TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Xây dựng hệ thống giám sát tòa nhà dựa
trên Thingsboard IoT Platform
HỒ ĐÌNH TÂN
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Giảng viên hướng dẫn: TS. Trần Hồng Hải
Viện:

Viện Cơng nghệ thông tin và Truyền thông

HÀ NỘI, 2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Xây dựng hệ thống giám sát tòa nhà dựa
trên Thingsboard IoT Platform
HỒ ĐÌNH TÂN
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Giảng viên hướng dẫn: TS. Trần Hồng Hải
Chữ ký của GVHD

Viện:

Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông

HÀ NỘI, 2020


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới Thầy giáo - TS Trần
Hoàng Hải - Giảng viên, Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông, Trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội đã hướng dẫn và cho tơi những lời khun trong q trình
thực hiện luận văn này.
Tiếp theo, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Công nghệ
thông tin và truyền thông, Viện đào tạo sau đại học, Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại
trường.
Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn tới những người thân trong gia đình,
bạn bè và đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ để tơi hồn thành bản luận văn
này.
Hà Nội, ngày… tháng… năm 2020
Tác giả

Hồ Đình Tân


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

........................................................................................................ 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT TÒA NHÀ ................... 3
1.1 Tổng quan về hệ thống giám sát sử dụng công nghệ IoT ..................................... 3
1.1.1 Mục đích và tính tăng hệ thống giám sát ........................................................... 3
1.1.2 Mơ hình hệ thống giám sát ................................................................................. 4

1.2 Khái niệm hệ thống IoT ........................................................................................ 5
1.2.1 Khái niệm IoT .................................................................................................... 5
1.2.2 Thành phần trong mơ hình hệ thống IoT ........................................................... 7
1.3 Giao thức MQTT sử dụng trong IoT..................................................................... 8
1.3.1 Giới thiệu giao thức MQTT ............................................................................... 8
1.3.2 Một số khái niệm ................................................................................................ 9
1.3.3 Cách hoạt động ................................................................................................. 11
1.3.4 Bảo mật 11
1.4 Giới thiệu một số nền tảng IoT ........................................................................... 12
1.4.1 Nền tảng Amazon web service IoT Platform ................................................... 12
1.4.2 Nền tảng IoT Google cloud platform ............................................................... 13
1.4.3 Nền tảng Thingsboard IoT Platform ................................................................ 14
1.5 Kết luận chương 1 ............................................................................................... 15
Chương 2: IOT PLATFORM MÃ NGUỒN MỞ ................................................. 17
2.1 Nền tảng IoT mã nguồn mở Thingsboard ........................................................... 17
2.1.1 Cấu trúc hệ thống Thingsboard ........................................................................ 17
2.1.2 Các hoạt động của Thingsboard ....................................................................... 19
2.2 Kết luận chương 2 ............................................................................................... 21
Chương 3 :THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG TRIỂN KHAI GIÁM SÁT TÒA
NHÀ

...................................................................................................... 22

3.1 Mục tiêu giám sát cảnh báo tòa nhà Thư viện Tạ Quang Bửu ............................ 22
3.2 Thiết kế tổng thể.................................................................................................. 23
3.2.1 Giả lập hệ thống cảm biến, thiết bị. ................................................................. 28
3.2.2 Tạo thiết bị Thingsboard liên kết tương ứng thực tế........................................ 35
3.2.3 Thiết kế Widgets giao diện ứng dụng .............................................................. 38
3.2.4 Kết nối dữ liệu đến Thingsboard ...................................................................... 42


i


3.3 Vận hành và kết quả thu được ............................................................................ 44
3.3.1 Một số kịch bản thực hiện .................................................................................44
3.3.2 Kết quả giao diện vận hành ...............................................................................49
3.4 Đánh giá về hệ thống giám sát sử dụng Thingsboard IoT Platform ................... 51
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................. 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 53
PHỤ LỤC

...................................................................................................... 55

ii


DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

IoT

Internet of Things

Internet Vạn Vật

AI


Artificial Intelligence

Trí tuệ nhân tạo

MQTT

Message Queue
Telemetry Transport

Giao thức mạng nhẹ, vận
chuyển tin nhắn giữa các
thiết bị. Giao thức thường
chạy trên TCP / IP.

