Luận văn Xây dựng hệ thống thông minh giám sát điều kiện môi trường và an ninh phòng máy quy mô lớn

Nội dung tài liệu: Luận văn Xây dựng hệ thống thông minh giám sát điều kiện môi trường và an ninh phòng máy quy mô lớn

1. BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- TRẦN TẤN LỘC XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG MINH GIÁM SÁT ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ AN NINH PHÒNG MÁY QUY MÔ LỚN LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH MÁY TÍNH Thành phố Hồ Chí Minh - 2021
2. BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- TRẦN TẤN LỘC XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG MINH GIÁM SÁT ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ AN NINH PHÒNG MÁY QUY MÔ LỚN Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 8480104 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN VĂN LĂNG Thành phố Hồ Chí Minh - 2021
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nội dung trình bày trong luận văn là những kiến thức của tôi tích lũy trong quá trình học tập, làm việc, nghiên cứu. Trong nội dung của luận văn có những phần tôi nghiên cứu, trích dẫn đều nêu trong phần các tài liệu tham khảo, có nguồn gốc, tên tuổi của các tác giả, nhà xuất bản rõ ràng. Những điều tôi cam kết trên đây hoàn toàn là sự thật, nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức xử lý theo quy định. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 06 năm 2021 Học viên thực hiện Trần Tấn Lộc
4. LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS. Trần Văn Lăng, thầy đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn này. Em cũng xin cảm ơn đến các thầy, cô trong khoa Công nghệ thông tin – Viễn thông của Học viện Khoa học và Công nghệ, các quý thầy cô đã giảng dạy, truyền đạt cho em những hệ thống kiến thức quý báu trong suốt những năm học. Xin gửi lời cảm ơn đến tất cả mọi người bao gồm gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện môi trường, hỗ trợ cũng như đóng góp các ý kiến và động viên tinh thần để tôi có thể hoàn thành được luận văn này. Xin chân thành cảm ơn!
5. i MỤC LỤC MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT ........................................................................ 2 1.1 LỊCH SỬ VÀ XU THẾ CỦA IOT TRÊN THẾ GIỚI: ...................................... 2 1.2 KHÁI NIỆM IOT: .............................................................................................. 4 1.3 TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG IOT: ....................................................................... 7 1.3.1 Công nghiệp và sản xuất: ................................................................................ 7 1.3.2 Tiêu dùng: ....................................................................................................... 7 1.3.3 Bán lẻ, tài chính và tiếp thị: ............................................................................ 9 1.3.4 Y tế: .............................................................................................................. 10 1.3.5 Giao thông vận tải và chuỗi cung ứng hàng hóa: ......................................... 10 1.3.6 Nông nghiệp và môi trường: ......................................................................... 11 1.3.7 Thành phố thông minh: ................................................................................. 11 CHƯƠNG 2: CÁC GIAO THỨC TỪ THIẾT BỊ CẠNH BIÊN ĐẾN CLOUD .... 12 2.1 BỘ GIAO THỨC LIÊN MẠNG TCP/IP: ........................................................ 12 2.2 CÁC GIAO THỨC ỨNG DỤNG CHO IOT: .................................................. 13 2.2.1 Giao thức MQTT: ......................................................................................... 13 2.2.2 Giao thức MQTT-SN: ................................................................................... 20 2.2.3 Giao thức CoAP: ........................................................................................... 22 2.3 TỔNG KẾT: ..................................................................................................... 