HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

LÊ TÙNG GIANG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG ỨNG DỤNG TRÊN NỀN TẢNG
NODE RED PHỤC VỤ NHÀ THÔNG MINH
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ:8.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGÔ ĐỨC THIỆN

HÀ NỘI-2021


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan: Luận văn tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu xây dựng ứng dụng trên nền
tảng Node RED phục vụ nhà thơng minh” là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi, các
số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác.
Tơi xin chịu mọi trách nhiệm về cơng trình nghiên cứu của riêng mình !
Tác giả luận văn


ii

LỜI CẢM ƠN

Học viên xin được gửi lời chân thành cảm ơn đến TS. Ngô Đức Thiện đã trực
tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình từ xây
dựng đề cương, xây dựng chương trình, đến hồn thiện nội dung luận văn “Nghiên cứu
xây dựng ứng dụng trên nền tảng Node RED phục vụ nhà thông minh”.
Xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong Khoa quốc tế và đào tạo sau đại
học, Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng, những nhà giáo đã truyền dạy cho tôi
những kiến thức quý báu trong suốt những năm học vừa qua.
Do thời gian hồn thành luận văn có hạn đồng thời dịch bệnh Coivd diễn biến
phức tạp, cho nên những suy nghĩ cũng như sự thể hiện ý tưởng trong luận văn không
tránh khỏi những khiếm khuyết. Học viên rất mong được sự động viên và đóng góp ý
kiến của các thầy cô giáo.
Xin chân thành cảm ơn!


iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................. ii
MỤC LỤC .................................................................................................................................iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................................ vii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH ........................................................... 3
1.1

Khái quát bối cảnh phát triển IoT ................................................................................ 3


1.1.1

Định nghĩa internet vạn vật (IoT) ......................................................................... 3

1.1.2

Hệ sinh thái IoT .................................................................................................... 5

1.1.3

Phát triển IoT ở Việt Nam .................................................................................. 10

1.2

Tình hình phát triển của nhà thơng minh ................................................................... 12

1.2.1

Lịch sử hình thành nhà thơng minh .................................................................... 13

1.2.2

Xu thế phát triển của nhà thông minh................................................................. 15

1.4

Giao thức wifi trong nhà thông minh ......................................................................... 24

1.4.1 Tổng quan về giao thức wifi .................................................................................... 24
1.4.2 Phát triển nhà thông minh theo giao thức wifi ........................................................ 26

1.5 Kết luận…………………………………………………………………………………27
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG NHÀ THƠNG MINH TRÊN NỀN
TẢNG NODE RED .................................................................................................................. 28
2.1

Tổng quan công nghệ Node RED .............................................................................. 28

2.1.1

Thiết lập môi trường Node RED ........................................................................ 31

2.1.2

Một số thao tác cơ bản trên Node RED .............................................................. 34

2.2

Tích hợp wifi trên nền tảng Node RED ..................................................................... 38

2.2.1

Giao thức MQTT ................................................................................................ 38

2.2.2

Thiết bị hỗ trợ giao tiếp wifi ESP8266 ............................................................... 40

2.3

Xây dựng mơ hình hệ thống nhà thơng minh ............................................................ 41


2.4 Kết luận .......................................................................................................................... 43
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM ............................................................. 44
3.1

Xây dựng phần cứng và lập trình firmware ............................................................... 44

3.1.1

Xây dựng phần cứng........................................................................................... 45


iv
3.1.2 Lập trình tầng firmware ........................................................................................... 50
3.2

Xây dựng ứng dụng nhà thông minh trên Node RED................................................ 51

3.3 Chạy thử nghiệm hệ thống.............................................................................................. 55
3.4 Kết luận………………………………………………………………………………...54
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 58


v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh


Tiếng Việt

AI

Artificial Intelligence

Trí tuệ nhân tạo

CPS

Cyber Physical System

Hệ thống vật lý ảo

IoT

Internet of Thing

Vạn vật kết nối

NanoTech

Nano technology

Công nghệ nano

BioTech

Bio technology


Công nghệ sinh học

CoAP

Constrained Applications

Giao thức ứng dụng có

Protocol

ràng buộc

MQTT

HTTP

Message Queue Telemetry Giao thức truyền nhận bản
Transport

tin xác thực

HyperText Transfer

Giao thức truyền siêu văn

Protocol

bản



vi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Một số mốc phát triển của internet vạn vật ................................................................ 5
Bảng 1.2: Một số mốc phát triển của nhà thông minh .............................................................. 15
Bảng 1.2: Các đơn vị phát triển nhà thông minh ...................................................................... 19
Bảng 3.1: Mô tả ngoại vi phần cứng Clover............................................................................. 47
Bảng 3.2: Mô tả thông tin kết nối phần cứng Clover ............................................................... 47
Bảng 3.3: Mô tả thông tin các cổng kết nối Clover .................................................................. 48


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Cơ chế hoạt động của hệ thống IoT ............................................................................ 4
Hình 1.2: Một số phần cứng thiết bị IoT .................................................................................... 6
Hình 1.3: Cấu tạo của phần mềm lớp thiết bị ............................................................................. 7
Hình 1.4: Cấu tạo của phần mềm lớp chuyển tiếp ...................................................................... 8
Hình 1.5: Cấu tạo của phần mềm lớp ứng dụng ......................................................................... 9
Hình 1.6: Trạm NB-IoT 5G của Viettel ................................................................................... 10
Hình 1.7: Hệ thống tưới nước tự động trong nhà kính của VinEco Đà Lạt ............................. 11
Hình 1.8: Màn hình điều khiển trung tâm nhà thơng minh Bkav ............................................. 12
Hình 1.9: Steve Jobs ra mắt chiếc iPhone đầu tiên năm 2007 .................................................. 13
Hình 1.10: Dự báo xu thế phát triển nhà thông minh tại Việt Nam ......................................... 16
Hình 1.11: Mơ hình căn hộ thơng minh tại Việt Nam .............................................................. 19
Hình 1.12: Mơ hình nhà phố thơng minh tại Việt Nam............................................................ 20
Hình 1.12: Mơ hình biệt thự thơng minh tại Việt Nam ............................................................ 21
Hình 1.13: Sơ đồ mô tả thiết bị thường tham gia vào mạng..................................................... 23