CE

Community Edition

Phiên bản cộng đồng

PE

Professional Edition

Phiên bản chuyên nghiệp

BMS

Building Management

System

Hệ thống quản lý tòa nhà

M2M

Machine to Machine

Tương tác giữa máy với
máy

QoS

Qualities of Service

Chất lượng dịch vụ

AWS

Amazon Web Service

Dịch vụ web của Amazon

GCP

Google Cloud Platform

Nền tảng dịch vụ điện
toán đám mây của Google


HTTP

HyperText Transfer
Protocol

Giao thức truyền tải siêu
văn bản

HLS

HTTP Live Streaming

Truyền trực tiếp qua
HTTp

IP

Internet Protocol

Địa chỉ giao thức internet

DBMS

Database Management
System

Hệ quản trị cơ sở dữ liệu

ODBC


Open Database
Connectivity

Kết nối cơ sở dữ liệu mở

iii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Danh sách IoT Hub và các thiết bị kết nối .......................................... 31

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Kết nối mọi vật ...................................................................................... 6
Hình 1.2. Các thành phần cơ bản của mơ hình hệ thống IoT ................................ 7
Hình 1.3. Mơ tả giao thức MQTT trong hệ thống IoT ........................................... 9
Hình 1.4. Mơ tả hoạt động của QoS trong giao thức MQTT .............................. 10
Hình 1.5. Mô tả cơ chế hoạt động của giao thứ MQTT ...................................... 11
Hình 1.6. Hệ thống AWS IoT của Amazon ........................................................ 12
Hình 1.7. Hệ thống IoT Core của Google Cloud Platform ................................. 13
Hình 1.8. Hệ thống Thingsboard IoT Platform ................................................... 14
Hình 1.9. So sánh Thingsboard với một số IoT Platform mã nguồn mở được đánh
giá cao. ................................................................................................................ 15
Hình 2.1. Cấu trúc tổng quan high-level của Thingsboard ................................. 17
Hình 2.2. Sơ đồ kết nối thiết bị với Thingsboard ................................................ 19
Hình 2.3. Hệ thống Rule chain của Thingsboard IoT Platform .......................... 20
Hình 2.4. Giao diện thiết kế Rule Chain .............................................................. 21
Hình 3.1. Tịa nhà thư viện Tạ Quang Bửu ......................................................... 22

Hình 3.2. Mô tả xây dựng hệ thống quản lý giám sát .......................................... 23
Hình 3.3. Mơ tả thiết kế vi điều khiển tích hợp cảm biến nhiệt độ, độ ẩm .......... 25
Hình 3.4. Mơ tả thiết kế tích hợp cảm các cảm biến cảnh báo sự cố ................... 26
Hình 3.5. Mơ tả thiết bị kết nối với IoT Hub ....................................................... 27
Hình 3.6. Quy trình tạo hệ thống cảm biến, thiết bị trên thingsboard ................. 29
Hình 3.7. Thiết lập vị trí các thiết bị, cảm biến sử dụng labelme ........................ 30
Hình 3.8. Quy trình tạo thiết bị, cảm biến trên thingsboard ................................ 33
Hình 3.9. Các thiết bị được tạo ra từ các tầng ...................................................... 34
Hình 3.10. Thơng số thiết bị sau khi được tạo vị trí ............................................ 34
Hình 3.11. Tạo thiết bị liên kết tương ứng thực tế ............................................... 35
Hình 3.12. Minh họa mức nhiệt độ ...................................................................... 36
Hình 3.11. Minh họa trạng thái báo cháy ............................................................. 36
Hình 3.12. Minh họa trạng thái báo khói ............................................................. 37
Hình 3.13. Minh họa trạng thái phun nước .......................................................... 37
Hình 3.14. Minh họa trạng thái điều hịa ............................................................. 37
Hình 3.15. Minh họa Camera giám sát ................................................................ 38

v


Hình 3.16. Giao diện thiết kế các bảng giám sát cho thư viện Tạ Quang Bửu.... 39
Hình 3.17. Giao diện thể hiện trạng thái và vị trí các thiết bị, cảm biến ............. 39
Hình 3.18. Biểu đồ nhiệt độ ................................................................................. 40
Hình 3.19. Trạng thái các thiết bị tầng 1 ............................................................. 40
Hình 3.20. Thơng báo cảnh báo nhiệt độ cao, sự cố ............................................ 41
Hình 3.21. Camera giám sát ................................................................................ 41
Hình 3.22. Hình ảnh Root Rule chain ................................................................. 42
Hình 3.23. Hình ảnh Rule chain dành cho cảnh báo nhiệt độ. ............................ 42
Hình 3.24. Tiến hành chạy dữ liệu giả lập ........................................................... 43
Hình 3.25. Thiết bị giả lập nhận được thông số lên thiết bị tương ứng trên

