MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN...................................................................................ii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN......................................................iii
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN........................................................................iv
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU..................................................vii
MỞ ĐẦU...........................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN............................................................2
1.1.

Đặt vấn đề..............................................................................2

1.2.

Hướng giải quyết...................................................................2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG GIÁM
SÁT NĂNG LƯỢNG.......................................................................4
2.1.

Nền tảng về IoT.....................................................................4

2.1.1. Định nghĩa..............................................................................4
2.1.2. Khái niệm IoT.......................................................................5
2.1.3. IoT từ góc nhìn kỹ thuật.......................................................6
2.1.4. Đặc tính cơ bản......................................................................9
2.1.5. Yêu cầu ở mức high-level đối với một hệ thống IoT........10
2.1.6. Ứng dụng của IoT................................................................11
2.2.

Các giá trị hiệu dụng, công suất và hệ số công suất.........11

2.3.

Chuẩn giao tiếp UART.......................................................12

2.4.

Mạng lưới cảm biến không dây (WSN).............................13

2.5.

Giao thức MQTT................................................................17

2.5.1. Giới thiệu MQTT................................................................17
2.5.2. Đặc điểm giao thức MQTT................................................17
1


2.5.3. Cấu trúc giao thức MQTT.................................................17
2.5.4. Tầng ứng dụng (Quanlities of Server)...............................18
2.5.5. Bảo mật................................................................................19
2.6.

Môi trường lập trình Node Red.........................................19

2.7.

Hệ thống máy chủ ảo (Virtual Private Server - VPS)......20


2.8.

Điện toán đám mây.............................................................21

2.9.

Đo lường năng lượng..........................................................21

2.10. Lưu trữ dữ liệu....................................................................24
2.11. Thuật toán K-nearest Neighbors (KNN)...........................25
2.12. Ngôn ngữ lập trình Python.................................................28
2.13. Kiểu định dạng dữ liệu JSON............................................29
2.14. Công nghệ Wifi....................................................................31
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG..........33
3.1.

Thiết kế sơ đồ khối..............................................................33

3.2.

Module đo lường thông tin năng lượng PZEM-004T......34

3.3.

Module WiFi ESP8266........................................................35

3.4.

Arduino IDE 1.8.5 và ESP8266 Library...........................38


3.5.

Chương trình ESP8266.......................................................38

3.6.

Giao tiếp giữa hai mức điện áp..........................................38

3.7.

Nguồn hoạt động.................................................................39

3.8.

Thuật toán KNN..................................................................44

3.9.

Chương trình python xử lý KNN.......................................45

3.10. Môi trường lập trình Node-Red.........................................46
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.................................47
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN.............................................................53
2


5.1.

Vấn đề đã làm được............................................................53


5.2.

Vấn đề chưa làm được........................................................53

5.3.

Ưu điểm................................................................................53

5.4.

Nhược điểm..........................................................................53

5.5.

Hướng phát triển.................................................................53

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................55

3


LỜI CAM ĐOAN
Nhóm xin cam đoan đề tài này là do nhóm tự thực hiện dựa trên một số tài
liệu và bài báo trước đó. Các thông tin, dữ liệu trong đề tài này được nhóm thu
thập từ các tài liệu hướng dẫn, tham khảo những tài liệu liên quan và kèm theo
mô hình thực tế. Từ đó, nhín đã nghiên cứu và phát triển để thực hiện đề tài
này.

1



LỜI CẢM ƠN
Để có thể hoàn thành được đồ án này, nhóm chúng tôi đã vận dụng những
kiến thức đã tích lũy được trong quá trình học tập. Đồng thời, chúng tôi cũng
nhận được rất nhiều sự giúp đỡ. Xin được gửilời cảm ơn chân thành đến thầy
Lê Mỹ Hà đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn để chúng tôi có thể bám sát mục
tiêu đã đề ra của đồ án. Chúng tôi cũng cảm ơn những người bạn cùng lớp vì
những sự giúp đỡ, chia sẻ tài liệu, kiến thức trong quá trình học tập và thực
hiện đồ án này. Cũng xin cảm ơn những tác giả của các bài báo, luận văn mà
chúng tôi tham khảo. Nếu không có những bài viết đó, chúng tôi khó mà có
thể khoàn thành được đồ án này.
Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án, vì thời gian và trình độ có
giới hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Vì thế, nhóm hy vọng sẽ nhận
được những đóng góp quý báu từ Thầy Cô, bạn bè và những người quan tâm
đến đề tài được hoàn thiện hơn.
Một lần nữa xin cảm ơn sự giúp đỡ từ mọi người!

