1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan cuốn luận văn này do chính tôi nghiên cứu. Hệ thống phần
cứng và chương trình phần mềm do tôi thiết kế và xây dựng. Các thông tin số liệu
trong luận văn là hoàn toàn trung thực, chính xác và có nguồn gốc rõ ràng. Trong
quá trình nghiên cứu tôi có tham khảo mốt số tài liệu, và bài báo có trong danh
mục tài liệu tham khảo được liệt kê cuối luận văn.
Học viên
NGUYỄN VĂN CƯỜNG
2
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG M2M ............ 8
1.1 Cơ sở lý thuyết .................................................................................................. 8
1.2 Ý tưởng thiết kế: ............................................................................................... 9
1.3 Thông số kỹ thuật của hệ thống: ....................................................................... 9
1.4 Khái niệm về truyền thông M2M ...................................................................10
1.5 Kiến trúc truyền thông M2M ..........................................................................12
1.5.1 Vì sao phải đưa ra kiến trúc truyền thông M2M ......................................12
1.5.2 Yêu cầu của kiến trúc truyền thông M2M ................................................13
1.5.3 Kiến trúc truyền thông M2M ....................................................................16
1.6 Một số ứng dụng của truyền thông M2M .......................................................31
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ HỆ THÔNG ............................................34
2.1 Mục tiêu đề ra .................................................................................................34
2.2 Yêu cầu đối với hệ thống: ...............................................................................35
2.3 Mô hình hoạt động của truyền thông M2M ....................................................35
2.4 Giải pháp công nghệ cho truyền thông M2M .................................................36
2.5 Một số phương thức kết nối ............................................................................37
2.5.1 Công nghệ truyền thông ZigBee. ..............................................................38
2.5.2 Công nghệ truyền thông không dây WiFi ................................................40
2.5.3 Công nghệ truyền thông không dây Bluetooth ........................................43
2. 6 Sơ đồ khối và thiết kế hệ thống .....................................................................45
2.6.1 Khối thu thập dữ liệu ................................................................................46
2.6.2 Khối máy chủ dữ liệu ...............................................................................50
2.7 Tạo Websever và Website hiển thị .................................................................50
2.7.1 Tạo Websever Thingspeak .......................................................................50
3
2.7.2 Tạo Website hiển thị dữ liệu .....................................................................53
CHƯƠNG 3: THỰC THI THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ .......................55
3.1 Thực thi các khối thu thập dữ liệu ..................................................................55
3.1.1 Khối cảm biến nhiệt độ ............................................................................55
3.1.2 Khối cảm biến độ ẩm ................................................................................57
3.1.3 Khối cảm biến ánh sáng ............................................................................60
3.2 Quá trình thực hiện ........................................................................................61
3.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch thu thập dữ liệu cảm biến ...................................61
3.2.2 Thiết lập mạng cho Arduino .....................................................................63
3.2.3 Truyền thông Internet ...............................................................................64
3.3 Mô hình thực nghiệm giám sát và điều khiển thông số nhiệt độ, độ ẩm và ánh
sáng sử dụng truyền thông M2M ..........................................................................65
3.4 Kết luận ...........................................................................................................67
3.5 Hướng phát triển .............................................................................................68
4
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1: Ý tưởng thiết kế ............................................................................................ 9
Hình 2: Mối quan hệ giữa M2M và IoT [1] .............................................................11
Hình 3: Cấu trúc truyền thông M2M [3] ..................................................................16
Hình 4: Hoạt động của giao thức HTTP[4] ...........................................................19
Hình 5: Cấu trúc đơn giản của một ứng dụng web và vị trí của giao thức HTTP[4]
..................................................................................................................................20