Thingsboard ......................................................................................................... 44
Hình 3.26. Giả lập trạng thái cảm biến nhiệt độ cao ........................................... 45
Hình 3.27. Hiển thị cảnh báo nhiệt độ cao........................................................... 45
Hình 3.28.Cảnh báo nhiệt độ cao thơng qua email và Line ................................. 46
Hình 3.29. Giả lập trạng thái cảm biến khói báo có khói .................................... 46
Hình 3.30. Hiển thị cảnh báo có cảnh báo khói ................................................... 47
Hình 3.31. Cảnh báo có báo khói thơng qua email và Line................................. 47
Hình 3.32. Giả lập cảnh báo báo cháy ................................................................. 48
Hình 3.33. Hiển thị cảnh báo báo cháy ................................................................ 48
Hình 3.34. Cảnh báo báo cháy thơng qua Email và LINE .................................. 49
Hình 3.35. Kết quả đầu vào Thingsboard, nhận thơng qua POST TELEMETRY
.............................................................................................................................. 50
Hình 3.36. Hình ảnh tổng hợp thông số các dữ liệu từ thiết bị của tầng 1. ......... 50
Hình 3.37. Hình ảnh tồn bộ giám sát 5 tầng thư viện Tạ Quang Bửu ............... 51

vi


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 diễn ra với tốc độ nhanh theo cấp số
nhân đang làm thay đổi bối cảnh tồn cầu và có tác động ngày một gia tăng đến
tất cả các quốc gia, để thay đổi kịp theo xu hướng thế giới chúng ta cần phải cập
nhật và học hỏi liên tục các cơng nghệ cốt lõi hàng đầu như Trí tuệ nhân tạo và
học máy (AI and Machine Learning), Internet vạn vật (IoT), Dữ liệu lớn (Big
Data), Blockchains, Cloud,...
Trong đó học viên nhận thấy Internet vạn vật (IoT) có thể được ứng dụng
thực tế phù hợp với môi trường ở Việt Nam vì chúng ta đang trên đà phát triển
nhanh nhưng cũng phải cần có sự an tồn và tính ổn định để kiểm sốt, quản lý
chặt chẽ phịng ngừa rủi ro, nhất là các tòa nhà cao tầng tiềm ẩn nhiều nguy cơ.

Đồng thời làm quen với các hệ thống IoT kết hợp các công nghệ 4.0 khác trong
tương lai như AI, Big Data, Cloud, ...
Vì những lẽ đó, kết hợp với tình hình thực tế cơng việc của bản thân, học
viên xin chọn đề tài: “Xây dựng hệ thống giám sát tòa nhà dựa trên Thingsboard
IoT Platform.”.
2. Nhiệm vụ đặt ra
- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống giám sát tòa nhà (yêu cầu từ người sử
dụng, những vấn đề kỹ thuật, mơ hình triển khai.)
- Tìm hiểu các kiến thức lý thuyết về hệ thống IoT, các công nghệ được sử
dụng.
- Tìm hiểu Thingsboard IoT Platform, các chức năng, đặc trưng.
- Triển khai thử nghiệm hệ thống giám sát, cảnh báo cho tòa nhà Thư viện
Tạ Quang Bửu.
3. Phương pháp thực hiện
Hiện nay có khá nhiều hệ thống IoT platform công cụ giám sát hỗ trợ cho
công việc người quản lý tòa nhà. Chức năng của chúng là giám sát trạng thái hoạt
động của các thiết bị cảnh báo, các thiết bị giám sát, hệ thống cảm biến trong tịa
nhà và gửi thơng tin đến màn hình giám sát để cảnh báo cho người quản lý khi có
sự cố hoặc có khả năng sẽ xảy ra sự cố, cùng đó là tích hợp được các dữ liệu đến
Cloud hay Big Data, tích hợp cả hệ thống AI, ML.

1


Có những hệ thống thương mại như Amazon Web Services IoT Platform,
Microsoft Azure IoT Hub, IBM Watson IoT Platform, Google Cloud Platform, ...
Ưu điểm là chất lượng tốt, chế độ bảo trì, bảo hành rất tốt tuy nhiên lại thường có
chi phí cao và việc dữ liệu của hệ thống được lưu trữ ở server ở nước ngoài, vốn
là điều không tốt khi gặp phải vấn đề bảo mật quốc gia.
Trong khi đó cịn khá nhiều hệ thống IoT platform hoạt động khá tốt và