2


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
Chữ ký của GVHD

3


NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
Để giúp cho việc đánh giá của giáo viên cũng như bám sát mục tiêu trong quá
trình thực hiện, nhóm đặt ra các nhiệm vụ đồ án sau đây:
1. Nghiên cứu thiết kế và hoàn thành ổ cắm thông minh.
2. Nhận dạng thiết bị điện đang sử dụng.
3. Giám sát các thông số điện cơ bản như dòng điện, điện áp, công suất
tiêu thụ và năng lượng tiêu thụ điện của ổ cắm.
4. Điều khiển bật tắt thiết bị từ xa.
5. Lưu dữ liệu sử dụng của ổ cắm tạo dataset cho các thiết bị điện nhằm
mục đích nghiên cứu cao hơn sau này.

4



DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
IoT: Internet of Things
PF: Power Factor
UART: Universal Asynchronous Receive and Transmit
WSM: Wireless Sensor Networks
MQTT: Message Queuing Telemetry Transport
QoS: Quality of Service
VPS: Virtual Private Server
KNN: K-nearest Neighbors

5


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Kết nối mọi vật...................................................................................6
Hình 2.2: Hệ thống IoT từ góc nhìn kỹ thuật.....................................................7
Hình 2.3: Các loại thiết bị khác nhau và mối quan hệ.......................................8
Hình 2.4: Các thành phần của WSN................................................................15
Hình 2.5: Dạng publish/subscribe....................................................................18
Hình 2.6: Mô hình giao tiếp của Node-Red.....................................................20
Hình 2.7: Sơ đồ giao tiếp giữa các khối trên MQTT Cloud.............................25
Hình 2.8: Lưu đồ giải thuật dự đoán và đưa ra quyết định..............................29
Hình 3.1: Sơ đồ khối làm việc của hệ thống....................................................33
Hình 3.2: Module PZEM-004T........................................................................35
Hình 3.3: Sơ đồ cấu tạo của module PZEM-004T...........................................35
Hình 3.4: Module wifi Esp8266 12E...............................................................37
Hình 3.5: Sơ đồ chân của module Esp8266 12E..............................................37
Hình 3.6: Cài đặt công cụ biên dịch cho ESP8266..........................................40
Hình 3.7: Cài đặt thư viện Esp8266.................................................................41

Hình 3.8: Tùy chỉnh board Node MCU...........................................................41
Hình 3.9: Lưu đồ giải thuật sử dụng Esp8266.................................................42
Hình 3.10: Module chuyển đổi tín hiệu 3.3V và 5V dùng BSS138.................43
Hình 3.11: Nguồn không vỏ 5V.......................................................................44
Hình 3.12: Lưu đồ giải thuật xử lý KNN trên Python.....................................46
Hình 3.13: Môi trường lập trình Node-Red.....................................................46
Hình 4.1: Bên trong của mô hình sản phẩm.....................................................47
Hình 4.2: Mô hình sản phẩm ổ cắm thông minh dựa trên công nghệ IoT.......48
Hình 4.3: Kết quả nhận được khi cắm quạt vào ổ cắm....................................49
Hình 4.4: Kết quả nhận được khi cắm t vào ổ cắm..........................................50
Hình 4.5: Kết quả nhận được khi cắm bếp vào ổ cắm.....................................51

6


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Thang các loại sóng vô tuyến.............................................................13
Bảng 2: So sánh kết quả của quạt giữa máy đo thực tế và ổ cắm....................51
Bảng 3: So sánh kết quả của tủ lạnh giữa máy đo thực tế và ổ cắm................51
Bảng 4: So sánh kết quả của bếp từ giữa máy đo thực tế và ổ cắm.................52

7


MỞ ĐẦU
Hiện nay, ngành công nghiệp ngày càng phát triển, xã hội ngày càng hiện
đại, các thiết bị điện tử lần lượt ra đời. Các thiết bị phục vụ cho công nghiệp,
cho đời sống con người nhiều hơn. Đi kèm theo sự phát triển này chính là vấn
đề về năng lượng. Năng lượng ngày càng tiêu tốn nhiều hơn, được sử dụng
nhiều hơn. Các biện pháp giúp tăng cao sản xuất năng lượng gần như đã bão

hòa. Vì vậy, chỉ có thể sử dụng những biện pháp tiết kiệm năng lượng. Phương
thức tiết kiệm tốt nhất là: Chỉ sử dụng năng lượng khi cần thiết. Để thực hiện
được điều đó, chúng ta cần phải giám sát năng lượng, tức là quản lí các thiết bị
của chúng ta, cho phép những thiết bị cần thiết và tắt đi nếu không có nhu cầu
sử dụng để tránh lãng phí năng lượng.
Trong những năm gần đây, công nghệ Iot (Internet of things) phát triển
vượt bậc và có xu hướng chiếm lĩnh thị trường công nghệ. Với ưu điểm truyền
dữ liệu thông qua mạng không dây nên chúng ta có thể nhận được các thông
tin từ các cảm biến, mạch đo, … Đồng thời, chúng ta cũng có thể gửi lại tín
hiệu điều khiển dù đang ở một nơi rất xa. Nhờ vào những lợi ích đó, chúng tôi
chọn vấn đề giám sát năng lượng thông qua công nghệ Iot để nghiên cứu và
trình bày.