Hình 1.14: Một số giao thức khơng dây trong IoT ................................................................... 24
Hình 1.17: Các chuẩn wifi hiện hành ....................................................................................... 24
Hình 1.18: Nhà thơng minh kết nối qua wifi ............................................................................ 27
Hình 1.19: Một số giao thức trao đổi dữ liệu phổ biến............................................................. 28
Hình 2.1: Giao diện điều khiển nhà thơng minh trên Node RED ............................................. 29
Hình 2.2: Đồng bộ hóa dữ liệu bằng Node RED ...................................................................... 31
Hình 2.3: Cài đặt thành cơng gói Node RED ........................................................................... 32
Hình 2.4: Màn hình làm việc chính của Node RED ................................................................. 34
Hình 2.5: Cửa số làm việc của Node RED ............................................................................... 35
Hình 2.6: Tạo Flow trong Node RED ...................................................................................... 36
Hình 2.7: Cách xóa Flow trong Node RED .............................................................................. 36
Hình 2.8: Cửa sổ ghi chú thích của Node RED ........................................................................ 37
Hình 2.9: Ví trí thiết lập thư viện trong Node RED ................................................................. 38
Hình 2.10: Cách tạo Subflows trong Node RED ...................................................................... 38
Hình 2.11: Kiến trúc mức cao của giao thức MQTT................................................................ 40
Hình 2.12: Sơ đồ khối của chip wifi ESP8266 ......................................................................... 41
Hình 2.13: Mơ hình hệ thống nhà thơng minh ......................................................................... 42
Hình 3.1: Thiết kế phần cứng ESP12-ESP8266 ....................................................................... 45
Hình 3.2: Thiết kế phần cứng của kit Clover Alpha ................................................................. 46
Hình 3.3: Thiết bị kết nối 220VAC .......................................................................................... 48


viii
Hình 3.4: Cảm biến thu thập dữ liệu ánh sáng ......................................................................... 49
Hình 3.5: Cảm biến nhiệt độ độ ẩm .......................................................................................... 49
Hình 3.6: Kết nối phần cứng hồn thiện ................................................................................... 50
Hình 3.7: chu trình đọc ghi dữ liệu từ cảm biến ....................................................................... 50
Hình 3.8: Chu trình cập nhật dữ liệu lên MQTT server ........................................................... 51
Hình 3.9: Các node trong ứng dụng nhà thơng minh trên Node RED ..................................... 52
Hình 3.10: khai báo các trường của cảm biến ánh sáng ........................................................... 52

Hình 3.11: cấu hình các trường của biểu đồ hiển thị ................................................................ 53
Hình 3.12: Cấu hình nút điều khiển trong nhà thơng minh ...................................................... 54
Hình 3.13: Kết quả xây dựng ứng dụng điều khiển nhà thông minh ....................................... 55


1

MỞ ĐẦU
Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư đã tác động sâu rộng đến tất cả các lĩnh
vực trong đời sống xã hội, nếu đối với cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất, đã
biến xã hội từ đại bộ phận là nông thôn trở thành công nghiệp và đơ thị hóa. Đánh dấu
bằng sự có mặt của động cơ hơi nước đã làm thay đổi tồn bộ hình thái của các nghành
cơng nghiệp khi đó, đặc biệt là cơng nghiệp khai khống và dệt may. Ngày nay, thế giới
đã trải qua ba cuộc cách mạng như thế và đặt một chân vào cuộc cách mạng lần thứ tư,
các cơng nghệ điển hình để có thể minh chứng cho một quốc gia tham dự vào cuộc cách
mạng này chính là: trí thơng minh nhân tạo (Artificial Intelligence-AI), hệ thống vật lý
ảo (Cyber Physical System-CPS), công nghệ nano và công nghệ sinh học (Nano
technology and Bio technology-NanoTech, BioTech), Robotics, in 3D, xe tự lái, và
Internet vạnvật (Internet of Things-IoT)... Có thể thấy các nhóm cơng nghệ kể trên phủ
khắp các lĩnh vực nghiên cứu phức tạp nhất của giới khoa học. Đặc biệt với sự bùng nổ
của mạng internet tốc độ cao, thế giới khơng chỉ “phẳng ra” mà cịn “giao thoa” với
nhau, biểu hiện bằng sự kết nối của vạn vật. Mạng lưới vạn vật kết nối internet cho phép
thế giới ảo (các mạng ảo và mạng xã hội) có thể tích hợp ngữ nghĩa với thế giới thực và
tích hợp dữ liệu với các thiết bị IoT, đồng thời các thiết bị IoT có thể tích hợp sự vật
(trao đổi, tương tác) với thế giới thực.
Để tham gia vào các cơng nghệ có trong cuộc cách mạng cơng nghiệp lần thứ tư
có nhiều phân cấp với các mức độ phức tạp khác nhau, trong khi các nước phát triển có
thể tham gia vào các mặt của cách mạng 4.0 bởi nền tảng vững chắc từ các cuộc cách
mạng trước. Các cuộc gia đi đầu về công nghệ ở Châu Âu cũng như Hoa Kỳ, Trung
Quốc, Nga sẽ là những đầu tàu dẫn dắt xu thế phát triển. Tuy nhiên, có thể nhận thấy