đạt được các mục tiêu của hệ thống giám sát tòa nhà như Thingsboard,
DeviceHive, Thinger.io. Trong luận văn này, học viên tiếp cận dựa trên
Thingsboard, một hệ thống IoT platform mã nguồn mở cho phép triển khai giám
sát các tòa nhà, tổ hợp thiết bị, cảm biến trong hệ thống mạng. Mục tiêu hướng
đến là giúp cho mọi người có cách nhìn tổng quan về một hệ thống giám sát tịa
nhà hồn chỉnh, đồng thời đưa ra một giải pháp cụ thể đối với một hệ thống giám
sát cho các tòa nhà.
Đối tượng nghiên cứu của luận văn bao gồm: Tổng quan về xây dựng hệ
thống giám sát tòa nhà ứng dụng Iot Platform mã nguồn mở.
Để thực hiện được mục đích nghiên cứu nêu trên, phương pháp nghiên
cứu sử dụng trong luận văn là phương pháp nghiên cứu lý thuyết và kết hợp với
phương pháp triển khai thực nghiệm. Để có thể làm được thì học viên phải thu
thập tài liệu từ nhiều nguồn thông tin khác nhau bao gồm: Internet, sách báo và
những người có kinh nghiệm…
4. Bố cục luận văn
Bố cục luận văn nội dung chính gồm 4 chương:
Chương 1. Tổng quan về hệ thống giám sát tòa nhà.
Chương 2. Các IoT Platform mã nguồn mở.
Chương 3. Triển khai giám sát tòa nhà trong thực tế (giám sát hệ thống
cảnh báo tòa nhà Thư viện Tạ Quang Bửu).
Chương 4: Kết luận và hướng phát triển
Tài liệu tham khảo

2


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT TÒA NHÀ
1.1 Tổng quan về hệ thống giám sát sử dụng cơng nghệ IoT
1.1.1 Mục đích và tính tăng hệ thống giám sát
1.1.1.1 Mục đích hệ thống giám sát

Hiện nay ngày càng có nhiều tịa nhà cao tầng, chung cư lớn được xây
dựng nên trong đó rất nhiều người hằng ngày thường xuyên sinh hoạt và làm việc
ở đó. Việc cần có hệ thống giám sát mọi lúc mọi nơi để có thể đảm bảo an tồn
cho mọi người. Các hệ thống giám sát tòa nhà đã được xây dựng rất nhiều và vận
hành trên toàn thế giới cũng như tại Việt Nam.
Đồng thời có nhiều đơn vị trong và ngồi ngành có nhu cầu về một hệ
thống cảnh báo và giám sát từ xa. Hệ thống cảnh báo này phải có tính năng giám
sát các thơng số (nhiệt độ, cửa, điện áp, dịng điện, điều hồ …), quan sát bằng
hình ảnh qua camera, có kết nối mạng để theo dõi từ trung tâm và lưu trữ thông
tin. Đây là một hệ thống cảnh báo, theo dõi từ xa có mức độ phức tạp tương đối
cao. Hệ thống này thích hợp cho việc theo dõi các trạm viễn thông không người,
theo dõi kho, bãi, theo dõi các tòa nhà, khu vực cấm đột nhập….
1.1.1.2 Tính năng hệ thống giám sát
Hệ thống giám sát tịa nhà phải đảm bảo tính năng cơ bản để phục vụ an
tồn và độ ổn tính lúc đó mới có thể nâng cấp hệ thống phù hợp với các ứng dụng
hiện đại hơn.
Sau đây là một số tính năng mà mọi hệ thống giám sát tịa nhà đều hướng tới: [8]
● Nhiệt độ môi trường, nhiệt độ thiết bị.
● Trạng thái cửa ra vào.
● Điện áp, dòng điện nguồn, điện áp, dòng điện sau bộ nguồn, điện áp dịng
điện tổ ắc quy.
● Cảnh báo khói, cháy, độ ẩm.
● Ngập nước.
● Giám sát hệ thống đường dây.
● Giám sát bằng hình ảnh thơng qua IP Camera.
● Phát lệnh cảnh báo bằng chng, cịi, nhắn tin, gọi điện, cảnh báo qua
mạng tới trung tâm.

3



● Điều khiển các hoạt động khi có sự cố: chữa cháy, ngắt nguồn, đóng khố
…
● Điều khiển các thiết bị tự động: ví dụ bật tắt điều hồ để đạt nhiệt độ, bật
tắt quạt thơng gió để đạt độ ẩm.
● Kết nối mạng toàn bộ hệ thống: cho phép quan sát, điều khiển toàn bộ
trạm từ xa.
●

Phương thức liên kết đa dạng: qua điện thoại, qua mạng LAN, qua
internet … Độ lớn của mạng tương đối cao.

● Độ an tồn cao.
● Chi phí vừa phải.
● Dễ dàng mở rộng tính năng.
1.1.2

Mơ hình hệ thống giám sát
Hệ thống điều khiển tự động tịa nhà được thiết kế theo mơ hình điều

khiển phân lớp. Một hệ thống giám sát tòa nhà thường được thiết kế theo mơ
hình 4 lớp:
●

Lớp hiện trường:
Là lớp gồm các thiết bị như cảm biến: cảm biến nhiệt độ, ánh sáng,
chuyển động, hồng ngoại… các bộ chấp hành u cầu như: Điều hồ
khơng khí, quạt thơng gió, thang máy… các bộ điều khiển cục bộ để giao
tiếp trực tiếp với các khu vực có các ứng dụng cần điều khiển. Các thiết bị
hiện trường có khả năng tự giao tiếp với nhau, hoặc qua bộ điều khiển.