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Hãy tưởng tượng con của bạn ở nhà, bạn đi làm và bạn muốn cho phép
chúng sử ti vi từ 11h30-12h30, máy vi tính từ 15h-16h hoặc bạn muốn xem
chúng đã sử dụng những thiết bị điện nào trong khi bạn vẫn đang ở công ty
hoặc một nơi nào đó mà không cần về nhà. Không dừng lại ở đó, khi tan làm
về nhà, bạn có thể kiểm tra được thiết bị nào đang được sử dụng hoặc quên
chưa tắt như máy lạnh, quạt, … Bạn có thể điều khiển tắt nó nếu nó không
được sử dụng hợp lý.
Một hệ thống cho phép bạn nhận diện được thiết bị đang được sử dụng,
quản lý thời gian hoạt động, bật tắt thiết bị từ xa, vô hiệu hoá thiết bị không
đạt yêu cầu hoạt động do bạn đặt ra, cảnh báo quá tải và có thể tự động ngắt
nếu bạn đồng ý. Nhờ vậy, chúng ta có thể tiết kiệm một phần nào đó năng
lượng, bảo vệ thiết bị của bạn và tăng cao tuổi thọ của chúng. Việc giám sát

các thiết bị điện tử sẽ giúp bạn sử dụng các thiết bị hợp lí hơn. Bạn có thể biết
con của mình đã sử dụng các thiết bị điện tử bao lâu, có phù hợp không. Từ
đó, nhanh chóng can thiệt để bảo vệ sức khỏe cho chúng.
1.2. Hướng giải quyết
Hầu hết các thiết bị được sử dụng trong công nghiệp và trong đời sống con
người, đều dùng nguồn năng lượng là điện năng để hoạt động. Bởi vậy, việc
giám sát năng lượng chính là việc giám sát lượng điện năng tiêu thụ của các
thiết bị. Bên cạnh đó, việc giám sát này còn giúp bảo vệ hệ thống điện và các
thiết bị có trong hệ thống. Dựa vào các thông tin từ nguồn điện năng tiêu thụ
của các thiết bị, ta có thể biết được thiết bị đó có cho phép hoạt động hay
không. Nếu không thì tắt chúng nhầm tiết kiệm năng lượng. Ngoài ra, chúng ta
cũng có thể nhận biết được các trạng thái quá tải của thiết bị và dừng chúng
ngay dù chúng đang được cho phép hoạt động. Việc này sẽ giúp ta ổn đinh hệ
thống điện, tránh mất điện cũng như bảo vệ được thiết bị.

2


Muốn giải quyết được vấn đề giám sát năng lượng đã đề ra, chúng ta cần
phải thực hiện việc thu thập dữ liệu, ở đây chính là các thông tin của năng
lượng. Tiếp đến chúng ta cần gửi các thông tin này về hệ thống điều khiển. Tại
đây, các dữ liệu sẽ được kiểm tra thuộc những nhóm thiết bị nào, có được cho
phép hoạt động hay không, có vấn đề quá tải hay không. Sau đó, sẽ cấp ra một
tín hiệu điều khiển gửi đến các thiết bị. Tín hiệu này sẽ ngắt nguồn chúng nếu
chúng gặp các sự cố hoặc không được phép hoạt động. Trong quá trình thu
thập dữ liệu và xuất tín hiệu điều khiển đều được thực hiện từ một khoảng
cách xa. Vì vậy, với sự phát triển của công nghệ IoT hoàn toàn có thể cho phép
ta thực hiện điều đó.

3



CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG
GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG
Để có thể xây dựng được một hệ thống như yều cầu đã đặt ra, chúng ta cần
phải tìm hiểu một số khái niệm, cơ sở liên quan đến hệ thống. Các khái niệm
về những đại lượng liên quan đến năng lượng, các cách thức để giao tiếp giữa
các module với nhau hay những phương thức tạo thành một hệ thống công
nghệ IoT đều được trình bày trong chương này. Ngoài ra, trong chương này
còn trình bày vêf xây dựng những giải thuật của riêng hệ thống. Đồng thời,
cũng giải quyết được các thức kết nối, giao tiếp giữa các module với nhau để
xây dựng thành một hệ thống hoàn chỉnh và hoạt động tốt.
2.1. Nền tảng về IoT
Trong phần này, chúng tôi đã tham khảo và sử dụng những ý kiến từ một
tài liệu mục số [1].
2.1.1. Định nghĩa
Công nghệ IoT đã không còn xa lạ và đã được ứng dụng trong rất nhiều
lãnh vực của đời sống con người. Tuy nhiên, lại chưa được sử dụng rộng rãi
tại Việt Nam, bởi điều kiện về kỹ thuật không đầy đủ, thiếu kinh tế và nhu cầu
sử dụng rất ít. Nhưng công nghệ này vẫn mang trong nó những xu hướng phát
triển mới đầy tiềm năng.
Là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, mang đến
những dịch vụ tiên tiến bằng cách kết nối các “Things” (cả đối tượng vật lý lẫn
các đối tượng ảo) dựa trên sự tồn tại của thông tin, dựa trên khả năng tương
tác của các thông tin đó, và dựa trên các công nghệ truyền thông.
Đây chính là mạng lưới thiết bị kết nối Internet. Trong mạng lưới này 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 lưới 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. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết

4


nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc
nào đó.
Hay hiểu một cách đơn giản IoT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với
nhau. Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wifi, mạng viễn thông băng rộng
(3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị có thể là điện thoại
thông minh, máy pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị
khác. Với sự phát triển như hiện nay, IoT sẽ là mạng lưới khổng lồ kết nối tất
cả mọi thứ, bao gồm cả con người và sẽ tồn tại các mối quan hệ giữa người và
người, người và thiết bị, thiết bị và thiết bị. Trong mạng lưới ấy, các đối tượng
đều có thể được chúng ta theo dõi. Khi ấy, con người chúng ta sẽ sống trong
một môi trường được bao bọc bởi hàng ngàn hàng triệu thiết bị có khả năng
theo dõi. Nhờ vây, tầm điều khiển của con người ngày càng rộng lớn hơn.
Chúng ta không còn phải đến gần chiếc máy giặt và bấm nút nữa mà chúng ta
có thể cho phép chúng hoạt động khi chúng ta đang nấu ăn. Chúng ta cũng
không phải mất công chạy từ chỗ làm về nhà vì quên tắt ti vi nữa. Tất cả đều
có thể được thực hiện từ rất xa.
2.1.2. Khái niệm IoT
IoT là một công cụ giúp liên kết công nghệ và cuộc sống của con người.
IoT có thể được xem như là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội
thông tin, tạo điều kiện phát triển cho các dịch vụ tiên tiến và ẩn chứa tiềm
năng to lớn nhờ vào những sự liên kết các đổi tượng với nhau. IoT trong tương
lai gần như sẽ tích hợp rất nhiều công nghệ mới, chẳng hạn như các công nghệ
thông tin machine-to-machine, mạng lưới tự trị, khai thác dữ liệu và ra quyết
định, bảo vệ sự an ninh và sự riêng tư, điện toán đám mây. Như hình 2.1, một
hệ thống thông tin trước đây đã mang đến 2 chiều – “Any TIME” và “Any

PLACE” communication. Giờ IoT đã tạo thêm một chiều mới trong hệ thống
thông tin đó là “Any Thing Communication (Kết nối mọi vật) như hình 2.1
đang thể hiện.
Trong hệ thống IoT, “Things” là đối tượng của thế giới vật chất hoặc các
thông tin. Các đối tượng này khả năng nhận diện và được tích hợp vào mạng
thông tin. Các đối tượng vật lý tồn tại trong thế giới vật chất và có khả năng
được cảm nhận, được kích thích và kết nối. Ví dụ như môi trường xung quanh,
5


robot công nghiệp, hàng hóa, hay thiết bị điện. Còn các đối tượng ảo tồn tại
trong thế giới thông tin và có khả năng được lưu trữ, xử lý, hay truy cập. Ví dụ
như các nội dung đa phương tiện và các phần mềm ứng dụng.

Kết nối mọi thời gian
Cả ngày
Đêm

Ngoại cảnh
Trên máy tính

Kết nối mọi vị trí

Giữa người với người
Giữa máy tính với người
Giữa máy tính với máy tính
Kết nối mọi vật
Hình 2.1: Kết nối mọi vật
2.1.3. IoT từ góc nhìn kỹ thuật
Các đối tượng trong IoT có thể là đối tượng vật lý (physical) hoặc là đối

tượng thông tin hay còn gọi là đối tượng ảo (virtual). Hai loại đối tượng này
có thể ánh xạ qua lại lẫn nhau. Một đối tượng vật lý có thể được trình bày hay
đại diện bởi một đối tượng thông tin. Tuy nhiên một đối tượng thông tin cũng
có khả năng tồn tại riêng biệt mà không nhất thiết phải được ánh xạ từ một đối
tượng vật lý nào.
Trong hình 2.2, một “device” là một phần của hệ thống IoT. Chức năng
bắt buộc của một device là giao tiếp, và chức năng không bắt buộc là cảm
biến, thực thi, thu thập dữ liệu, lưu trữ dữ liệu và xử lý dữ liệu. Các thiết bị thu
thập các loại thông tin khác nhau và cung cấp các thông tin đó cho các
network khác nơi mà thông tin được tiếp tục xử lý. Một số thiết bị cũng thực
hiện các hoạt động dựa trên thông tin nhận được từ mạng.
6


Truyền thông thiết bị - thiết bị: Có 3 cách các thiết bị (devices) sẽ giao tiếp
lẫn nhau:

Hình 2.2: Hệ thống IoT từ góc nhìn kỹ thuật
a) Các thiết bị giao tiếp thông qua các mạng lưới thông tin liên lạc gọi là
gateway.
b) Các thiết bị giao tiếp qua mạng lưới thông tin liên lạc mà không có một
gateway.
c) Các thiết bị liên lạc trực tiếp với nhau qua mạng nội bộ.
Trong hình 2.2, mặc dù ta thấy chỉ có sự tương tác diễn ra ở các đối tượng
vật lý tức là các thiết bị giao tiếp với nhau. Thực ra vẫn còn hai sự tương tác
khác đồng thời diễn ra. Đó là tương tác trao đổi thông tin giữa các đối tượng
ảo (virtual) và tương tác giữa các đối tượng vật lý và các đối tượng thông tin.
Các ứng dụng IoT rất đa dạng như là “hệ thống giao thông thông minh”,
“Lưới điện thông minh”, “sức khỏe điện tử”, hoặc “nhà thông minh”. Tuy các
ứng dụng trên đều được phát triển dựa trên nền tảng riêng biệt nhưng chúng

đều được xây dựng dựa trên những dịch vụ chung như chứng thực, quản lý
thiết bị, tính phí, thanh toán, …
7


Thiết bị cảm ứng
Thiết bị thực thi

Thiết bị chung

Thiết bị thu thập
dữ liệu
Đối tượng
vật lý

Thiết bị
mang dữ liệu

Vật mang
dữ liệu

Đối tượng vật lý

Đối tượng vật lý

Hình 2.3: Các loại thiết bị khác nhau và mối quan hệ
Các “Communication networks” chuyển dữ liệu được thu thập từ devices
đến các ứng dụng và device khác, và ngược lại, các network này cũng chuyển
các mệnh lệnh thực thi từ ứng dụng đến các device.
Vai trò của communication network là truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả

và tin cậy.
Yêu cầu tối thiểu của các thiết bị trong IoT là khả năng giao tiếp. Thiết bị
sẽ được phân loại vào các dạng như thiết bị mang thông tin, thiết bị thu thập
dữ liệu, thiết bị cảm ứng (sensor), thiết bị thực thi:
- Thiết bị mang dữ liệu (Data carrying device): Một thiết bị mang thông
tin được gắn vào một Physical Thing để gián tiếp kết nối các đối tượng
vật lý (Physical Things) với các mạng lưới thông tin liên lạc.
- Thiết bị thu thập dữ liệu (Data capturing device): Một thiết bị thu thập
dữ liệu có thể được đọc và ghi, đồng thời có khả năng tương tác với các
đổi tượng vật lý (Physical Things). Sự tương tác có thể xảy ra một cách
gián tiếp thông qua thiết bị mang dữ liệu, hoặc trực tiếp thông dữ liệu
gắn liền với đối tượng vật lý (Physical Things). Trong trường hợp đầu
8


tiên, các thiết bị thu thập dữ liệu sẽ đọc thông tin từ một thiết bị mang
tin và có ghi thông tin từ các mạng lưới và các thiết bị mang dữ liệu.
- Thiết bị cảm ứng và thiết bị thực thi (sensing device and actuation
device): Một thiết bị cảm nhận và thiết bị thực thi có thể phát hiện hoặc
đo lường thông tin liên quan đến môi trường xung quanh và chuyển đổi
nó sang tín hiệu dạng số. Nó cũng có thể chuyển đổi các tín hiệu kỹ
thuật số từ các mạng lưới thành các hành động (như tắt mở đèn, hù còi
báo động…). Nói chung, thiết bị và thiết bị thực thi kết hợp tạo thành
một mạng cục bộ giao tiếp với nhau sử dụng công nghệ truyền thông
không dây hoặc có dây và các gateway.
- Thiết bị chung (General device): Một thiết bị chung đã được tích hợp
các mạng lưới thông qua mạng dây hoặc không dây. Thiết bị chung bao
gồm các thiết bị và đồ dùng cho các vật khác nhau của IoT, chẳng hạn
như máy móc, thiết bị điện trong nhà, và smart phone.
2.1.4. Đặc tính cơ bản

- Tính kết nối liên thông (interconnectivity): với IoT, bất cứ điều gì cũng
có thể kết nối với nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc
tổng thể.
- Những dịch vụ liên quan đến “Things”: hệ thống IoT có khả năng cung
cấp các dịch vụ liên quan đến các đối tượng, chẳng hạn như bảo vệ sự riêng tư
và nhất quán giữa các đối tượng vạt lý và các đối tượng thông tin. Để cung cấp
được dịch vụ này, cả công nghệ phần cứng và công nghệ thông tin (phần mềm)
sẽ phải thay đổi.
- Tính không đồng nhất: Các thiết bị trong IoT là không đồng nhất vì nó
có phần cứng khác nhau, và mạng lưới khác nhau. Các thiết bị giữa các mạng
lưới có thể tương tác với nhau nhờ vào sự liên kết của các mạng lưới với nhau.
- Thay đổi linh hoạt: trạng thái của các thiết bị tự động thay đổi, ví dụ như
ngủ và thức dậy, kết nối hoặc bị ngắt, vị trí thiết bị đã thay đổi và tốc độ đã
thay đổi… Hơn nữa, số lượng thiết bị có thể tự động thay đổi.