việc tham gia nghiên cứu phát triển các thiết bị IoT là một lĩnh vực giàu tiềm năng, đặc
biệt là các thiết bị IoT liên quan mật thiết đến dân dụng, trong đó khơng thể khơng nhắc
tới nhà thơng minh (SmartHome). Trải qua q trình phát triển lâu dài của việc áp dụng
triệt để tự động hóa trong các hệ thống nhà máy cơng nghiệp, đến nay càng có nhiều
những thiết bị, hệ thống được áp dụng vào trong mơi trường sống hàng ngày. Bên cạnh
đó, nhu cầu nâng cao chất lượng sống và tự động hóa các thiết bị gia dụng trong nhà
cũng như liên kết chúng thành một thể thống nhất là kết quả tất yếu của một xã hội phát
triển. Đặc biệt, khi cơ sở dữ liệu đã trở thành một loại tài nguyên cần phải làm chủ và
bảo vệ một cách nghiêm túc thì việc làm chủ các cơng nghệ gắn liền với dân dụng là
cực kì cần thiết. Ở nước ta, kinh tế đang ngày càng phát triển và đang trở thành top đầu
trong khu vực Đông Nam Á, những thành phố lớn như Hà Nội, Thành Phố Hồ Chí Minh,
Đã Nẵng… có quy mơ dân số và bình qn thu nhập đầu người cao, nhu cầu sử dụng
các tiện ích dân dụng nói chung và của nhà thơng minh nói riêng hay thậm chí thành
phố thơng minh (SmartCity) là rất lớn.
Chính vì những yếu tố kể trên, học viên đã quyết định lựa chọn đề tài "Nghiên
cứu xây dựng ứng dụng trên nền tảng Node RED phục vụ nhà thông minh". Sau quá


2

trình tìm hiểu và nghiên cứu cũng như thực hiện các thử nghiệm nhất định, học viên đã
xây dựng luận văn với kết cấu gồm 3 phần chính như sau:
Chương 1: Tổng quan về nhà thông minh
Chương 2: Xây dựng mơ hình hệ thống nhà thơng minh trên nền tảng Node
Red
Chương 3: Thiết kế chế tạo thử nghiệm
Do hạn chế về kiến thức của bản thân cũng như thời gian nghiên cứu, trong luận
văn không thể tránh khỏi những điểm thiết xót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến
của Thầy Cô giáo cũng như các bạn Học viên quan tâm đến đề tài để luận văn được hoàn
thiện hơn.



3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH
Chương 1 của luận văn gồm các phần sau. Phần đầu trình bày về bối cảnh phát
triển IoT, phần tiếp theo trình bày lịch sử và xu thế phát triển của nhà thông minh. Tiếp
theo của chương sẽ giới thiệu một số giao thức truyền thông không dây phổ biến, phần
cuối của chương sẽ nghiên cứu giao thức wifi áp dụng cho nhà thông minh.

1.1 Khái quát bối cảnh phát triển IoT
Viện tư vấn quản lý toàn cầu của Mckinsey đưa ra dự đốn sẽ có 75 tỷ thiết bị
IoT được lắp đặt vào năm 2025, gấp 5 lần so với năm 2015, đồng thời tỷ lệ sử dụng thiết
bị IoT tăng từ 13% lên 25% trong giai đoạn từ năm 2014-2019, chi phí cho hệ sinh thái
liên quan đến IoT được dự báo sẽ tăng từ 726 tỷ USD vào năm 2019 lên 1,1 nghìn tỷ
USD vào năm 2023[6]. Sự hình thành và phát triển của IoT gắn liền với cuộc cách mạng
công nghệ lần thứ tư. Cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư là sự kết hợp của công
nghệ trong các lĩnh vực vật lý, công nghệ số và sinh học, tạo ra những khả năng sản xuất
hoàn toàn mới và có tác động sâu sắc đến đời sống kinh tế, chính trị, xã hội của thế giới.
Có thể khái qt bốn đặc trưng chính của Cách mạng cơng nghiệp lần thứ như sau: dựa
trên nền tảng của sự kết hợp cơng nghệ cảm biến mới, phân tích dữ liệu lớn, điện toán
đám mây và kết nối internet vạn vật sẽ thúc đẩy sự phát triển của máy móc tự động hóa
và hệ thống sản xuất thơng minh. Các cơng nghệ in 3D để sản xuất sản phẩm một cách
hoàn chỉnh nhờ nhất thể hóa các dây chuyền sản xuất không phải qua giai đoạn lắp ráp
các thiết bị phụ trợ - công nghệ này cũng cho phép con người có thể in ra sản phẩm mới
bằng những phương pháp phi truyền thống, bỏ qua các khâu trung gian và giảm chi phí
sản xuất nhiều nhất có thể. Cơng nghệ nano và vật liệu mới tạo ra các cấu trúc vật liệu
mới ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực. Trí tuệ nhân tạo và học máy cho phép
con người kiểm sốt từ xa, khơng giới hạn về khơng gian, thời gian, tương tác nhanh
hơn và chính xác hơn. Bên cạnh sự phát triển của các công nghệ thành phần như công

nghệ nano, công nghệ cảm biến, các công nghệ mạng internet, mạng kết nối vạn vật đã
và đang phát triển mạnh mẽ ở Việt Nam và trên thế giới. Năm 2021, bất chấp sự khó
khăn của đại dịch Covid 19, cùng với đó là cuộc khủng hoảng chip toàn cầu gây ra sự
thiếu hụt trầm trọng vi xử lý cho các hệ thống điều khiển tự động. Dường như các thách
thức không làm ảnh hưởng đến sự phát triển của IoT, thị trường thiết bị IoT vẫn tăng
trưởng tốt, dự kiến đạt 9% so với cùng kì năm trước.

1.1.1Định nghĩa internet vạn vật (IoT)


4

Internet vạn vật (IoT-Internet of Things) được định nghĩa là mạng kết nối các đồ
vật và thiết bị thông qua cảm biến, phần mềm và các công nghệ khác, cho phép các đồ
vật và thiết bị thu thập và trao đổi dữ liệu với nhau. Internet vạn vật lan tỏa lợi ích của
mạng internet tới mọi đồ vật được kết nối, chứ không chỉ dừng lại ở phạm vi một chiếc
máy tính. Khi một đồ vật được kết nối với internet, nó sẽ trở nên thơng minh hơn nhờ
khả năng gửi và/hoặc nhận thông tin và tự động hoạt động dựa trên các thơng tin đó.
Các thiết bị IoT có thể là đồ vật được gắn thêm cảm biến để thu thập dữ liệu về môi
trường xung quanh (giống như các giác quan), các máy tính/bộ điều khiển tiếp nhận dữ
liệu và ra lệnh cho các thiết bị khác, hoặc cũng có thể là các đồ vật được tích hợp cả hai
tính năng trên.