Cảm biến sẽ gửi thông số của hệ thống, của môi trường tới bộ điều khiển.
Bộ điều khiển sẽ xử lý thơng điệp đó và gửi tới thiết bị chấp hành. Thiết bị
chấp hành có thể nhận ngay yêu cầu từ các thiết bị cảm biến, hoặc từ hệ
thống quản lý giám sát.

●

Lớp điều khiển:
Kết nối từ trung tâm điều khiển tới mức điều khiển các ứng dụng
trong tịa nhà thơng qua các điều khiển sử dụng giao thức TCP/IP, hoặc
điều khiển thông qua các bộ điều khiển địa phương, khu vực, các giao
diện tới các hệ thống phụ trợ như: điều hịa khơng khí, báo cháy, chữa
cháy, hệ thống điện…

●

Lớp vận hành giám sát:

4


Khối vận hành giám sát có chức năng vận hành và quản lý hệ thống dữ
liệu, hiển thị trung tâm điều khiển, mức quản lý bao gồm các hệ thống máy chủ
dữ liệu, trạm làm việc được cài đặt các phần mềm quản lý bảo dưỡng, và máy
tính dành cho việc lập trình và cấu hình hệ thống. Với chức năng chính là:
❏ Quản lý tồn bộ tồ nhà
❏ Giám sát vận hành của các thiết bị, giám sát sự cố xảy ra.
❏ Gửi yêu cầu đến bộ điều khiển hiện trường.
● Lớp quản lý.
Khối này thực ra được cài đặt ngay ở khối vận hành giám sát. Chức năng

chính của nó là cài đặt kế hoạch làm việc. Kết nối vận hành từ xa qua mạng viễn
thông, internet… Làm các công việc nghiệp vụ cho từng thiết bị phân tích và xử
lý.
1.2 Khái niệm hệ thống IoT
1.2.1 Khái niệm IoT
IoT có thể được coi là một tầm nhìn sâu rộng của công nghệ và cuộc sống.
Từ quan điểm của tiêu chuẩn kỹ thuật, IoT có thể được xem như là một cơ sở hạ
tầng mang tính tồn cầu cho xã hội thông tin, tạo điều kiện cho các dịch vụ tiên
tiến thông qua sự liên kết các "Things". IoT dự kiến sẽ tích hợp rất nhiều cơng
nghệ mới, chẳng hạn như các công nghệ thông tin M2M, mạng tự trị, khai thác
dữ liệu và ra quyết định, bảo vệ sự an ninh và riêng tư, điện toán đám mây. Như
hình dưới, một hệ thống thơng tin trước đây đã mang đến 2 chiều - Kết nối mọi
lúc "Any TIME" và Kết nối mọi nơi "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).

5


Hình 1.1. Kết nối mọi vật [2]
Trong hệ thống IoT, "Things" là đối tượng của thế giới vật chất (Physical)
hoặc các thơng tin (Virtual). "Things" có khả năng nhận diện và có thể tích hợp
vào mạng thơng tin. "Things" có liên quan đến thơng tin, có thể tĩnh hay động.
"Physical Things" bao gồm các môi trường xung quanh, robot công nghiệp, hàng
hóa hay thiết bị điện. "Virtual Things" tồn tại trong thế giới thơng tin và có khả
năng được lưu trữ, xử lý hay truy cập. Ví dụ về "Virtual Things" bao gồm các nội
dung đa phương tiện và các phần mềm ứng dụng.[2]

6



1.2.2 Thành phần trong mơ hình hệ thống IoT
Với khái niệm mơ phạm trên, người mới tiếp cận có thể khó có thể nhận
diện tốt một hệ thống IoT là như thế nào. Tuy nhiên các mơ hình hệ thống IoT lại
có những điểm chung và có các thành phần cơ bản như hình dưới đây.

Hình 1.2. Các thành phần cơ bản của mơ hình hệ thống IoT [10]
Mỗi thành phần đều có nhiệm vụ quan trọng trong hệ thống IoT và có
chức năng cụ thể:
1.

Kết nối: Thành phần đảm bảo kết nối giữa thiết bị với nhau, giữa các hệ

thống máy chủ, giữa người và hệ thống. Đồng thời đồng bộ được dữ liệu giữa
các kết nối.
2.

Quản lý thiết bị: Quản lý các thiết bị trong hệ thống cần phải có độ chính

xác, ổn định. Khơng được có sự sai sót số liệu dữ liệu, quản lý trực tiếp hoặc
thông qua các gateway ngoại biên - Edge gateway.
3.