9


- Quy mô lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và giao
tiếp với nhau. Số lượng các thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều
so với được truyền bởi con người.

2.1.5. Yêu cầu ở mức high-level đối với một hệ thống IoT
Một hệ thống IoT phải thoả mãn các yêu cầu sau:
- Kết nối dựa trên sự nhận diện: Nghĩa là các đối tượng phải có ID riêng
biệt. Hệ thống IoT cần hỗ trợ các kết nối giữa các đối tượng và kết nối được
thiết lập dựa trên định danh (ID) của đối tượng.
- Khả năng cộng tác: hệ thống IoT khả năng tương tác qua lại giữa các
mạng lưới và các đối tượng.
- Khả năng tự quản của mạng lưới: Bao gồm tự quản lý, tự cấu hình, tự

chữa bệnh, tự tối ưu hóa và tự có cơ chế bảo vệ. Điều này cần thiết để mạng
lưới có thể thích ứng với các miền ứng dụng khác nhau, môi trường truyền
thông khác nhau, và nhiều loại thiết bị khác nhau.
- Dịch vụ thoả thuận: dịch vụ này để có thể được cung cấp bằng cách thu
thập, giao tiếp và xử lý tự động các dữ liệu giữa các đối tượng dựa trên các
quy tắc(rules) được thiết lập bởi người vận hành hoặc tùy chỉnh bởi các người
dùng.
- Các khả năng dựa vào vị trí (location-based capabilities): Thông tin liên
lạc và các dịch vụ liên quan đến một cái gì đó sẽ phụ thuộc vào thông tin vị trí
của các đối tượng và người sử dụng. Hệ thống IoT có thể biết và theo dõi vị trí
một cách tự động. Các dịch vụ dựa trên vị trí có thể bị hạn chế bởi luật pháp
hay quy định, và phải tuân thủ các yêu cầu an ninh.
- Bảo mật: Trong IoT, nhiều đối tượng được kết nối với nhau. Chính điều
này làm tăng mối nguy trong bảo mật, chẳng hạn như bí mật thông tin bị tiết
lộ, xác thực sai, hay dữ liệu bị thay đổi hay làm giả.
- Bảo vệ tính riêng tư: tất cả các đối tượng đều có chủ sở hữu và người sử
dụng của nó. Dữ liệu thu thập được có thể chứa thông tin cá nhân liên quan
10


chủ sở hữu hoặc người sử dụng nó. Các hệ thống IoT cần bảo vệ sự riêng tư
trong quá trình truyền dữ liệu, tập hợp, lưu trữ, khai thác và xử lý. Bảo vệ sự
riêng tư không nên thiết lập một rào cản đối với xác thực nguồn dữ liệu.
- Cắm và chạy: các đối tượng phải dễ dàng sử dụng và tiện dụng.
- Khả năng quản lý: hệ thống IoT cần phải hỗ trợ tính năng quản lý các
đối tượng để đảm bảo mạng lưới hoạt động bình thường. Ứng dụng IoT
thường làm việc tự động mà không cần sự tham gia người, nhưng toàn bộ quá
trình hoạt động của họ nên được quản lý bởi các bên liên quan.

2.1.6. Ứng dụng của IoT

IoT có ứng dụng rộng vô cùng, có thể kể ra một số thư như sau:
- Quản lí chất thải
- Quản lí và lập kế hoạch quản lí đô thị
- Quản lí môi trường
- Phản hồi trong các tinh huống khẩn cấp
- Mua sắm thông minh
- Quản lí các thiết bị cá nhân
- Đồng hồ đo thông minh
- Tự động hóa ngôi nhà
Tác động của IoT rất đa dạng, trên các lĩnh vực: quản lý hạ tầng, y tế, xây
dựng và tự động hóa, giao thông….
2.2. Các giá trị hiệu dụng, công suất và hệ số công suất
Các giá trị hiệu dụng (Root Mean Square thường được kí hiệu là rms) là
một khái niệm trong kĩ thuật điện và kĩ thuật đo lường dùng để chỉ giá trị trung
bình bình phương. Nói một cách chính xác hơn, giá trị hiệu dụng là giá trị
11


