Nghiên cứu xây dựng mô hình thực hành IoT đáp ứng công nghiệp 4.0 áp dụng giàng dạy sinh viên hệ Đại học: Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu Khoa học cấp Trường

BỘ CÔNG THƯƠNG

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: Nghiên cứu xây dựng mô hình thực hành IoT đáp ứng công

nghiệp 4.0 áp dụng giảng dạy sinh viên hệ Đại học

Mã số đề tài: 192.ĐT03

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Ngọc Sơn

Đơn vị thực hiện: Khoa Công nghệ Điện tử

Tp. Hồ Chí Minh, 2020

1

LỜI CÁM ƠN

Trước tiên, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Trường Đại học Công nghiệp

thành phố Hồ Chí Minh đã tài trợ kinh phí cho đề tài nghiên cứu, Phòng Quản lý

Khoa học và Hợp tác quốc tế đã tận tình hướng dẫn các thủ tục trong suốt quá trình

thực hiện đề tài.

Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Hội đồng đánh giá xét duyệt,

nghiệm thu đề tài đã có những ý kiến phản biện và góp ý thật sự sâu sắc đã giúp

chúng tôi hoàn thiện đề tài đúng tiến độ.

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo Khoa Công nghệ Điện tử đã tạo điều kiện

tốt về thời gian, phòng nghiên cứu và có những chính sách hỗ trợ rất tốt cho nhóm

nghiên cứu thực hiện đề tài.

2

MỤC LỤC

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG .......................................................................................................... 3

PHẦN II. BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC .......................................... 11

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................................... 11

1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................................ 11

1.2. Mục tiêu ........................................................................................................................... 13

1.3. Nội dung và phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 13

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ..................................................................... 15

2.1. Cơ sở lý thuyết ................................................................................................................. 15

2.1.1. Internet vạn vật (Internet of Things - IoT) là gì? ...................................................... 15

2.1.2. Things trong IoT ....................................................................................................... 17

2.1.3. Kiến trúc IoT ............................................................................................................ 20

2.2. Thiết kế và thi công .......................................................................................................... 22

2.2.1. “IoT networks” ......................................................................................................... 22

2.2.2. “IoT Node” ............................................................................................................... 23

2.2.3. “IoT Gateway” .......................................................................................................... 26

2.2.4. IoT ThingSpeak ........................................................................................................ 28

2.3. Thí nghiệm kiểm chứng ................................................................................................... 28

2.3.1. Kiểm tra truyền – nhận dữ liệu qua mạng LoRa ...................................................... 28

2.3.2. Kiểm tra chức năng thu thập dữ liệu và điều khiển .................................................. 30

CHƯƠNG 3. ÁP DỤNG VÀO GIẢNG DẠY ............................................................................... 31

3.1. Giới thiệu ......................................................................................................................... 31

3.2. Lập trình cơ bản - 30 tiết .................................................................................................. 33

3.3. Ứng dụng Smart Home - 30 tiết ....................................................................................... 35

3.4. Kế hoạch giảng dạy và đánh giá ...................................................................................... 37

3.5. Kết quả triển khai giảng dạy ............................................................................................ 38

3.5.1. Thông tin môn học .................................................................................................... 38

3.5.2. Quá trình giảng dạy .................................................................................................. 38

3.5.3. Kinh nghiệm và đề xuất ............................................................................................ 39

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................... 39

4.1. Kết luận ............................................................................................................................ 39

4.2. Hướng phát triển .............................................................................................................. 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................................. 40

PHẦN III. PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM .................................................................................................... 42

Hợp đồng thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học ........................................................................ 42

Thuyết minh đề tài đã được phê duyệt ....................................................................................... 42

Quyết định nghiệm thu ............................................................................................................... 42

Hồ sơ nghiệm thu ....................................................................................................................... 42

Sản phẩm nghiên cứu ................................................................................................................. 42

 Phụ lục 5.1. Bài báo đăng tạp chí IUH. ........................................................................... 42

 Phụ lục 5.2. Bài báo tham gia hội nghị khoa học trẻ YSC2019. ..................................... 42

 Phụ lục 5.3. Bản vẽ bo mạch IoT node và IoT Gateway; bản vẽ mô hình thí nghiệm. ... 42

 Phụ lục 5.4. Minh chứng bài báo sinh viên ...................................................................... 42

 Phụ lục 5.5. Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm ..................................................................... 42

3

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG

I. Thông tin tổng quát

1.1. Tên đề tài: Nghiên cứu xây dựng mô hình thực hành IoT đáp ứng công nghiệp 4.0

áp dụng giảng dạy sinh viên hệ Đại học

1.2. Mã số: 192.ĐT03

1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT

Họ và tên

(học hàm, học vị) Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

1 TS Nguyễn Ngọc Sơn Khoa CN Điện tử Chủ nhiệm

2 ThS Phạm Quang Trí Khoa CN Điện tử Thành viên nghiên cứu

3 ThS Nguyễn Duy Khanh Khoa CN Điện tử Thành viên nghiên cứu

4 ThS Cao Văn Kiên Khoa CN Điện tử Thành viên nghiên cứu

5 Trần Nguyễn Minh Thông Khoa CN Thông tin Sinh viên

6 Lê Đức Huy Khoa CN Điện tử Sinh viên

1.4. Đơn vị chủ trì:

1.5. Thời gian thực hiện:

1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 01 năm 2019 đến tháng 01 năm 2020

1.5.2. Gia hạn (nếu có): đến tháng….. năm…..

1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 01 năm 2019 đến tháng 01 năm 2020

1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): Không

1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 77.5 triệu đồng.