Cơ sở dữ liệu: Ngoài lưu trữ dữ liệu quan trọng của thiết bị, nó phải có

khả năng mở rộng đáp ứng các yêu cầu cho các cơ sở dữ liệu lớn dựa trên đám
mây. Thành phần này phải có khả năng mở rộng khối lượng, đảm bảo sự đa
dạng, vận tốc và độ tin cậy của dữ liệu.
4.


Quản lý và xử lý hoạt động: Chức năng đưa dữ liệu vào hoạt động dựa

trên nguyên tắc Event-Action-Triggers cho phép thực thi các hoạt động “thông
minh” dựa trên dữ liệu từ cảm biến cụ thể.

7


5.

Phân tích: Đây có thể được coi là bộ não của nền tảng IoT. Thành phần

này có chức năng thực hiện hàng loạt các phân tích phức tạp từ việc phân cụm
dữ liệu cơ bản và khả năng tự học để tự phân tích, dự đốn, trích xuất những dữ
liệu giá trị nhất trong luồng dữ liệu IoT.
6.

Giao diện biểu diễn dữ liệu: Biểu diễn dữ liệu từ dữ liệu thô (Raw) từ

các cảm biến, thiết bị. Cho phép con người xem xét các mẫu và quan sát các xu
hướng từ bảng điều khiển trực quan, nơi dữ liệu được miêu tả sinh động qua
biểu đồ đường thẳng, hình họa mô phỏng.
7.

Công cụ bổ sung: Thành phần này cho phép các nhà phát triển IoT thử

nghiệm và trước khi đưa sản phẩm ra thị trường với các trường hợp sử dụng
được biểu diễn trên hệ sinh thái mô phỏng dùng để hiển thị, quản lý và kiểm
soát thiết bị kết nối.
8.


Các giao thức kết nối với hệ thống khác bên ngồi: Đây là nơi cho phép

tích hợp với các hệ thống của bên thứ ba và phần còn lại của hệ thống CNTT
như kết nối hệ thống với cảnh báo nhắn tin mạng xã hội Line Messenger, thơng
báo tình trạng giám sát tự động qua facebook, ...
1.3 Giao thức MQTT sử dụng trong IoT
1.3.1 Giới thiệu giao thức MQTT
Một trong những giao thức thường được sử dụng trong các hệ thống IoT
đó chính là MQTT (Message Queue Telemetry Transport). Trong phần thực
nghiệm và lý thuyết của bài tìm hiểu, có sử dụng giao thức MQTT để gửi dữ liệu
từ thiết bị lên nền tảng IoT. Chính vì vậy học viên muốn có một số lý thuyết để
hiểu rõ hơn về giao thức này.
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một giao thức gửi
dạng publish/subscribe sử dụng cho các thiết bị Internet of Things với băng thông
thấp, độ tin cậy cao và khả năng được sử dụng trong mạng lưới không ổn định.
Và vì thế giao thức này sử dụng băng thơng thấp trong mơi trường có độ trễ cao
nên nó là một giao thức lý tưởng cho các ứng dụng M2M.

8


Hình 1.3. Mơ tả giao thức MQTT trong hệ thống IoT[5]
Chúng ta có thể nhận thấy điều này qua ứng dụng Facebook Messenger
(có sử dụng giao thức MQTT) thì tốc độ và chất lượng của kết nối rất là tốt, và
các nền tảng IoT hiện nay đều cung cấp giao thức MQTT trong hệ thống như
AWS IoT, Google Cloud Platform, DevicesHive, Thingsboard, Thinger.io, …
1.3.2 Một số khái niệm
Sau đây là một số khái niệm cơ bản của giao thức MQTT mà học viên cần
biết khi muốn sử dụng giao thức này cho các liên lạc giữa các thành phần trong

hệ thống, từ các khái niệm cơ bản này học viên có cái nhìn rõ hơn về cách hoạt
động của một giao thức được đánh giá cao và sử dụng nhiều trong các hệ thống
IoT hiện nay. [5]
❖ MQTT Client
Client thực hiện subscribe đến topic để nhận các message hoặc thực hiện
publish message.
❖ MQTT server (broker)
Server chạy các topic, nhận các message từ client và phân phối chúng đến
các client subscribe topic đó.
❖ Topic
Là các hàng đợi chứa message cho phép các client trao đổi thông tin và dữ
liệu với nhau.