trung bình về tỏa nhiệt trên 1 tải điện trở R. Như vậy, các kí hiệu Urms, Irms
lần lượt là điện áp hiệu dụng và dòng điện hiệu dụng. Đây cũng chính là giá trị
hiển thị trên các đồng hồ, mạch đo của ta khi dùng để đo các giá trị điện áp,
dòng điện.
Như chúng ta đã biết, công suất truyền từ nguồn đến tải luôn gồm 2 phần:
công suất tác dụng và công suất phản kháng. Công suất tác dụng là đặc trưng
cho khả năng sinh ra công có ích của thiết bị. Còn đối với công suất phản
kháng, nó không có khả năng sinh ra công hữu ích nhưng lại cần thiết cho quá
trình trao đổi năng lượng. Công suất tác dụng và công suất phản kháng vuông
pha với nhau nên được tổng hợp theo quy tắc Pytago. Giá trị tổng hợp đó
chính là công suất biểu kiến.
Để đánh giá được các thiết bị có khả năng sinh công có ích nhiều hay

không thì chúng ta dựa vào tỉ số giữa công suất tác dụng và công suất biểu
kiến. Tỷ số này chính là hệ số công suất (Power Factor hay PF), được viết là
cos φ. Giá trị của hệ số công suất sẽ thể hiện trong đoạn [0;1] hoặc có thể biểu
diễn dưới dạng phần trăm.
2.3. Chuẩn giao tiếp UART
Các dữ liệu có thể truyền nhận đồng thời và không đồng thời. Đối với giao
thức đồng thời, có nghĩa là thông tin được truyền nhận tại cùng một thời điểm.
Ngược lại, giao thức không đồng thời tức là tại một thời điểm, chỉ có một thiết
bị nhận thông tin hoặc truyền thông tin. Thiết bị nào được quyết định là truyền
hoặc nhận thông tin sẽ dựa vào tín hiệu điều khiển hoặc mã.
UART (viết tắt của Universal Asynchronous Receive and Transmit) là
chuẩn giao tiếp truyền nhận dữ liệu không đồng bộ. Chuẩn này khá phổ biến
và dễ sử dụng, thường được dùng trong giao tiếp giữa các vi điều khiển với
nhau và với các thiết bị khác. UART sẽ chuyển đổi giữa dữ liệu song song và
nối tiếp. Một mặt sẽ cho phép chuyển dữ liệu song song nhận được từ bus hệ
thống thành dữ liệu nối tiếp để truyền đi. Mặt khác, lại chuyển tử dữ liệu nối
tiếp nhận được thành dữ liệu song song để CPU có thể đọc vào bus hệ thống.
[2]

12


Với truyền nhận song song, mỗi bit trong dữ liệu cần trao đổi sẽ được
truyền nhận trên một đường dẫn khác nhau. Vì vậy, các dữ liệu được xuất đi
và nhận về trực tiếp mà không cần thông qua bất cứ một giải thuật chuyển đổi
nào cả. Nhờ đó, tốc độ truyền nhận khá cao và độ chính xác cũng rất lớn. Tuy
nhiên, cứ một bit trong dữ liệu sẽ là một đường truyền nên sẽ cần có nhiều
đường để có thể truyền nhận song song. Thế nên các hệ thống sẽ rất cồng kềnh
và không đạt được hiệu quả kinh tế. Trong khi đó, với cách thức truyền nhận
nối tiếp, từng bit trong gói dữ liệu sẽ được truyền đi trên một đường nên số

lượng đường truyền cũng ít hơn rất nhiều. Đổi lại, tốc độ truyền không nhanh
và độ chính xác của dữ liệu nhận không cao. Bởi các dữ liệu cần phải chia nhỏ
thành từng bit trước khi truyền/nhận. Để bảo đảm được sự chính xác của dữ
liệu, giữa bộ truyền và bộ nhận cần có một số tiêu chuẩn nhất định.
Trong một liên kết nối tiếp, các dữ liệu sẽ được gửi từng bit một ở mỗi
thời điểm và các bit này nối tiếp nhau. Một liên kết nối tiếp chỉ có 2 thiết bị thì
phải có đường dẫn dành cho mỗi chiều truyền hoặc là chỉ có 1 đường dẫn
được chia sẻ bởi cả 2 thiết bị với thoả thuận của 2 thiết bị này. Khi mà có 3
hoặc nhiều thiết bị, tất cả các thiết bị này thường dùng chung một đường dẫn,
và giao thức mạng quyết định xem thiết bị nào có quyền truyền nhận dữ liệu.
Một tín hiệu đòi hỏi bởi tất cả mọi liên kết nối tiếp là tín hiệu xung đồng
hồ, hoặc là có sự tham khảo về thời gian để điều khiển đường truyền dữ liệu.
Nơi truyền và nơi nhận dùng xung đồng hồ để quyết định khi nào gửi và khi
nào đọc mỗi bit.
2.4. Mạng lưới cảm biến không dây (WSN)
Các nội dung chúng tối trình bày trong chương này do chúng tôi đã tham
khảo tài liệu số [3] và [4].
Sóng vô tuyến là một dạng sóng điện từ có bước sóng từ vài mét lên đến
vài km được sử dụng trong thông tin liên lạc vô tuyến. Chúng ta có các loại
sóng vô tuyến như bảng 1.
Bảng 1: Thang các loại sóng vô tuyến
Loại sóng