Hình 1.1: Cơ chế hoạt động của hệ thống IoT

Tiềm năng ứng dụng của internet vạn vật (IoT) trải rộng trên mọi lĩnh vực. Tuy
nhiên, mọi hệ thống IoT hồn chỉnh đều có đủ 4 bước: thu thập dữ liệu, chia sẻ dữ liệu,
xử lý dữ liệu, và đưa ra quyết định. Phần thu thập dữ liệu chính là bước tiền xử lý, nơi
mà các cảm biến hoặc thiết bị tiến hành thu thập dữ liệu từ môi trường, ở bước này công
nghệ cảm biến được phát huy, cảm biến càng hoạt động chính xác càng làm tăng chất

lượng của dữ liệu thu thập được. Dữ liệu có thể đơn giản là nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng…
hay phức tạp hơn như hình ảnh, video. Phần chia sẻ dữ liệu thông qua việc các cảm biến
hay thiết bị thu thập được kết nối với internet và chia sẽ dữ liệu thu thập được thông qua
bộ lưu trữ đám mây. Phần tiếp theo là xử lý dữ liệu, dữ liệu trên bộ lưu trữ đám mây
được hệ thống máy tính xử lý, ở bước này máy tính có thể tự đưa ra quyết định xử lý
hoặc gửi kết quả đến người dùng. Phần cuối cùng của hệ thống IoT cũng là phần giao
tiếp với người dùng, người dùng nhận các dữ liệu mà hệ thống thu thập được thông qua
email, tin nhắn… dữ liệu lúc này cũng đã được biên tập, hiệu chỉnh dưới dạng những
thông tin dễ dàng quan sát, người dùng dựa vào nhưng thông tin được trình bày để đưa
ra các lệnh điều chỉnh, cả dữ liệu và phương thức điều khiển được xây dựng thông qua
giao diện người dùng UI. (UI-User Interface).
Năm

Sự kiện


5

Máy nướng bánh mì được cho là đồ vật đầu tiên được kết nối
1990

internet. John Romkey, một kỹ sư phần mềm tại Mỹ, đã kết nối
chiếc máy nướng bánh mì với máy tính qua internet.
Thuật ngữ “internet of things được tạo ra bởi Kevin Ashton khi

1999

thuyết trình về một hệ thống cảm biến và nhãn nhận dạng qua tần
số radio (RFID) gắn trên hàng hóa để quản lý chuỗi cung ứng.


2000

2008

LG giới thiệu chiếc tủ lạnh có kết nối internet đầu tiên trên thế
giới với mức giá 20.000 USD.
Hội nghị quốc tế đầu tiên về internet vạn vật được tổ chức tại
Zurich, Thụy Sĩ.
Theo Cisco, đây là thời điểm mà mạng internet vạn vật thực sự

2009

được khai sinh, khi số lượng thiết bị được kết nối internet vượt
dân số thế giới

2013

2015

2020
2025

Từ điển Oxford thêm thuật ngữ “internet of things” vào hệ thống
định nghĩa
Tập đoàn Intel tổ chức hội nghị Internet of Things lần đầu tiên tại
Việt Nam
Số lượng thiết bị được kết nối internet trên thế giới ước tính vượt
con số 20 tỷ
Dự báo sẽ có 75 tỷ thiết bị IoT trên toàn cầu
Bảng 1.1: Một số mốc phát triển của internet vạn vật


1.1.2 Hệ sinh thái IoT
Hệ sinh thái là một khái niệm có tính bao phủ rộng, khơng ám chỉ một đối tượng
cụ thể nào. Hệ sinh thái có thể được hiểu như một cộng đồng kinh tế dựa trên nền tảng
của sự tương tác giữa tổ chức và các cá nhân. Cộng đồng này sẽ sản sinh ra các sản
phẩm và dịch vụ có giá trị cho khách hàng và họ chính là một phần của hệ sinh thái này.
IoT được cấu thành từ nhiều thành phần tạo nên một hệ sinh thái IoT với mơ hình phức
tạp, đa dạng. Dựa trên cấu trúc của mơ hình IoT, hệ sinh thái IoT bao gồm bốn cấu phần
chính: phần cứng/hạ tầng kết nối, phần mềm nền tảng/phần mềm phân tích dữ liệu lớn,
dịch vụ và chính sách.


6

Phần cứng/hạ tầng kết nối: thiết bị IoT bao gồm các thiết bị phần cứng có khả
năng giao tiếp theo các chuẩn IoT được định nghĩa sẵn. Các thiết bị này rất đa dạng tùy
theo mục đích sử dụng như: thiết bị thơng minh cá nhân (máy tính, điện thoại, đồng
hồ…), thiết bị gia dụng (tủ lạnh, đều hòa nhiệt độ), hay các thiết bị quan trắc, cảm biến
đo các điều kiện của môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng)… Hạ tầng kết nối IoT chính
là hạ tầng mạng, đường truyền di động để các thiết bị IoT có thể kết nối, trao đổi dữ liệu
với nhau thông qua một hệ thống phần mềm nền tảng trung tâm. Các thiết bị này có thể
kết nối tới phần mềm trung tâm dưới dạng kết nối trực tiếp hoặc kết nối thơng qua các
thiết bị trung gian (cổng).

