Nghiên cứu mô hình thực thi cho Gateway trong hệ thống IoT

Nội dung text: Nghiên cứu mô hình thực thi cho Gateway trong hệ thống IoT

1. NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THỰC THI CHO GATEWAY TRONG HỆ THỐNG IOT RESEARCH OPERATION GATEWAY MODELS FOR IOT SYSTEM Nguyen Thanh Giau, Phan Van Ca Trường đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Ngoài việc kết nối với Internet và tương tác với con người theo dạng người -máy, các hệ thống IoT còn có dạng tương tác là từ máy - máy(M2M). Trên hết các thiết bị này cần được kết nối với nhau mới có thể tương tác được. Tuy nhiên các hệ thống IoT thường có các tiêu chuẩn riêng và không đồng nhất. Đề xuất thiết kế ra Gateway IoT có một lớp đệm nhằm có thể đưa các tiêu chuẩn này về một tiêu chuẩn chung. Sau khi có thể đưa về cùng một chuẩn chúng ta có thể tạo ra một cầu nối giữa các thiết bị thông qua Gateway. Từ đó các thiết bị khi cần gửi dữ liệu đến đâu chỉ cần thông qua địa chỉ đích đến Gateway sẽ thực hiện việc điều hướng dữ liệu. Xây dựng một hệ thống IoT mang tính toàn cầu thông qua các Server trên mạng WAN, Internet. Từ khóa: IoT, M2M, Gateway IoT ABSTRACT In addition to connecting to the Internet and interact with humans, IoT system can be interact with other IoT device to transfer or receiver data, Machine to Machine. However, these devices need to be connected together with some protocol to be able interact. And IoT system often have their own standards and heterogeneous. Recommend design IoT Gateways have a buffer to be able to put these standards on a common standard. After that we can put on the same standards and create a bridge between devices through Gateway. Since the equipment when needed to send data to some device on IoT network just need destination address via the Gateway will make the navigation data from source to destination. Develop a system of global IoT devices through the Server on WAN, Internet. Key words: IoT, M2M, Gateway IoT I GIỚI THIỆU tượng di chuyển trong phạm vi. Một tính chất Hiện nay các thiết bị thông minh xuất hiện của hệ thống IoT chính là khả năng hoạt động khắp mọi lĩnh vực của đời sống và khái niệm độc lập, tiêu thụ năng lượng thấp chính vì vậy Internet of Things dần được phổ biến rộng rãi và HyungWon Kim [2] đã đề xuất một phương xuất hiện trên các mặt báo, tạp chí khoa học ngày pháp mới cho phép truyền đa kênh, và định càng nhiều. Là một hệ thống thông minh cấu tuyến cho mạng hỗn hợp với mỗi nút mạng thành từ các thiết bị thông minh giúp con người tạo ra các sự kiện cho cảm biến hình ảnh. Cảm có thể thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh biến ảnh sử dụng pin để có thể kết nối không thông qua con người để đưa ra các quyết định, dây trong phạm vi lớn. Ngoài ra còn phân tích đồng thời cũng có thể tự đưa ra quyết định. năng lượng tiêu tán trên mô hình mạng cảm Ngoài việc các thiết bị thông minh được điều khiển thông qua con người thì các thiết bị đó còn biến ảnh không dây. Đồng thời đề xuất một có thể tự giao tiếp với nhau và đưa ra quyết định thuật toán nhằm định tuyến các nút cảm biến mà không cần bất kì sự can thiệp nào của con và phân bổ kênh nhằm giảm thiểu điện năng người. như công trình của Chan, H.T và các tiêu thụ. cộng sự [1] đã thực hiện việc sử dụng mạng Tuy nhiên việc xây dựng một hệ thống cảm biến các cảm biến siêu âm HB100 trong IoT với các cảm biến và thiết bị chỉ sử dụng hệ thống IoT để xây dựng một hàng rào ảo một giao thức duy nhất làm cho các hệ thống bằng sóng siêu âm, dựa vào hiệu ứng Doppler này không thể tự giao tiếp với nhau mà cần của sóng cơ để có thể tự động phát hiện đối phải thông qua một thiết bị có thể chuyển đổi 1