Hình 6: Cấu trúc gói tin trong giao thức truyền thông HTTP[5] .............................21
Hình 7: Quá trình đóng gói dữ liệu của giao thức HTTP[6]....................................22
Hình 8: Cấu trúc gói tin trong giao thức truyền thông MQTT [7] ..........................25
Hình 9: Nguyên lý hoạt động của giao thức truyền thông MQTT ..........................26
Hình 10: Cấu trúc gói tin trong giao thức truyền thông CoAP[9] ...........................28
Hình 11: Kiến trúc truyền thông M2M cho ứng dụng chăm sóc sức khỏe[10] .......32
Hình 12: Mô hình hoạt động của truyền thông M2M ..............................................35
Hình 13: Giải pháp công nghệ cho truyền thông M2M ...........................................37
Hình 14: Phương thức kết nối giữa thiết bị và Internet[11] ....................................38
Hình 15: Sơ đồ khối hệ thống ..................................................................................45
Hình 16: Hình ảnh thực tế của vi xử lý Arduino UNO ............................................46
Hình 17: Sơ đồ khối chức năng các ngõ vào ra của Arduino UNO ........................48
Hình 18: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến nhiệt độ dùng LM35 .............................55
Hình 19: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến nhiệt độ dùng DS18B20 .......................56
Hình 20: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến độ ẩm đất LM393 .................................58
Hình 21: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của LM393 ....................................................59
Hình 22: Sơ đồ nguyên lý của mạch cảm biến ánh sáng .........................................60
Hình 23: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống ...................................................................62
5
Hình 24: Sơ đồ mạch in ...........................................................................................62
Hình 25: Hình ảnh thực tế của sản phẩm .................................................................63
Hình 26: Truyền thông lên Internet .........................................................................64
Hình 27: Mô hình thực nghiệm cho vườn ươn cây chè ...........................................65
Hình 28: Kết quả hiển thị trên Thinkspeak.com ......................................................66
6
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Ngô Vũ Đức, người thầy
đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm khóa luận. Tôi cũng xin gửi lời cảm
ơn tới các Thầy, Cô trong viện, người đã hướng dẫn em trong giai đoạn chuẩn bị
nhận đề tài.
Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới thầy, cô trong Trường Đại Học Bách Khoa
Hà Nội. Thầy, cô đã dìu dắt, truyền lại cho chúng tôi không chỉ những kiến thức
chuyên ngành mà còn dạy bảo chúng em đạo làm người, rèn luyện cho chúng em
nghị lực, khát vọng vươn lên, phát huy khả năng tư duy sáng tạo trong mọi lĩnh
vực.
Cuối cùng, tôi xin được cảm ơn gia đình, bạn bè, những người thân yêu nhất
của tôi. Mọi người luôn ở bên cạnh tôi, động viên, khuyến khích tôi vươn lên trong
cuộc sống.
Hà Nội, tháng 8 năm 2016
Nguyễn Văn Cường
7
MỞ ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự bùng nổ, phát triển mạnh mẽ của Internet cũng như của các
thiết bị di động cá nhân như: laptop, smartphone, tablet,…, thì nhu cầu kết nối giữa
các thiết bị này (hay truyền thông M2M) cũng ngày càng đòi hỏi cao hơn về tốc
độ. Truyền thông M2M là một trong những công nghệ vượt trội đáp ứng nhu cầu
kết nối đó nhờ khả năng hoạt động không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng cố
định, với chi phí hoạt động thấp, triển khai nhanh và có tính di động cao. Tuy
nhiên, hiện nay truyền thông M2M vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi và đang được
thúc đẩy nghiên cứu nhằm cải tiến hơn nữa các giao thức truyền thông trên tầng
ứng dụng để đạt được hiệu quả hoạt động tốt hơn. Khóa luận nghiên cứu về nền
tảng cơ bản của truyền thông M2M sau đó đưa ra một hệ thống thực nghiệm dựa
trên nền tảng đó.
Đề tài luận văn được chia làm ba chương, mỗi chương được đề cập đến một
vấn đề trong luận văn.
Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông M2M.
Chương 2: Phân tích, thiết kế hệ thống.
Chương 3: Thực thi thiết kế hệ thống và kết quả
8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG
M2M
1.1 Cơ sở lý thuyết
Truyền thông từ máy đến máy hay còn gọi là truyền thông M2M (Machine to
Machine) ra đời từ chính những nhu cầu thiết yếu của ngành viễn thông mình như
dịch vụ chuyển mạch, giám sát từ xa các thiết bị hay thực hiện các phép đo đạt từ
xa. Ngày nay, truyền thông M2M sử dụng hệ thống mạng viễn thông kết hợp với
công nghệ máy tính để quản lý trực tiếp các thiết bị từ xa trong nhiều lĩnh vực khác
nhau. Thị trường này sẽ phát triển nhanh chóng bất chấp sự đa dạng về các hệ
thống phần mềm cũng như sự cạnh tranh từ rất nhiều nhà cung cấp thiết bị.
Một cách khái quát ta có thể định nghĩa rằng truyền thông M2M là sự kết hợp của
công nghệ thông tin và truyền thông với các thực thể giao tiếp thông minh nhằm để
cung cấp cho chúng khả năng tương tác lẫn nhau mà không cần sự can thiệp của
con người với hệ thống thông tin của một tổ chức hay một doanh nghiệp.