9


❖ QoS (Qualities of Service)

Hình 1.4. Mơ tả hoạt động của QoS trong giao thức MQTT [5]
Là một thỏa thuận giữa publisher và subscriber trong quá trình gửi và
nhận message. Có 3 loại QoS:
➢ QoS 0 At most once: Gửi dữ liệu đúng một lần và không cần xác
nhận xem bên nhận đã nhận được dữ liệu hay chưa.
➢ QoS 1 At least once: Gửi dữ liệu và chờ xem bên nhận có phản hồi
lại hay khơng. Nếu khơng thấy phản hồi trong khoảng thời gian chỉ
định thì bên gửi sẽ tiến hành gửi lại message. Do đó có thể dẫn đến
một message được gửi nhiều lần.
➢ QoS 2 Exactly once: Là mức cao nhất QoS, nó đảm bảo mỗi
message chỉ được gửi đúng một lần. Quá trình này trải qua 4 bước
bắt tay giữa người gửi và người nhận

❖ Retail
➢ Nếu set retail = true, broker sẽ giữ lại message để khi có client
subscribe topic, message đó sẽ được gửi cho client đã subscribe.
Mỗi topic sẽ chỉ có 1 retail message.
➢ Message tiếp theo sẽ thay thế cho message trước đó.

10


1.3.3 Cách hoạt động

Hình 1.5. Mơ tả cơ chế hoạt động của giao thứ MQTT [5]
Trong hệ thống sử dụng giao thức MQTT, nhiều client, gọi là node sẽ kết
nối tới một MQTT server (broker). Mỗi client sẽ có thể đăng ký một hoặc nhiều
kênh (topic). Quá trình đăng ký này gọi là subscribe. Khi mà client đã subscribe
một kênh nào đó, thì có khả năng nhận được dữ liệu, thơng tin cập nhật ở kênh
đó gọi tới. Cơ chế dữ liệu ở các kênh chính là thơng điệp hàng đợi (Message
Queue).
Vậy ở phía chiều ngược lại, làm thế nào để cập nhật dữ liệu vào các kênh
đó. Khi đó có một hoặc nhiều Client sẽ gửi dữ liệu tới kênh đó, gọi là publish.
Đây là cơ chế được sử dụng nhiều ở các hệ thống IoT, hay các hệ thống lĩnh vực
khác.
1.3.4 Bảo mật
MQTT được thiết kế một cách nhẹ và linh hoạt nhất có thể. Do đó nó chỉ
có 1 lớp bảo mật ở tầng ứng dụng: bảo mật bằng xác thực (xác thực các client
được quyền truy cập tới broker). Tuy vậy, MQTT vẫn có thể được cài đặt kết hợp
với các giải pháp bảo mật đa tầng khác như kết hợp với VPN ở tầng mạng hoặc
SSL/TLS ở tầng transport.
MQTT được thiết kế nhằm phục vụ truyền thơng machine-to-machine
nhưng thực tế chứng minh nó lại linh hoạt hơn mong đợi. Nó hồn tồn có thể áp

dụng cho các kịch bản truyền thông khác như: machine-to-cloud, cloud-tomachine, app-to-app. Chỉ cần có một broker phù hợp và MQTT client được cài

11


đặt đúng cách, các thiết bị xây dựng trên nhiều nền tảng khác nhau có thể giao
tiếp với nhau một cách dễ dàng.
Giao thức MQTT ra đời năm 1999 và tính đến thời điểm hiện tại, MQTT
phiên bản 5 được công nhận chuẩn OASIS.
1.4 Giới thiệu một số nền tảng IoT
1.4.1 Nền tảng Amazon web service IoT Platform
Đây là nền tảng điện toán đám mây phổ biến nhất hiện nay. Năm 2017,
Amazon đã thông báo AWS IoT platform của họ tại hội thảo Re:Invent với các
tính năng chính như sau:

Hình 1.6. Hệ thống AWS IoT của Amazon [9]
● Đăng ký nhận dạng thiết bị: Tất cả các thiết kết nối đến AWS IoT đều

được xem là một Things và AWS IoT cho phép bạn lưu các thông tin
của các thiết bị kết nối đến AWS IoT thông qua tài khoản AWS IoT.
● Cung cấp các gói phần mềm phát triển cho các thiết bị phần cứng.
● Device Shadows: Khi thiết bị kết nối đến AWS sẽ được xem là một

Device Shadow, đại diện cho danh tính và trạng thái đã biết cuối cùng
của thiết bị và cung cấp kênh để gửi và nhận dữ liệu với thiết bị.
● Secure device gateway: Là gateway bảo mật cho các thiết bị IoT.
● Rules engine: Các công cụ, quy tắc giúp giao tiếp giữa các dịch vụ của

AWS và thiết bị.


12


1.4.2 Nền tảng IoT Google cloud platform
Google Cloud là một trong những hệ thống IoT cung cấp cơng nghệ điện
tốn đám mây phổ biến nhất hiện nay.