Hình 1.2: Một số phần cứng thiết bị IoT

Phần mềm nền tảng/phần mềm phân tích dữ liệu lớn: phần mềm nền tảng IoT
được coi là trái tim của hệ sinh thái IoT có các chức năng quản lý kết nối, tổng hợp, lưu
trữ và xử lý dữ liệu gửi về từ các thiết bị. Phần mềm được yêu cầu phải kết hợp tất cả
mọi thứ với nhau hoặc làm cho có thể sử dụng được và sự kết nối là cần thiết để chia sẻ

thơng tin hoặc giao tiếp với tồn bộ hệ thống. Trong kiến trúc hệ thống IoT, phần mềm
IoT được cấu thành bởi ba nhóm chính: nhóm phần mềm ở lớp thiết bị, nhóm phần mềm
ở lớp chuyển tiếp gateway, nhóm phần mềm ở lớp ứng dụng. Trong đó phần mềm phân


7

tích dữ liệu lớn là thành phần mang lại giá trị chính cho hệ sinh thái IoT bởi đích đến
của IoT xét cho cùng, không chỉ đơn thuần là kết nối và nhận dữ liệu từ các thiết bị mà
là khai thác dữ liệu đó thế nào để tạo ra giá trị cho người dùng cuối.
Nhóm phần mềm của lớp thiết bị chạy trên MCU (Micro Controller Unit) nhằm
hỗ trợ các tác vụ cụ thể, các tính năng chính của phần mềm chạy trên một thiết bị gồm
bốn tính năng chính: một là chứa hệ điều hành nhúng chẳng hạn như FreeRTOS trên các
kiến trúc ARM hay Tizen trên các thiết bị của SamSung cho phép quản lý chặt chẽ các
thành phần của hệ thống nhúng, hai là tính năng hỗ trợ truy nhập ngoại vi (thẻ nhớ,
GPIO, giao diện nối tiếp) ba là hỗ trợ kết nối thiết bị với các giao thức không dây
(Bluetooth, Z-Wave, CAN bus, MQTT, CoAP…) bốn là cho phép điều khiển từ xa để
năng cấp chương trình cơ sở hoặc theo dõi mức pin của thiết bị.

Hình 1.3: Cấu tạo của phần mềm lớp thiết bị

Nhóm phần mềm ở lớp chuyển tiếp gateway hay các IoT gateway hoạt động như
một điểm tập hợp cho một nhóm các cảm biến và hay các thiết bị chuyển tiếp của lớp
mạng, nhiệm vụ của phần mềm ở lớp chuyển tiếp gateway là điều phối kết nối của các
thiết bị với nhau và với mạng bên ngoài. IoT gateway có thể là một phần cứng vật lý
hoặc một nhóm chức năng được tích hợp vào một “Things” lớn hơn và được kết nối với
mạng. Những tính năng chính của nhóm phần mềm ở lớp chuyển tiếp gateway bao gồm
năm mục chính:
Một là có hệ điều hành đa năng (chẳng hạn Linux)
Hai là có mơi trường chạy ứng dụng thời gian thực



8

Ba là có giao tiếp kết nối giữa IoT gateway với các giao thức kết nối khác để kết
nối các thiết bị với nhau đồng thời cũng kết nối với các mạng khác (Ethernet, wifi, các
mạng di động và mạng vệ tinh…) đảm bảo tính tin cậy, bảo mật của thông tin.
Bốn là quản lý dữ liệu và nhắn tin, có tính ổn định và hỗ trợ trễ mạng, hỗ trợ
ngoại tuyến cũng như chuyển tiếp dữ liệu giữa các thiết bị một cách nhất quán.
Năm là khả năng quản lý từ xa cung cấp phương pháp cấu hình bật tắt các gateway
từ xa cũng như khởi động các ứng dụng đang chạy trên cổng.

Hình 1.4: Cấu tạo của phần mềm lớp chuyển tiếp

Nhóm phần mềm của lớp ứng dụng hay nền tảng đám mây IoT, đại diện cho cơ
sở hạ tầng phần mềm và các dịch vụ cần thiết để kích hoạt giải pháp IoT. Nền tảng đám
mây IoT thường hoạt động trên cơ sở hạ tầng đám mây (ví dụ: OpenShift, AWS,
Microsoft Azure, Cloud Foundry) hoặc bên trong trung tâm dữ liệu doanh nghiệp và dự
kiến sẽ mở rộng theo cả chiều ngang, để hỗ trợ số lượng lớn thiết bị được kết nối, cũng
như theo chiều dọc giải quyết sự đa dạng của các giải pháp IoT. Nền tảng Đám mây IoT
sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho khả năng tương tác của giải pháp IoT với các ứng dụng
doanh nghiệp hiện có và các giải pháp IoT khác. Các tính năng cốt lõi của nền tảng đám
mây IoT bao gồm:


9

Kết nối và Định tuyến tin nhắn - Các nền tảng IoT cần có khả năng tương tác với
số lượng rất lớn các thiết bị và cổng sử dụng các giao thức và định dạng dữ liệu khác
nhau, nhưng sau đó chuẩn hóa nó để cho phép dễ dàng tích hợp vào phần còn lại của

doanh nghiệp.
Quản lý thiết bị và Sổ đăng ký thiết bị - một cơ quan đăng ký trung tâm để xác
định các thiết bị / cổng đang chạy trong giải pháp IoT và khả năng cung cấp các bản cập
nhật phần mềm mới và quản lý các thiết bị.
Quản lý và lưu trữ dữ liệu - một kho lưu trữ dữ liệu có thể mở rộng hỗ trợ khối
lượng và nhiều loại dữ liệu IoT.
Quản lý sự kiện, Phân tích & Giao diện người dùng - khả năng xử lý sự kiện có
thể mở rộng, khả năng hợp nhất và phân tích dữ liệu cũng như tạo báo cáo, đồ thị và
trang tổng quan.
Hỗ trợ ứng dụng - khả năng tạo báo cáo, đồ thị, trang tổng quan,… và sử dụng
API để tích hợp ứng dụng.