27 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ............... 28 3.1 TỔNG QUAN: ................................................................................................. 28 3.1.1 Sự cần thiết: .................................................................................................. 28 3.1.2 Các giải pháp giám sát phòng máy: .............................................................. 31 3.2 XÂY DỰNG GIẢI PHÁP: ............................................................................... 37 3.2.1 Sơ bộ phần cứng các khối ............................................................................. 39 3.2.2 Kết nối các giao diện phần cứng, thiết bị: ..................................................... 53 3.3 XÂY DỰNG LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ LẬP TRÌNH ................................ 56 3.3.1 Module thu thập dữ liệu từ các cảm biến môi trường .................................. 56 3.3.2 Module kết nối nhận sự kiện từ khối Giám sát ra vào .................................. 56 3.3.3 Module Giám sát an ninh, phát hiện chuyển động ....................................... 57 3.3.4 Module báo cáo trạng thái về Server qua giao thức MQTT ......................... 58 3.3.5 Website cho phép xem và thiết lập thông số để hệ thống kết nối vận hành . 58 3.4 TRIỂN KHAI VÀ THEO DÕI KẾT QUẢ: ..................................................... 62
6. ii CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN ............................................................. 64 4.1 ĐÁNH GIÁ: ..................................................................................................... 64 4.1.1 Đánh giá kết quả thử nghiệm: ....................................................................... 64 4.1.2 Ưu điểm của hệ thống: .................................................................................. 64 4.1.3 Hạn chế của hệ thống:................................................................................... 64 4.2 KẾT LUẬN: ..................................................................................................... 64 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 71
7. iii DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG 1: Bảng 1.1. Một số tổ chức, sự kiện, sự vật kết nối với Internet trên thế giới ............... 2 Bảng 1.2. Một số thiết bị, sự kiện của Việt Nam ........................................................ 4 CHƯƠNG 2: Bảng 2.1. Cấu trúc gói tin Connect do client gửi ........................................................ 18 Bảng 2.2. Cấu trúc gói tin phản hồi Connect do server gửi ........................................ 18 Bảng 2.3. Cấu trúc gói tin Publish .............................................................................. 19 Bảng 2.4. Cấu trúc gói tin Subcribe ............................................................................ 19 Bảng 2.5. Kết quả thử nghiệm vài thông số giữa hai giao thức CoAP và HTTP ....... 22 CHƯƠNG 3 Bảng 3.1. Tính năng và thông số kỹ thuật của giải pháp EEM-RTU-01 .................... 32 Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của board mạch Raspberry Pi 3B+ ............................... 40 Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật bộ điều khiển F18 ......................................................... 47 Bảng 3.4. Thông số kỹ thuật đầu ghi H264 ................................................................ 48 Bảng 3.5. Thông số kỹ thuật DHT22 .......................................................................... 50 Bảng 3.6. Kết nối chân Pi và DHT22 ......................................................................... 54 Bảng 3.7. Kết nối chân Pi và DS18B20 ...................................................................... 54 Bảng 3.8. Kết nối chân PI, AMS1117 và module MQ2 ............................................. 54 Bảng 3.9. Kết nối chân PI, rờ le và adapter 5VDC ..................................................... 55