2. giao thức truyền dữ liệu này. Vì vậy cần có Modbus [6] tuy nhiên việc xây dựng một một Gateway IoT có thể đóng vai trò một Gateway có thể cho phép các giao thức khác thiết bị chuyển đổi tiêu chuẩn dữ liệu cũng khau có thể tự giao tiếp với nhau. như là một cổng kết nối với các mạng toàn Mô hình mà bài báo đề xuất sẽ xây dựng cầu cũng như điện toán đám mây. Từ đó giúp dựa trên các lớp thấp hơn để có thể giao tiếp hệ thống IoT có thể vươn lên một tầm cao mới với độ trễ thấp hơn cũng như cải thiện tốc độ. với các hệ thống IoT toàn cầu với số lượng Thông qua các API tương ứng với phần cứng phần tử, khả năng lưu trữ không giới hạn. Có mà xây dựng các lớp đệm nhằm mục đích thể truy xuất từ bất kì thiết bị mang nền tảng trích xuất thông tin cần thiết cho các lớp bên nào sở hữu kết nối Internet, vượt qua mọi rào trên. Nội dung bài báo đề cập tới kiến trúc, cản về khoản cách địa lý cũng như thời gian. mô hình thực thi dựa trên 4 giao thức thường Nội dung của bài báo đề xuất một kiến gặp là Zigbee, Bluetooth, Wifi, Ethernet với trúc Gateway có thể giúp cho các thiết bị IoT các phần cứng tương ứng cho Gateway là có thể thông qua đó có thể giao tiếp với nhau Xbee, HC-05, ESP8266 và ENC28J60. một cách dễ dàng mà không cần có sự can III.1 GIAO THỨC ZIGBEE thiệp của con người. Đồng thời có thể chia sẻ Giao thức Zigbee là một giao thức được tài nguyên của bản thân cho toàn bộ hệ thống. sử dụng rộng rãi ở các hệ thống IoT bởi khả Bài báo còn đề xuất một lớp chuyển đổi tiêu năng quản lý các thiết bị và độ ổn định của hệ chuẩn giúp cho việc mở rộng các tiêu chuẩn thống. Để có thể giao tiếp được với một thiết của Gateway một cách dễ dàng mà không cần bị Zigbee thông qua Gateway ta cần có một thay đổi các lớp bên trên. Bên cạnh đó còn phần cứng tương ứng và API. Từ đó đề xuất trình bày kiến trúc quản lý các mạng IoT có một lớp đệm để nhằm trích xuất thông tin sở hữu Gateway này thông qua mạng toàn cầu thông qua API và tái cấu trúc tại lớp bên trên. thông qua điện toán đám mây hay các Server được đặt bên trên đám mây giúp cho các hệ thống IoT có thể truy xuất liên Server. Ngoài việc cho phép các thiết bị bên dưới truy xuất dữ liệu dạng ngang hàng mà còn cho phép các thiết bị bên trong truy xuất ra bên ngoài Internet cũng như chiều ngược lại. II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Người viết thực hiện phương pháp mô hình hóa và thực nghiệm trên phần cứng thực tế. Thông qua các kiến trúc IoT đã có từ trước tìm các giao thức, lớp giao thức cho phép. Từ Hình 1: Lớp đệm Zigbee đó xây dựng các lớp định tuyến dữ liệu cho Từ dây có thể trích xuất thông tin cũng như phép trích xuất thông tin và điều hướng dữ có thể sử dụng tài nguyên từ mạng Zigbee cho các liệu đến và đi. thiết bị khác. III GATEWAY IOT III.2 GIAO THỨC BLUETOOTH Gateway IoT đã có rất nhiều công trình Đối với các ứng dụng IoT mà có các phần đạt được thành công nhất định như Qian Zhu tử là các thiết bị di động thì Bluetooth và cộng sự [3] đã đề xuất một hệ thống đóng vai trò quan trọng bởi khả năng kết nối Gateway trên nền tảng Zigbee và giao thức và tốc độ. Đối với giao thức Bluetooth bài báo GPRS cho các ứng dụng điển hình và các yêu khai thác thông qua giao thức RFCOMM để cầu từ nhà mạng. Trên nhiều giao thức như có thể thực hiện việc trích xuất thông tin và SNAIL [4] dựa trên TCP/IP, RS485 [5], khai thác tài nguyên thông qua Bluetooth. 2