Hình 1.5: Cấu tạo của phần mềm lớp ứng dụng

Chính sách: yếu tố quyết định cách phát triển của IoT, đó là các tiêu chuẩn, quy
định và các chính sách của chính phủ giúp cho hệ sinh thái IoT phát triển bền vững.


10

Bên cạnh đó, để phát triển hệ sinh thái IoT cần phải có các yếu tố như kết nối, truyền
dẫn và quản lý dữ liệu, bảo mật…

1.1.3 Phát triển IoT ở Việt Nam
Cho đến nay thế giới đã bốn lần trải qua cuộc cách mạng công nghiệp, từ cuộc
cách mạng lần đầu tiên vào cuối thế kỷ mười tám đầu thế kỷ mười chín, với sự xuất hiện
mang tính đột phá của máy hơi nước. Với cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, khả
năng tương tác vạn vật, phân tích thời gian thực, ảo hóa hệ thống, hay dữ liệu lớn càng
tạo sự khác biệt rõ rệt giữa các quốc gia có tham gia hay chưa tham gia cuộc cách mạng
cơng nghiệp. Cùng với đó là sự thay thế người lao động bằng máy móc, sự chênh lệch

giữa chi phí sản xuất và lợi nhuận ngày càng được kéo giãn, tạo ra thách thức không hề
nhỏ cho các quốc gia đang phát triển. Trong bối cảnh thị trường IoT trên thế giới đang
ngày càng phát triển thì ở Việt Nam, có thể nhận thấy rằng đang ở giai đoạn xây dựng
cơ sở hạ tầng kết kết nối và nền tảng mở, đây là nhiệm vụ của các đơn vị lớn như Viettel,
VNPT.

Hình 1.6: Trạm NB-IoT 5G của Viettel

Bên cạnh đó, các đơn vị khác như FPT, VNG, Vin Group cũng thể hiện rõ nhu
cầu và khả năng tham gia phát triển hệ sinh thái IoT. Về thị trường, IoT tại Việt Nam
đang là một lĩnh vực “nóng”, thu hút được nhiều công ty công nghệ tham gia nghiên
cứu, sản xuất. Một số ví dụ về phát triển IoT như: Mimosa Tech đã thương mại hóa giải
pháp cho nơng nghiệp chính xác; Hachi là giải pháp giúp xây dựng khu vườn cá nhân
tự động ở nhà; BKAV và Lumi là hai doanh nghiệp đứng đầu trong thị trường nhà thông
minh, khơng chỉ sở hữu thị trường nội địa mà cịn xuất khẩu sang các nước khác như
Úc, Singapore và Ấn Độ; Abivin là một trong những doanh nghiệp đầu tiên thu thập dữ
liệu của xe tham gia giao thông và dựa trên bản đồ số, tối ưu hóa cho các phương tiện


11

vận chuyển. Ngoài ra, nhiều ứng dụng khác đang ở giai đoạn thử nghiệm và đòi hỏi
nhiều thời gian hơn để trưởng thành và cung cấp trên thị trường. Việt Nam, hiện vẫn
chưa có ứng dụng IoT nào thực sự có ảnh hưởng mạnh mẽ đến đời sống xã hội trong
nước như cách Uber, Grab đã thay đổi cả một nghành công nghiệp vận tải ở các quốc
gia mà sản phẩm này có mặt. Tuy nhiên, trong số các dự án được triển khai mở rộng với
quy mô lớn của IoT, đã có sự hợp tác nhất định giữa các tập đồn cơng nghệ lớn trên
thế giới với Việt Nam, đó là minh chứng rõ rệt nhất cho sự chuyển dịch phát triển IoT
ở nước ta.
Ví dụ, trong ngành chế biến rau quả chính xác, giải pháp TAP (của Israel Vendor)

đã được triển khai ở Tam Đảo (Vĩnh Phúc) FPT kết hợp với Fujitsu phát triển nông
nghiệp thông minh; TH-True Milk nhập cơng nghệ chăn ni bị sữa của nước ngồi…
ứng dụng trong cơng nghiệp mía đường nhập khẩu cơng nghệ từ Isarel; VinEco trồng
rau nhà kính nhập cơng nghệ từ Isarel…

Hình 1.7: Hệ thống tưới nước tự động trong nhà kính của VinEco Đà Lạt

Từ góc độ cơng nghiệp có thể thấy rằng các doanh nghiệp lớn phát triển IoT và
đầu tư vào IoT ở Việt Nam thường giải quyết các bài toán lớn và xây dựng các siêu ứng
dụng tập trung trên nền tảng di động mà vẫn còn bỏ ngỏ các hệ thống IoT vừa và nhỏ,
đây chính là cơ hội cho IoT Việt Nam phát triển những sản phẩm, hệ thống riêng biệt.
Nhìn chung tồn cảnh hệ sinh thái IoT ở Việt Nam đang từng bước phát triển và hoàn
thiện, hệ thống đổi mới sáng tạo và khởi nghiệp nước nhà đang dần được định hình để
tạo tiền đề cho toàn bộ hệ thống phát triển. Bên cạnh đó, trong hệ sinh thái IoT khơng
thể thiếu các yếu tố khác như sự hình thành và phát triển của các khu công nghệ cao,
các vườn ươm, các quỹ đầu tư… đóng vai trị như các chất xúc tác để thúc đẩy khởi
nghiệp trong IoT. Các trường đại học, học viện đóng vai trị đáp ứng nguồn nhân lực
cho nhu cầu phát triển của IoT. Ngoài ra, các nhóm nghiên cứu, các hội, nhóm của các


12

cá nhân, các tổ chức cùng tham gia vào hệ sinh thái để nâng cao nhận thức về vai trò
của IoT trong xu thế phát triển chung.