8. iv DANH MỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG 1 Hình 1.1: Thống kê ứng dụng IoT tại Mỹ ................................................................... 4 Hình 1.2: Thống kê chủ đề tìm kiếm trên google liên quan đến IoT .......................... 4 Hình 1.3: IoT từ quan điểm nhìn các hệ thống nhúng ................................................ 5 Hình 1.4: Sự chênh lệch giữa tăng trưởng dân số của con người và tăng trưởng các thứ được kết nối ................................................................................................................. 7 Hình 1.5: Đồng hồ cho biết vị trí người nhà Weasley trong phim Harry Potter ......... 8 Hình 1.6: Thiết bị WhereDial của nhà phát triển Jc McKerrell .................................. 8 Hình 1.7: Gương thông minh sử dụng board Raspberry Pi ........................................ 9 Hình 1.8: Ứng dụng IBeacon trong bán lẻ, marketing ................................................ 9 Hình 1.9: Bảng thông tin tuyến xe bus trực tuyến tại Việt Nam ................................. 10 CHƯƠNG 2 Hình 2.1: Chồng giao thức mạng TCP/IP ................................................................... 13 Hình 2.2: Mô hình MQTT publish-subcribe ............................................................... 15 Hình 2.3: Cấu trúc gói tin MQTT ............................................................................... 17 Hình 2.4: Mô hình giao tiếp của MQTT-SN ............................................................... 21 Hình 2.5: Vai trò của MQTT-SN Gateway ghép và trong suốt .................................. 22 Hình 2.6: Mô hình giao tiếp của CoAP ....................................................................... 24 Hình 2.7: Quá trình gửi lại gói CON trong CoAP ...................................................... 25 Hình 2.8: RESTful request/reponse nằm trong nội dung của thông điệp CoAP ........ 25 Hình 2.9: Cấu trúc gói tin CoAP ................................................................................. 26 Hình 2.10: Ví dụ CoAP Observer ............................................................................... 26 CHƯƠNG 3 Hình 3.1: Nhiệt độ trong ngày ở TP. HCM thấp nhất không dưới 23 oC .................. 28 Hình 3.2: Điều kiện môi trường của hệ thống CMTS Casa C100G ........................... 29 Hình 3.3: Các tủ Rack thiết bị trong phòng máy phân phối tín hiệu mạng HFC ........ 29 Hình 3.4: Sơ đồ mạng cáp HFC ................................................................................. 30 Hình 3.5: Công tác xử lý sự cố outdoor và chăm sóc khách hàng ............................. 31 Hình 3.7: Khối sản phẩm EEM-RTU-01 của EMS Việt Nam .................................... 32 Hình 3.8: Cấu trúc hệ thống giám sát toàn diện .......................................................... 34 Hình 3.9: Giao diện chức năng giám sát Camera IP của Universal Alarm System .... 35 Hình 3.10: Mô hình hệ thống giám sát và cảnh báo phòng server ATSCADA .......... 36 Hình 3.11: Sản phẩm tủ giám sát và cảnh báo phòng server ATSCADA .................. 37 Hình 3.12: Sơ đồ kết nối các khối chức năng trong hệ thống ..................................... 38 Hình 3.13: Dòng sản phẩm Compute Module 3+ Development Kit .......................... 40 Hình 3.14: Board mạch Raspberry Pi 3 B+ ................................................................ 41 Hình 3.15: Sơ đồ chân cắm board mạch Raspberry Pi 3 B+ ...................................... 41 Hình 3.16: Giao diện ứng dụng Win32 Disk Imager trên Windows 10 ..................... 42 Hình 3.17: Giao diện desktop của Pi OS .................................................................... 43