Hình 1.7. Hệ thống IoT Core của Google Cloud Platform [9]
Với khả năng xử lý lượng dữ liệu khổng lồ bằng cách sử dụng Cloud IoT
Core, giúp Google thực sự nổi bật so với đối thủ khác. Một số tính năng của
Google cloud platform:
● Thúc đẩy phát triển doanh nghiệp: Google Cloud cung cấp các dịch vụ

tích hợp giúp các doanh nghiệp xử lý lượng dữ liệu khổng lồ bị phân
tán trên toàn cầu theo thời gian thực. Các doanh nghiệp cịn có thể sử
dụng kết hợp các giải pháp phân tích dữ liệu tiên tiến kết hợp với công
nghệ học máy từ Cloud Machine Learning Engine.
● Tăng tốc thiết bị.
● Cắt giảm chi phí bằng các dịch vụ đám mây.
● Hệ sinh thái đối tác rộng lớn.

13


1.4.3 Nền tảng Thingsboard IoT Platform
ThingsBoard là một nền tảng IoT mã nguồn mở. Nó cho phép phát triển
nhanh chóng, quản lý và mở rộng các dự án IoT. Với nền tảng Thingsboard bạn
có thể thu thập, xử lý, hiển thị trực quan và quản lý thiết bị.

Hình 1.8. Hệ thống Thingsboard IoT Platform [11]

Thingsboard cho phép kết nối thiết bị thông qua các giao thức IoT tiêu
chuẩn công nghiệp – MQTT, CoAP và HTTP ,hỗ trợ cả triển khai đám mây
(cloud) và nội bộ (local).
Ngoài ra ThingsBoard cho phép tích hợp các thiết bị được kết nối với các
hệ thống cũ và bên thứ ba bằng các giao thức hiện có. Kết nối với máy chủ OPCUA, MQTT broker, Sigfox Backend hoặc Modbus slaves chỉ trong vài phút bằng
cách kết nối qua IoT Gateway(xem hình trên).
ThingsBoard cho phép bạn tạo các Bảng điều khiển (Dashboard) IoT phong phú
để hiển thị dữ liệu và điều khiển thiết bị từ xa trong thời gian thực.
Thingsboard có cả phiên bản mất phí CE và có mất phí PE. ThingsBoard được
cấp phép theo Giấy phép Apache 2.0. Vì vậy học viên có thể sử dụng bất kỳ sản
phẩm nào trong Thingsboard CE cho các sản phẩm thương mại của mình miễn
phí.

14


Hình 1.9. So sánh Thingsboard với một số IoT Platform mã nguồn
mở được đánh giá cao. [19]
Trên đây là bảng so sánh Thingsboard với Hai nền tảng mã nguồn mở khác
là DeviceHive và Freeboard. Thingsboard vẫn còn được hỗ trợ và được đội ngũ
phát triển chăm sóc tốt, Vì thế thingsboard là một nền tảng mã nguồn mở mà
chúng ta nên sử dụng.
1.5 Kết luận chương 1
Nội dung chương 1 đưa chúng ta qua các khái niệm lý thuyết để hiểu rõ
hơn về mơ hình giám sát tịa nhà, về mơ hình nền tảng IoT, về giao thức MQTT
là cơng cụ giao thức sử dụng để xây dựng nên hệ thống.
Đối với mơ hình giám sát tịa nhà sử dụng cơng nghệ IoT, các mơ hình
đều phải có các thành phần cơ bản thiết yếu để được công nhận là một hệ thống
giám sát tịa nhà phù hợp tiêu chí như đo lường, xử lý tín hiệu, tổng hợp cảnh
báo... Các hệ thống này sử dụng công nghệ cốt lõi là IoT. Khái niệm IoT hay

đúng với tên gọi là kết nối vạn vật đưa ra cái nhìn tổng thể, bao quát hơn đối với
một hệ thống giám sát. Các tác vụ được phân chia chun mơn hóa nhưng lại đều
kết nối với nhau. Để làm được việc kết nối đó, các giao thức được sử dụng và là
cơng cụ mạnh mẽ cho việc "kết nối" các "Things". Giao thức MQTT là một trong
số đó với cơ chế publish/subscribe phù hợp với các hệ thống IoT. Giao thức
MQTT mạnh mẽ và phù hợp với hệ thống IoT được sử dụng trong tất cả các nền
tảng IoT kể cả mã nguồn đóng hay mở.

15


Tuy nhiên bên cạnh đó các nền tảng IoT cịn có nhiều cách tiếp cận khác
và cấu trúc của một nền tảng sẽ được thể hiện ở chương 2. Nội dung chương 2 sẽ
giới thiệu đến Thingsboard IoT Platform mà học viên nghiên cứu và thực
nghiệm.

16