.

2.3.2: Các thiết bị IoT

Packet tracer bao gồm các tính năng mới giúp thực hiện mô phỏng IoT Các tính năng mới đó là thiết bị thông minh, cảm biến, thiết bị truyền động và vi điều kiển Smart Things là các đối tượng vật lý có thể kết nối với server hoặc home gateway thông qua giao diện mạng Chúng được chia thành 4 danh mục con: Home (nhà), City (thành phố), Industrial (công nghiệp) và Power Grid (nguồn điện).

Hình 2.4 Các “End Device” trong Packet Tracer

Các phần tử - component chia thành 3 loại:

+ Boards: bộ vi điều khiển (MCU-PT), máy tính bảng đơn (SBC-PT) và một thiết bị đặc biệt có tên là Thing được sử dụng để tạo các vật thể vật lý độc lập như máy pha cà phê hoặc thiết bị báo khói.

+ Actuators (Bộ truyền động): các thành phần này điều khiển môi trường, chính chúng hoặc khu vực xung quanh chúng.

+ Sensors (Cảm biến): các thành phần này cảm nhận Môi trường (máy dò ảnh, cảm biến nhiệt độ), khu vực xung quanh chúng (RFID, cảm biến kim loại) hoặc tương tác (chiết áp, nút ấn).

Hình 2.5 Các “Component” trong Packet Tracer

Điều quan trọng là tất cả các thiết bị đều có thể lập trình được sử dụng các ngôn ngữ lập trình khác nhau như Python, Javascript và Blocky Ngoài ra, tất cả chúng có thể được kết nối thông qua cáp có dây hoặc thông qua không dây thông qua các giao thức được hỗ trợ Các thiết bị IoT trong Cisco Packet Tracer có thể được sử dụng để xây dựng và mô phỏng ứng dụng IoT khác nhau như nhà thông minh, nhà máy thông minh, thành phố thông minh…

CHƯƠNG 3: NHÀ THÔNG MINH3.1 Định nghĩa nhà thông minh

Nhà thông minh: là ngôi nhà mà chủ nhân của nó có khả năng điều khiển các hệ thống chiếu sáng, hệ thống an ninh, hệ thống quan sát, hệ thông đa phương tiện, giải trí như: đèn, quạt, camera, tivi, máy lạnh, cửa sổ, cửa ra vào… ở mọi nơi, mọi thời điểm.

3.2 Mô hình nhà thông minh

Những thiết bị trong nhà được kết nối chung vào mạng và có thể điều khiển, kiểm soát từ điện thoại máy tính Chủ của ngôi nhà có thể quản lý, ra lệnh cho các thiết bị thông minh chỉ với vài cú bấm click Thành phần chủ chốt của một ngôi nhà thông minh đó chính là các cảm biến Dựa vào các tín hiệu từ cảm biến, những bộ phận điều khiển có thể phân tích tín hiệu và đưa ra quyết định nhằm điều khiển các hệ thống của ngôi nhà, mà từ đó có thể đem tới cho con người điều kiện, môi trường sống tiện nghi, an toàn, tiết kiệm năng lượng nhất có thể Chủ ngôi nhà chỉ cần có một chiếc smartphone, máy tính được kết nối internet có thể tương tác với chính ngôi nhà của mình và giám sát mọi hoạt động cho dù đã ra khỏi nhà Bạn có thể biết được ngay khi ngôi nhà của mình có người lạ đột nhập hay không nhờ cảm biến chuyện động và camera Chúng sẽ lập tức gửi cảnh báo tới điện thoại của bạn nếu có người lạ đột nhập Hay các cảm biến nhiệt độ, cảm biến khói có thể biết được đang có sự cố cháy nổi trong ngôi nhà của bạn, và ngay lập lức phát đi cảnh báo ra chuông báo cháy hay gửi tín hiệu về điện thoại của bạn Đó chính là tính thông minh của một ngôi nhà thông minh.

3.2.1 Các giao thức trong nhà thông minh

3.2.1.a Giao thức mạng kết nối

KNX: là một trong những giao thức phổ biến nhất cho tự động hóa ánh sáng và

tòa nhà KNX là một giao thức mở đã tồn tại trong nhiều thập kỷ Nó hoạt động trên nhiều lớp vật lý (dây xoắn đôi, đường dây điện, hồng ngoại, ethernet và RF Điều làm cho nó nổi bật là mỗi thiết bị trong hệ thống KNX tự nó thông minh và không dựa vào các bộ phận khác để hoạt động.

Hình 3.1 Biểu tượng giao thức KNX

Thread: là một giao thức truyền thông không dây mới được thiết kế và phát

triển bởi một nhóm công ty, trong số đó có Samsung, Nest, OSRAM và QUALCOMM Đó là một giao thức mạng lưới được cung cấp năng lượng thấp (được thiết kế cho các thiết bị chạy bằng pin) cho các sản phẩm IoT Nó hoạt động bằng cách sử dụng tiêu chuẩn dựa trên IP an toàn giúp dễ dàng thay đổi và thêm thiết bị Điểm đặc biệt của nó là các thiết bị có thể giao tiếp với nhau ngay cả khi một số thiết bị định tuyến lưu