Hình 1.8: Màn hình điều khiển trung tâm nhà thông minh Bkav

Sự xuất hiện của cách mạng công nghiệp lần thứ tư là không thể tránh khỏi, việc
cuộc cách mạng này tác động như thế nào đến các quốc gia và đến từng nhóm nghành
nghề của quốc gia đó là khác nhau, đồng thời phụ thuộc vào khả năng phản ứng của

quốc gia đó đối với các chiến lược chuyển dịch cơ cấu kinh tế trên thế giới và khu vực.
Tại Việt Nam, theo tổng cục thống kê lực lượng lao động tập trung ở khu vực nông thôn
số lượng việc làm trong lĩnh vực nông nghiệp, lâm nghiệp và ngư nghiệp lớn, chiếm
khoảng 40% tổng số việc làm năm 2017.
Bên cạnh đó và việc các tập đồn cơng nghệ, sản xuất lớn tích cực chuyển đổi số
đã và đang làm phân hóa lực lượng lao động. việc ứng dụng cải tiến công nghệ mới có
thể cải thiện an tồn tại nơi làm việc, tăng năng suất, tiền lương và thúc đẩy nhiều loại
nhu cầu, cùng với gia tăng dự kiến về luồng FDI và việc tiếp cận dễ dàng hơn với các
thị trường xuất khẩu lớn bắt nguồn từ các Hiệp định Thương mại Tự do (FTA), đặc biệt
là Hiệp định Đối tác Tồn diện và Tiến bộ xun Thái Bình Dương (CPTPP) và Hiệp
định Thương mại tự do EU-Việt Nam khi các hiệp định này được phê chuẩn. Theo dự
báo của Tổ chức Lao động Quốc tế (2019), trong 10 năm tới Việt Nam sẽ phải đối mặt
với sự thay thế lao động khi ứng dụng công nghệ số, dẫn đến sự thay đổi về mơ hình sản
xuất, văn hóa kinh doanh, mơ hình tổ chức… Có tới 70% số việc làm ở mức rủi ro cao
(có xác suất bị thay thế trên 70%), 18% có rủi ro trung bình (có xác suất bị thay thế từ
30-70%) và 12% có rủi ro thấp (có xác suất bị thay thế dưới 30%).[7]

1.2 Tình hình phát triển của nhà thơng minh


13

1.2.1 Lịch sử hình thành nhà thơng minh
Thuật ngữ thơng minh (smart) bắt đầu phổ biến khi điện thoại thông minh
(smartphone) xuất hiện, đặc biệt là từ thời điểm ra mắt iPhone vào năm 2007. Từ đó,
“smart” được gắn với “phone” một cách ngẫu nhiên rồi sau này được gắn với các thiết
bị công nghệ. Theo Peter Wadsworth, giám đốc đổi mới và kết nối tại cơng ty thiết bị
tồn cầu Siemens, khi nhắc đến công nghệ thông minh, người dùng chỉ nghĩ đến các
thiết bị trong túi của họ. Thực tế các cơng nghệ thơng minh cịn mở rộng ra nhiều vật
dụng trong không gian sống. Ngày nay, xã hội vơ tình đã gắn cụm từ thơng minh với

điện thoại đến mức người tiêu dùng thường giới hạn tầm nhìn của bản thân với chiếc
điện thoại. Các hệ thống thông minh ngày nay thường chỉ việc thiết bị hay hệ thống đó
có các tính năng cơng nghệ nổi bật như khả năng thu thập dữ liệu môi trường, khả năng
chia sẻ thông tin và ra các quyết định điều khiển từ xa thơng qua các kết nối mạng.

Hình 1.9: Steve Jobs ra mắt chiếc iPhone đầu tiên năm 2007

Nhà thông minh ban đầu được định nghĩa là ngôi nhà được lắp đặt các thiết bị
điện, điện tử và chúng được điều khiển, giám sát bằng các phương pháp tự động hoặc
bán tự động, lịch sử phát triển của nhà thông minh gắn liền với các tên gọi như: home
automation, domotics, smart home, intellihome. Ý tưởng nhà thông minh hay ngơi nhà
tự động hóa hiện hữu từ trước khi xã hội phổ biến cụm từ thiết bị thông minh. Nhà thông
minh phát triển gắn liền với sự phát triển của khoa học công nghệ mà cụ thể là sự phát
triển của các thiết bị tự động hóa phục vụ dân dụng, các thiết bị gia dụng cũng như các
thiết bị an ninh đi kèm. Trong căn nhà thông minh các thiết bị có thể giao tiếp với nhau
và giao tiếp với chủ nhà thông qua hệ thống kết nối không dây, qua các thiết bị xử lý
trung tâm hoặc các thiết bị thông minh của cá nhân như điện thoại hoặc đồng hồ thơng
minh. Trong những tịa nhà lớn, những chung cư nơi tập trung nhiều căn nhà thông minh,


14

các nhà thơng minh khác nhau có thể tương tác với nhau để chia sẻ dữ liệu và tăng cường
khả năng giám sát, quản lý. Sự phát triển của dữ liệu lớn cịn cho phép nhà thơng minh
xây dựng các ngữ cảnh khác nhau của ngôi nhà để tối đa hóa trải nghiệm người dùng và
tự động học thêm các thao tác điều khiển thông qua thu thập dữ liệu môi trường và dữ
liệu người dùng sau một thời gian sử dụng. Có thể nói sự phát triển của các thiết bị cơng
nghệ nói chung và nhà thơng minh nói riêng là cơng cuộc thay đổi thói quen người dùng.
Khởi nguồn của những chiếc cơng tắc tự động có thể đóng mở một số thiết bị đơn giản
theo thời gian hạn định trước, đến sự phát triển của trợ lý ảo trong nhà thông minh là

một bước tiến dài của công nghệ.
Năm

Sự kiện
ECHO IV là hệ thống nhà thông minh tiên trên thế giới. Được
phát minh bởi Jim Sutherland, Nhà điều hành máy tính điện tử

1966

điện tử trực tiếp (do đó, ECHO) có thể lưu trữ các cơng thức nấu
ăn, tin nhắn chuyển tiếp, kiểm soát nhiệt độ nhà, tạo ra một danh
sách tạp hóa và bật hoặc tắt các thiết bị.