9. v Hình 3.18: Giao diện tương tác dòng lệnh thông qua giao thức SSHvới Putty .......... 43 Hình 3.19: Tiện ích cấu hình Raspberry Pi đính kèm trong Pi OS ............................. 44 Hình 3.20: Cấu hình nâng cao mở rộng bộ nhớ .......................................................... 44 Hình 3.21: Mức độ quan tâm các ngôn ngữ lập trình dựa trên từ khóa tìm kiếm Google trends 01/2016-01/2021 .............................................................................................. 46 Hình 3.22: Sơ đồ kết nối hệ thống kiểm soát cửa ra vào ............................................ 47 Hình 3.23: Sơ đồ kết nối hệ thống camera analog ...................................................... 48 Hình 3.24: Sơ đồ chân các dòng IC DS18B20 ............................................................ 49 Hình 3.25: Cảm biến DHT22 ...................................................................................... 50 Hình 3.26: Minh họa quá trình chuẩn bị gửi dữ liệu giữa MCU với DHT22 ............. 51 Hình 3.27: Minh họa toàn bộ quá trình truyền dữ liệu giữa MCU và DHT22 ........... 52 Hình 3.28: Sơ bộ đặc điểm cấu tạo module MQ-2 ..................................................... 52 Hình 3.29: Module chuyển mức điện áp 3V3 ............................................................. 53 Hình 3.30: Module rờ le kích mức thấp 5V DC.......................................................... 53 Hình 3.31: Kết nối mạch Raspberry Pi với DHT22 .................................................... 54 Hình 3.32: Kết nối giao tiếp giữa Raspberry Pi và DS18B20 .................................... 54 Hình 3.33: Giao diện trang đăng nhập ........................................................................ 60 Hình 3.34: Giao diện trang xem thông tin thiết bị ...................................................... 61 Hình 3.35: Giao diện trang xem trạng thái .................................................................. 61 Hình 3.36: Giao diện trang cấu hình thông tin phòng máy ......................................... 62 Hình 3.37: Giao diện trang cấu hình thông tin các thiết bị an ninh ............................ 62 Hình 3.38: Giao diện trang cấu hình các điều kiện kích hoạt chuông báo ................. 62
10. 1 MỞ ĐẦU Những năm trước 2009, để thực hiện kết nối Internet tại nhà, công nghệ ADSL được cung cấp bởi nhà mạng VNPT cho phép dữ liệu truyền tải trên đường dây điện thoại hai lõi RJ11 tốc độ chỉ từ vài chục đến vài trăm kbps, cước phí được tính theo lưu lượng sử dụng trên tháng. Từ năm 2009 đến nay, công nghệ truyền dẫn có sự tiến bộ vượt bậc dẫn đến việc nở rộ các dịch vụ Internet cáp quang tốc độ cao với cước phí trọn gói cho cả tháng rẻ hơn rất nhiều so với trước đây. Các công nghệ truyền dữ liệu không dây cũng phát triển từ các thế hệ GPRS đơn thuần đến 2G, 3G và tại thời điểm viết luận văn này, công nghệ 5G đã được phê duyệt thử nghiệm tại TP. Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh. Về công nghệ vi cơ điện, một chiếc máy tính để bàn cồng kềnh sử dụng chip Pentium III tốc độ xử lý 800 MHz, bộ nhớ RAM 256 GB, không có kết nối không dây, có giá nửa lượng vàng vào năm 2008; ngày nay, hàng loạt các máy tính nhúng kích thước gần bằng chiếc thẻ tín dụng như Raspberry Pi, Beagle Bone, chỉ có giá bằng 20% chỉ vàng; hay các board mạch tích hợp như ESP8266 chỉ vài chục ngàn cũng có đầy đủ các giao diện có dây và không dây như Bluetooth, Wifi cho phép kết nối Internet. Tất cả các công nghệ trên phát triển, kết hợp, hội tụ hình thành nền tảng công nghệ Internet of Things (IoT, vạn vật kết nối), một nền tảng công nghệ cốt lõi trong ba nền tảng thúc đẩy cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 trên thế giới. Công tác tại Công ty TNHH Truyền hình cáp Saigontourist (SCTV), liên doanh giữa Đài truyền hình Việt Nam (VTV) và Tổng công ty Du lịch Sài Gòn (Saigontourist). Đến nay, SCTV là công ty hàng đầu về cung cấp đa dịch vụ truyền thông viễn thông với độ phủ sóng lên đến 57 tỉnh thành, số lượng phòng máy đến thời điểm hiện tại là 174. Thực tế, các khối giám sát điều kiện môi trường và an ninh các phòng máy của SCTV được đầu tư nhỏ lẻ, không đồng bộ giữa các phòng máy trực thuộc chi nhánh SCTV phân vùng quận hay tỉnh. Ngoài ra, các phòng máy cũng thường xuyên không có nhân sự trực do đặc thù công việc xử lý sự cố cũng như khi thực hiện các chiến dịch bảo trì, chăm sóc dịch vụ cho khách hàng. Trên cơ sở được phân công nhiệm vụ quản lý hạ tầng kỹ thuật phòng máy và định hướng của PGS.TS Trần Văn Lăng, đề tài luận văn "Xây dựng hệ thống thông minh giám sát điều kiện môi trường và an ninh phòng máy quy mô lớn" với kì vọng sẽ xây dựng được một sản phẩm thiết thực để tối ưu công tác quản lý phòng máy tại Công ty.