Một trong những áp dụng đầu tiên bên ngoài lĩnh vực viễn thông của truyền thông
M2M là dùng để gửi tín hiệu cảnh báo về các tổ chức quản lý những bảng quảng
cáo chiếu sáng quay. Đối với loại bảng quảng cáo này, thời gian hiển thị của những
tờ quảng cáo là như nhau và được thay đổi liên tục nhờ vào một hệ thống con lăn.
Mỗi khi con lăn gặp sự cố, một tin nhắn SMS (theo định dạng đã định trước, kèm
theo vị trí bảng quảng cáo) sẽ được gửi về bộ phận quản lý để kịp thời xử lý. Về
phần mình, người quản lý có một giám sát sự vận hành của tất cả các bảng quảng
cáo. Công nghệ được dùng, trong ví dụ này, là hệ thống truyền thông di động
GSM. Người ta lắp đặt một thiết bị đầu cuối di động GSM tại mỗi bảng quảng cáo
kèm với một cơ chế để gửi SMS khi cần thiết. Dần dần, sự ra đời của nhiều hệ
thống truyền thông mới đã mở đường cho việc dùng truyền thông M2M vào nhiều
mục đích, lĩnh vực khác nhau.
9
1.2 Ý tưởng thiết kế: Thiết kế một hệ thống có tính ứng dụng cao trong đời sống
hàng ngày như ứng dụng giám sát và điều khiển các thông số môi trường để giúp
cây trông phát triển tốt nhất.
Laptop
Máy chủ
dữ liệu
Subscribe
Subscribe
Publish: 21
0
C
Register
Publish: 21
0
C
Hình 1: Ý tưởng thiết kế
1.3 Thông số kỹ thuật của hệ thống: Yêu cầu hệ thống được đặc tả theo bảng sau
đây:
Tham số
Nội dung
Tên hệ thống
Thu thập và xử lý dữ liệu sử dụng công nghệ truyền
thông M2M
Số lượng nút cảm
biến
Hệ thống đang sử dụng 3 nút cảm biến ( cảm biến nhiệt
độ, cảm biến độ ẩm và cảm biến ánh sáng)
Giao thức sử dụng
trên tầng ứng dụng
HTTP
Thời gian đáp ứng
Time=15s
Phương thức truyền
thông
Truyền thông có dây theo chuẩn RJ45
Giao thức từ thiết bị
Sử dụng giao thức TCP
10
M2M đến Máy chủ
dữ liệu
Sử dụng Gateway
Hệ thống không sử dụng Gateway
Máy chủ dữ liệu
Sử dụng M2M platform Thingspeak.com
Bảng 1:Bảng yêu cầu hệ thống
1.4 Khái niệm về truyền thông M2M
Truyền thông M2M (Machine to machine) là sự kết hợp của công nghệ thông tin
và truyền thông với các thực thể giao tiếp thông minh nhằm để cung cấp cho
chúng khả năng tương tác lẫn nhau mà không cần sự can thiệp của con người với
hệ thống thông tin của một tổ chức hay một doanh nghiệp.
Mối liên hệ chặt chẽ giữa truyền thông M2M và IoT:
Về cơ bản, M2M kết nối tất cả các loại thiết bị và máy móc trên hệ thống mạng, từ
đó chúng có thể giao tiếp với nhau thông qua máy chủ trung tâm hoặc dựa trên
đám mây doanh nghiệp sử hữu. Kết cấu của giao tiếp này là các hệ thống hoặc
trạng thái môi trường xung quanh có khả năng trao đổi, truyền tải dữ liệu đến cơ sở
hạ tầng kết nối Internet, tạo ra hiệu quả về thu thập dữ liệu, thay đổi phương thức
làm việc, từ đó có thể tiết kiệm chi phí cho doanh nghiệp.Bất cứ vật thể nào bạn
cũng có thể tích hợp hay gắn cảm biến kết nối, từ xe hơi, đèn đường cho đến tivi,
tủ lạnh và biến tất cả trở thành một “sự vật” trong Internet of Things. Tất cả thông
tin dữ liệu mà cảm biến kết nối có thể thu thập/truyền là vị trí, độ cao, tốc độ, nhiệt
độ, ánh sáng, chuyển động, độ ẩm, lượng đường trong máu cho đến chất lượng
không khí, độ ẩ của trái đất.