Tần số (MHz)

Bước sóng (m)
13


Sóng dài


0.1-1

>1000

Sóng trung

1-10

100-1000

Sóng ngắn

10-100

10-100

Sóng cực ngắn

100-1000

1-10

Các loại sóng dài, sóng trung và sóng cực ngắn sẽ bị các phân tử trong khí
quyển hấp thụ rất mạnh nên những sóng này không thể truyền đi xa được,
khoảng cách tối đa của các loại sóng này là từ vài km đến vài chục km. Sóng
ngắn vô tuyến sẽ không bị hấp thụ mạnh. Tuy nhiên trong tầng điện li, sóng
này gần như không bị hấp thụ. Vì vậy, để có thể truyền được các sóng vô
tuyến đi xa, chúng ta cần đến sóng mang có tần số 500kHz đến 900MHz. Sóng
mang và sóng vô tuyến sẽ được trộn với nhau. Trong quá trình truyền sóng

giữa hai trạm phát và máy thu cách xa nhau, sóng mang sẽ phản xạ ở tần điện
li và mặt đất, mặt nước biển. Nhờ đó, tín hiệu của chúng ta có thể truyền đi rất
xa.
Dựa vào nguyên tắc truyền thông sóng vô tuyến, mạng không dây được
hình thành. Wireless LAN (Wireless Local Area Network) là mạng nội bộ kết
nối các máy tính với nhau thông qua qua sóng vô tuyến. Tận dụng những lợi
thế sẵn có của hệ thống mạng nội bộ có dây, mạng không dây sẽ giúp người
dùng các thiết bị có khả năng di động như laptop, thiết bị cầm tay PDA, … dễ
dàng truy cập tài nguyên trong mạng nội bộ và Internet mà không cần đến dây
cáp mạng.
Mạng lưới cảm biến không dây bao gồm một tập hợp tất cả các thiết bị
cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại, quang học,
…) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với
quy mô lớn trong bất kì điều kiện và bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng lưới này có
thể liên kết trực tiếp với các nút giám sát hoặc gián tiếp thông qua các điểm
thu phát, cũng có thể là mạng công cộng như Internet, hay vệ tinh. Với mạng
lưới cảm biến không dây này, chúng ta có thể thực hiện được các mục đích
khác nhau như điều khiển, giám sát và an ninh, kiểm tra môi trường, tạo không
gian sống văn minh, khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp, … Lợi
điểm lớn nhất của hệ thống này chính là chúng có thể được bố trí trên bất kì

14


một loại hình địa lý nào, kể cả môi trường nguy hiểm, không thể sử dụng
mạng lưới cảm biến có dây.
Mạng lưới cảm biến không dây là đóng vai trò quan trọng trọng trong hạ
tầng của Internet of Things. Mô hình này sẽ phân bố các kết nối mạng ở mọi
nơi nhằm thu thập được các dữ liệu từ những cảm biến, các bộ truyền động
Servo, … thông qua các giao thức không dây. Sau đó, các dữ liệu đã thu thập

được truyền tới máy tính có kết nối Internet.
Mạng lưới này được kết nối giao thức mạng và các thiết bị IoT. Chúng ta
có thể sử dụng các giải pháp thu thập không dây và truyền nhận các thông tin
analog/digital tùy theo điều kiện và mục đích sử dụng. Thông thường, để kết
nối, chúng ta sẽ sử dụng chuẩn IEEE. Ngoài ra, chúng ta cũng có thể sử dụng
nhiều giao thức khác, chẳng hạn: WirelessHART, ZigBee, …Bên cạnh những
giao thức kết nối, các remote I/O sẽ được kết nối với các cảm biến. Nhờ vậy,
các tín hiệu có thể được truyền đi xa giúp ta có thể đo đạc và thu thập mà
không cần ở gần các cảm biến, cơ cấu chấp hành, …Wireless Sensor Network
có rất nhiều các nút mạng. Mô hình kết nối WSN được thể hiện như Hình 2.4.
Mỗi nút mạng có thể được kết nối với một hay nhiều các cảm biến. Các mạng
lưới này đều có 3 phần như sau:
- Gateway: Là trung tâm thu thập, chuyển đổi và truyền dữ liệu đến đến
các thiết bị khác.
- Router: Để tín hiệu được đảm bảo trên đường truyền đầy đủ từ các
Gateway đến nút cuối, chúng ta cần phải dùng router để tăng cường độ tín
hiệu không dây và chọn đường đường đi tối ưu cho truyền thông không dây.
- End device (End node): Đây là một remote I/O không dây. Thông tin
được đo đạc từ các cảm biến và truyền tải qua các nút mạng trong mạng lưới.
Có thể truyền trực tiếp hoặc thông qua Router tùy vào khoảng cách.

15