3. Hình 2: Lớp đệm Bluetooth Bởi vì với hệ thống IoT thì độ ưu tiên của hệ thống không phải là tốc độ truyền tải mà là độ ổn định và thời gian hoạt động, cho nên việc khai thác dựa trên lớp RFCOMM sẽ cho tốc độ đáp ứng và độ ổn định cao hơn. Hình 4: Kiến trúc tổng thể Gateway Kiến trúc tổng thể của Gateway đề xuất III.3 GIAO THỨC WIFI VÀ ETHERNET dựa trên các lớp đệm đã đưa ra bên trên để có Hiện nay đối với các thiết bị IoT sử dụng thể trích xuất các gói tin trong mạng IoT của trong nhà với khả năng tiết kiệm điện cũng từng tiêu chuẩn để tiến hành định tuyến cho như việc tận dụng mạng Wifi hay Ethernet có các gói tin tới các tiêu chẩn khác ngoài mạng. sẵn để có thể xây dựng một hệ IoT nhanh Ngoài ra còn thực hiện quản lý và giám sát chóng hơn. Từ đây ta có thể thực hiện các truy các thiết bị của từng tiêu chuẩn có trong vấn mà TCP/IP cho phép cũng như thực hiện mạng. các truy vấn liên server của HTTP như GET, IV.1 KHỐI ĐÓNG GÓI DỮ LIỆU POST. Cho phép việc tải lên/xuống dữ liệu từ Quá trình trích xuất và đóng gói dữ liệu đám mây một cách dễ dàng. như sau. Hình 5: Sơ đồ đóng gói dữ liệu Trong quá trình này Gateway đóng vai Hinh 3: Lớp đệm WIFI/Ethernet ̀ trò tách các thông tin cần thiết thông qua API IV KIẾN TRÚC TỔNG THỂ GATEWAY từng tiêu chuẩn sau đó thực hiện đóng gói Kiến trúc tổng thể Gateway như sau. theo chuẩn mới để chuẩn bị định tuyến dữ liệu trong lớp tiếp theo 3
4. IV.2 KHỐI ĐỊNH TUYẾN V CÁC API CƠ BẢN GATEWAY Ở lớp này thực hiện trích xuất địa chỉ từ Thông qua các hàm API mà các Client của lớp bên trên để đưa vào phần cứng phù hợp hệ thống IoT có thể truy xuất tới các phần tử khác và đóng gói theo từng chuẩn API cung cấp để trong mạng theo từng chuẩn và cho phép các phần có thể thực hiện truyền dữ liệu. Với mỗi tiêu tử trong mạng có thể đưa dữ liệu lên trên cơ sở dữ chuẩn có cách thức đóng gói và header khác liệu hay thực hiện các giao thức thông qua cổng Ethernet bằng các dịch vụ HTTP như GET/POST nhau. Từ đây trở đi các gói tin sẽ được trả về dữ liệu tới bất kì Server nào. định dạng ban đầu của từng tiêu chuẩn và thực hiện việc truyền dữ liệu trên lớp vật lý. Hình 6: Mô hình đinh tuyến dữ liệu Ngoài việc định tuyến dữ liệu giữa các tiêu chuẩn với nhau còn thực hiện nhiệm vụ như một Hình 8: Các API cơ bản của Gateway cổng kết nối với mạng WAN, Internet thông qua VI CÁC THÔNG SỐ SERVER cổng Ethernet. Ở mô hình thử nghiệm này sử dụng IV.3 KẾT NỐI WAN VÀ DATABASE MySQL chạy trên máy chủ Linux vì tính phổ Mặc dù chuẩn Wifi cũng có thể làm nhiệm biến và khả năng hỗ trợ của nó. vụ này thay cho chuẩn Ethernet, tuy nhiên vì các hệ thống IoT trên nền Wifi thường được thiết kế tối giản và thời gian đáp ứng cũng sẽ lâu hơn và mất đi độ ổn định khi cần giao tiếp với các phần tử khác trong mạng Wifi. Với kết nối Ethernet này giúp Gateway có thể kết nối với mạng WAN hay Internet để có thể đưa dữ liệu của toàn bộ hệ thống lên các Server Hình 9: Cấu trúc cơ sở dữ liệu hoặc chiều ngược lại. Xây dựng Server cho phép nhiều Gateway có thể dùng chung một máy chủ Sử dụng mô hình thử nghiệm với các cũng như cho phép việc các máy chủ liên kết với thông số cơ bản của dữ liệu cần đưa lên nhau. Server. Tuy nhiên khi hệ thống thực tế cần có nhiều thông số khác như trạm Gateway, thông số Port, tài khoản truy cập và các thông số bảo mật. Hình 7: Kết nối mạng WAN, Internet và cơ sở dữ liệu Hinh 10: Sơ đồ kết nối Gateway - Server User ̀ 4