1969
1981

DARPA giới thiệu ARPAnet, mạng đầu tiên trên thế giới - tiền
thân của Internet hiện đại.
Công nghệ không dây wifi mà tiền thân là 802.11 ra đời
Microsoft lần đầu tiên đưa ra tầm nhìn của họ về hệ thống nhà

1999

thông minh với Pocket PC là phương tiện điều khiển từ khố cửa
thơng minh, đèn chiếu sáng, điều khiển khí hậu và camera an
ninh, thậm chí cả kiểm sốt cả mã vạch để mua hàng online.
Apple giới thiệu sản phẩm Apple HomeKit phục vụ nhà thông

2014


minh, cũng trong năm này, Amazon ra mắt loa thông minh
Amazon Echo dot với trợ lý ảo Alexa.

2016

Google ra mắt loa thông minh Google Home.

Thế
hệ

Kết nối thông minh các ứng dụng trong nhà để chủ nhân điều

thứ

khiển bằng cách ra mệnh lệnh, nút bấm hay giọng nói, cử chỉ.

nhất
Thế

Trí tuệ nhân tạo AI sẽ tự nhận biết được các chủ nhân của căn

hệ

nhà và điều khiển hệ thống theo như chu trình mong muốn. Chủ


15

thứ


nhân vẫn có thể can thiệp vào q trình này nếu muốn. AI sẽ trở

hai

thành trợ lý ảo thực thụ.

Thế
hệ
thứ
ba

Ngoài trợ lý ảo, chủ nhân sẽ có trợ lý thật sự, về mặt vật lý, đó
là robot để thực hiện các công việc mà trợ lý ảo không thể làm
được, ví dụ : bỏ gạo vào nấu cơm, lấy trứng để rán...

Bảng 1.2: Một số mốc phát triển của nhà thông minh

1.2.2 Xu thế phát triển của nhà thông minh
Xuất hiện đã từ lâu nhưng thị trường nhà thông minh trong mười năm trở lại đây
bắt đầu thực sự tăng trưởng mạnh mẽ, nhà thơng minh khơng cịn dừng lại là sản phẩm
đắt đỏ và độc quyền cho giới siêu giàu mà dần phổ biến hơn. Tại thị trường Mỹ dự kiến
đạt 104.401 triệu đô la Mỹ vào năm 2021, với tốc độ tăng trưởng 15,75% một năm, và
khối lượng thị trường ước tính đạt 187.429 triệu đơ la Mỹ vào năm 2025. Tại Việt Nam,
thị trường smart home dự kiến sẽ đạt doanh thu 225,3 triệu USD vào năm 2021 và 330,4
triệu USD vào năm 2022. Tuy nhiên, trong báo cáo mới nhất, những số liệu này đã có
sự thay đổi, vì những ảnh hưởng trực tiếp của đại dịch Covid-19. Cụ thể, doanh thu
smart home tại thị trường Việt Nam được dự đoán đạt 183,9 triệu USD vào năm 2021
và 251 triệu USD vào năm 2022. Với tốc độ tăng trưởng 25%/năm trong giai đoạn 20212025, dự kiến đến năm 2025, tổng doanh thu thị trường smart home Việt Nam đạt 449,1
triệu USD. Với khoảng 10,5% hộ gia đình trang bị smart home, Việt Nam trở thành thị
trường smart home đứng thứ 28 trên toàn cầu.[8] Ở nước ta, từ hơn 10 năm trước Tập

đồn cơng nghệ Bkav đã tiên phong đón đầu xu hướng nhà thơng minh với hệ thống
Bkav SmartHome thế hệ đầu tiên.
Phiên bản nhà thông minh trước đây của Bkav được xem là sản phẩm xa xỉ, phù
hợp với các dự án siêu biệt thự hay căn hộ sang trọng, cầu kỳ nên chưa thể phổ cập rộng
rãi. Nhưng với thế hệ thứ 2 của mình, Bkav đã khiến cho khái niệm căn nhà thông minh
trở nên gần gũi hơn với người tiêu dùng khi thiết kế, sản xuất được dựa trên nhu cầu
của chủ nhà. Song song với Smarthome Bkav, các nhà cung cấp Smarthome khác cũng
dần xuất hiện với Lumi (2012) và ACIS. Và khi thị trường đón nhận 2 ơng lớn là
Samsung cùng Vinsmart, thị trường nhà thông minh của Việt Nam đã chuyển mình
thành thị trường hàng trăm triệu USD và đã đến giai đoạn cao trào trong cạnh tranh và
phát triển.


16

Hình 1.10: Dự báo xu thế phát triển nhà thơng minh tại Việt Nam

Các hệ thống và giải pháp phổ biến của nhà thông minh:
 Hệ thống ánh sáng thông minh
 Hệ thống âm thanh thông minh
 Hệ thống an ninh, và giám sát cảnh báo
 Hệ thống điều khiển các thiết bị gia dụng trong hệ sinh thái (rèm cửa, điều hịa,
bình nóng lạnh…)
 Hệ thống điều khiển sinh cảnh (tưới nước tự động, lọc nước bể cá, hồ bơi…)
 Hệ thống kết hợp điều khiển bằng giọng nói
Các tính năng phổ biến của nhà thơng minh:
 Kiểm sốt chiếu sáng (bật/tắt, thay đổi độ sáng, theo ngữ cảnh, hẹn giờ, logic,...)
 Điều khiển mành, rèm, cửa cổng
 Điều khiển thiết bị cơng suất cao (điều hịa, máy lạnh…)
 Kiểm soát hệ thống âm thanh đa vùng

 Kiểm soát hệ thống camera, chng hình
 Hệ thống bảo vệ nguồn điện
 Điều khiển, quan sát các thiết bị hệ thống an ninh, báo động, báo cháy
 ... và nhiều hệ thống khác.
Các đơn vị phát triển nhà thông minh nổi bật:
Tên

Mô tả