5. Để hoạt động được thì ở Server cũng cần có một lớp đệm trung gian cho phép việc Bảng 2: Bảng đánh giá độ tin cậy chuyển đổi truy vấn GET/POST để có thể kết nối và điều chỉnh cơ sở dữ liệu. Tuy nhiên lớp này được đặt trên Server và dựa trên Apache, PHP và MySQL. Ngoài ra còn có một lớp ứng dụng dành cho người dùng xây dựng dựa trên nền tảng PHP Webserver có sẵn giúp trích xuất và hiển thị các thông tin từ Server. Đối với việc truyền từ ESP sang XBEE nếu thời gian giữa 2 gói tin nhỏ hơn 50 ms thì sẽ xảy ra hiện tượng mất gói tin vĩnh viễn vì phần cứng của ESP không đủ khả năng đáp ứng cũng như CPU của Gateway đang thực hiện giữa chừng và bị tràn bộ đệm nhận dữ Hình 11: Giao diện Website trích xuất từ Database liệu Từ đây ta có thể biết được gói tin được Đối với việc truyền từ XBEE sang ESP truyền từ Gateway nào với địa chỉ IP quốc tế. khi thời gian truyền giữa 2 gói tin nhỏ hơn 80 Truyền từ giao thức nào lên Server cũng như ms sẽ xảy ra hiện tượng mất gói tin vĩnh viễn địa chỉ mạng cục bộ của thiết bị có thể quản vì thời gian đóng gói gói tin theo giao thức lý thông qua IP hay địa chỉ MAC tùy theo tính TCP của phần cứng ESP không thực hiện các chất của ứng dụng cần xây dựng. Dữ liệu trên bước xong trước khi nhận được gói tin mới, Server có thể được truy xuất từ bất kì thiết bị CPU cũng phụ trách việc decode API của nào hỗ trợ giao thức giao tiếp HTTP hoặc các XBEE khá nặng và tốn nhiều thời gian xử lý. giao thức liên kết trực tiếp tới Database của Không như việc truyền giữa XBEE và Server. Từ đó ta có thể xây dựng một hệ thống ESP. Việc truyền giữa Bluetooth và ESP có IoT với số phần tử và khoảng cách giữa chúng độ tin cậy cao hơn với chiều dài gói tin sau gần như không giới hạn. đóng gói ngắn hơn và đạt tốc độ cao hơn. Bộ đệm của Module Bluetooth lớn và tích hợp bộ VII KẾT QUẢ lưu trữ dữ liệu ngay cả khi mất kết nối giữa chừng. Xây dựng thuật toán cho các kiến trúc Việc truyền giữa Xbee và Bluetooth một bên trên và mô hình thực thi của Gateway và lần nữa cho thấy khả năng đáp ứng của CPU thực hiện kiểm tra đánh giá các thông số và dành cho việc decode API là không đủ, dẫn tính chất kĩ thuật. Đối với từng giao thức tốc đến việc đáp ứng cho dữ liệu từ CPU tới phần độ phụ thuộc vào cả phần cứng của giao thức cứng Xbee bị nghẽn gây tràn dữ liệu. Xảy ra đó va tốc độ của CPU xử lý chúng. việc mất gói tin khi thời gian đáp ứng nhỏ hơn 150 ms. Bang 1: Tốc độ các tiêu chuẩn và CPU của Gateway ̉ Tuy nhiên đối với các ứng dụng IoT hiện nay điểm cần quan tâm chính là khả năng hoạt động ổn định và tiêu tán năng lượng thấp thì Gateway IoT được xây dựng với phần cứng trên vẫn đáp ứng tốt nhu cầu sử dụng trong Thực hiện truyền thành công giữa các các hệ IoT. Đáp ưng được nhu cầu của mạng tiêu chuẩn với nhau đồng thời thực hiện các cảm biến, thu thập thông tin cũng như giám truy vấn cơ sở dữ liệu và truy xuất mạng sát và điều khiển đối với các ứng dụng không WAN với khả năng đáp ứng tốt. đòi hỏi khắc khe với tính thời gian thực khi hoạt động. 5
6. không đều do việc không đồng bộ trong chu XBEE- ESP Packet loss kì quét nhận dữ liệu cũng như quản lý các 100 thiết bị con của từng tiêu chuẩn khác nhau dẫn 80 đến việc ở một số khoảng thời gian làm cho 60 hệ số mất gói tin tăng cao và không tuyến 40 20 tính. Ở một số khe thời gian cho phép việc percentage 0 truyền với tỉ số lỗi thấp và không đồng đều. 0 100 200 300 400 xác xuất giảm về 0 khi khoản cách giữa 2 dữ time (ms) liệu lớn hơn 300 ms. VIII KẾT LUẬN Hình 12: Biểu đồ Packet Loss của Xbee và ESP Bài báo trình bày về kiến trúc và mô hình thực thi cho một Gateway IoT cho phép việc XBEE - Bluetooth Packet loss các thiết bị IoT có thể truy xuất ngang hàng 100 và chia sẻ tài nguyên của bản thân cho toàn 80 bộ hệ thống, đồng thời đề xuất các lớp tiêu 60 chuẩn để có thể mở rộng hệ thống IoT. 40 Ngoài ra còn đóng vai trò như một cổng 20 percentage 0 kết nối Internet cho phép các mạng IoT giao 0 50 100 150 200 250 tiếp với nhau thông qua mạng toàn cầu. Các time (ms) giao thức dạng Máy – Máy (Machine to Machine) được cho phép thông qua Gateway. Hình 13: Biểu đồ Packet Loss của Xbee và Bluetooth Mô hình thực nghiệm cũng đã chứng minh điều đó. Bài báo đưa ra các đánh giá tương Đối với việc định tuyến dữ liệu cho luồng từ quan giữa tốc độ xử lý và tốc độ phần cứng. Bluetooth sang Xbee có thêm một yếu tố nữa Cho phép xây dựng một mô hình Gateway để tăng khả năng mất gói tin giữa 2 chuẩn này thực tế với các điều kiện lựa chọn thông số chính là việc phần cứng Xbee được thiết kế một cách chính xác hơn. bên Gateway đóng vai trò là điều phối viên Dựa trên nền tảng Gateway IoT đề xuất (Coordinator) nên thời gian công tác của phần có thể đưa hệ thống IoT hiện nay lên một tầm cứng còn bao gồm cả việc định tuyến dữ liệu cao mới. Việc mở rộng hệ thống với các tiêu trong các phần tử bên trong mạng Xbee nói chuẩn khác dễ dàng với việc chỉ cần thết lập riêng. Dẫn đến việc định tuyến dữ liệu bị trễ một lớp chuyển đổi dữ liệu theo chuẩn để xuất và gây nghẽn cổ chai tại đây, làm mất gói tin và ghép với phần còn lại của Gateway. Với sự giữa những lần truyền dữ liêụ . Tuy nhiên phát triển của trí thông minh nhân tạo và các Xbee cũng có bộ sửa sai và tự động truyền lại hệ thống M2M hiện nay đã có đủ khả năng xử nhưng với việc bộ đệm có giới hạn và dữ liệu lý thông tin và với một lượng thông tin đủ lớn luôn được đưa vào thì việc mất gói tin vĩnh thì hệ thống IoT sẽ vận hành mà không cần viễn là không thể tránh khỏi. bất kì sự can thiệp nào của con người. Hệ Vì khả năng đáp ứng của phần cứng thống sẽ tự động cập nhật và hiệu chỉnh các Bluetooth HC-05 có độ trễ thấp hơn nên gói thông số để có thể đáp ứng nhu cầu càng ngày tin chỉ ảnh hưởng bởi khả năng xử lý của CPU càng cao của con người. cũng như giới hạn tối đa của thiết bị Xbee. Ở đây điểm nghẽn là do thiết bị Xbee ở Gateway đóng vai trò Coordinator nên không dành toàn thời gian để tiếp nhận dữ liệu mà còn dùng để quét tìm kiếm các phần tử mới, cấp phát, quản lý địa chỉ. Ở đây ta thấy có các vị trí biến thiên 6
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chan, H.T. Performance study of virtual fence unit using Wireless Sensor Network in IoT environment. Parallel and Distributed Systems(ICPADS), 20th, pp. 873 - 875, 16-19 Dec 2014. [2] HyungWon Kim. Low power routing and channel allocation method of wireless video sensor networks for Internet of Things(IoT). Internet of Things(WF-IoT), 1st, pp.446 - 451, 6-8 March 2014. [3] Qian Zhu. IOT Gateway: Bridging Wireless Sensor Networks into Internet of Things. Embedded and Ubiquitous Computing(EUC), 8th, pp. 347 - 352, 11-13 Dec. 2010. [4] Sungmin Hong. SNAIL: an IP-based wireless sensor network approach to the Internet of things. Wireless Communications, Vol.17, December 2010. [5] Dong Min. Design and implementation of the multi-channel RS485 IOT Gateway. Cyber Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems(CYBER), 2012 IEEE International Conference, pp. 366 - 370, 27-31 May 2012. [6] Datta, S.K. An IoT Gateway centric architecture to provide novel M2M services. Internet of Things(WF-IoT), 2014 IEEE World Forum, pp. 514 - 519, 6-8 March 2014. Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Nguyễn Thanh Giàu Đơn vị: Điện thoại: 01656244320 Email:thanhgiauspk@gmail.com 7
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.