II. Kết quả nghiên cứu

1. Đặt vấn đề

- Sau hơn bốn thập kỷ kể từ khi Internet [1] ra đời, thuật ngữ "Internet" giờ đây trực

tiếp đề cập đến các ứng dụng khổng lồ được xây dựng trên mạng máy tính và được kết nối,

phục vụ cho hàng tỷ người dùng trên toàn thế giới liên tục 24/7. Chúng ta đang ở giai đoạn

khởi đầu của một kỷ nguyên mới, nơi truyền thông và kết nối ở khắp mọi nơi, nó không còn

là giấc mơ hay thách thức. Giờ đây, trọng tâm công nghệ đã chuyển sang tích hợp con người

và thiết bị thông qua một môi trường ảo gọi là Internet of Things (IoT). IoT được dự báo sẽ

là xu hướng công nghệ của thế giới vào năm 2020. Gartner [2] ước tính rằng đến cuối năm

2020, sẽ có 25 tỷ vật dụng kết nối Internet. Cisco [2] dự kiến sẽ tăng gấp đôi, sẽ có 50 tỷ

mặt hàng được kết nối Internet vào cuối năm 2020. Mọi vật dụng đều có khả năng trở nên

"thông minh" khi có kết nối Internet. Cũng như chính con người, IoT có thể được ứng dụng

trong các lĩnh vực như nhà thông minh [3], [4], giao thông thông minh [5], y tế thông minh

[6], nông nghiệp thông minh [7], thành phố thông minh [8], [9] và các ngành công nghiệp

khác. IoT đã và đang thay đổi cách con người tương tác với thiết bị, giữa thiết bị với thiết bị

từ đó tạo ra nhiều cơ hội kinh doanh, hình thức kinh doanh khác nhau cho các doanh nghiệp

và cộng đồng khởi nghiệp.

4

- Hiện nay, các Trường Đại học và tập đoàn lớn trên thế giới đã phát triển các phòng

LAB chuyên nghiên cứu và giảng dạy trong lĩnh vực IoT. Chẳng hạn như, bài báo [10] giới

thiệu về nền tảng mô hình thí nghiệm mở FIT IoT-LAB. FIT IoT-LAB cung cấp một nền

tảng thí nghiệm quy mô lớn cho phép các nhà nghiên cứu, nhà thiết kế IoT, nhà phát triển và

kỹ sư IoT thiết kế, đánh giá và tối ưu hóa các giao thức, ứng dụng và dịch vụ của họ. Trung

tâm C-DAC (Centre For Development of Advanced Computing) [11] đã phát triển IoT-Lab

bao gồm Wi-Fi Mote, Ubimote, BLE Mote, UbiSense and WINGZ. Bài báo này mô tả các

thông số kỹ thuật, các ứng dụng thời gian thực và cơ hội nghiên cứu của các thiết bị như là

một phần của bộ công cụ IoT Lab. Bài báo [12] giới thiệu nền tảng IoT Lab dùng

Arduino/Genuino UNO, ngôn ngữ lập trình Python và ThingSpeak IoT.

- Tại Việt Nam, ứng dụng IoT đang được quan tâm và kêu gọi đầu tư rất lớn từ chính

quyền, các quỹ đầu tư mạo hiểm và từ các tập đoàn lớn trên thế giới: Khu Công nghệ cao

Tp.HCM: đang ưu tiên ươm tạo các công ty khởi nghiệp mảng IoT và thường xuyên tổ chức

các hội thảo về IoT. Hiện này, khu công nghệ cao đang phát động cuộc thi với chủ đề “Phát

triển đô thị thông minh và nâng cao chất lượng cuộc sống dựa trên nền tảng IoT” vào tháng

09/2019. Đề xuất xây dựng chính quyền điện tử của Bí thư Thành ủy Tp.HCM với đối tác

Microsoft vào ngày 31/03/2016. Tỉnh Bình Dương đang tích cực tìm hiểu để triển khai xây

dựng “Thành phố thông minh ứng dụng công nghệ thông tin”. Hội thảo do UBND tỉnh Bình

Dương và Tổng Lãnh sự quán Hà Lan tại Tp.HCM phối hợp tổ chức vào ngày 28/03/2016,

tại Trung tâm Hội nghị và Triển lãm tỉnh. Các công ty hàng đầu thế giới như Intel, Cisco,

IBM, Google,… cùng lập quỹ đầu tư IoT trên toàn thế giới và quỹ này đang dành nhiều ưu

tiên tại Việt Nam. Hiện nay, IoT đã và đang được các trường đại học trong cả nước đưa vào

chương trình giảng dạy chính khóa dành cho sinh viên các bậc học, các LAB nghiên cứu

của các giảng viên. Chẳng hạn như: Ngày 7/7/2016 tại Khu Công nghệ cao Hòa Lạc, Bộ

Khoa học Công nghệ đã tổ chức khai trương Phòng thí nghiệm Hòa Lạc IoT Lab (HIL). IoT

Lab trưng bày công nghệ IoT như Smart Home, Smart City, IoT trong công nghiệp, giao

thông, y tế, giáo dục thông minh. Nhóm nghiên cứu UiTiO tại Bộ môn Mạng máy tính,

Trường ĐH CNTT – ĐHQG HCM, hiện đang tập trung nghiên cứu, phát triển và xây dựng

các giải pháp, ứng dụng trong các lĩnh vực: Internet of Things (IoTs). Tháng 03/2019,

Vintech đã khánh thành phòng LAB IoT tại Hàn Quốc. Các tập đoàn công nghệ lớn của

Việt Nam đều có phòng LAB IoT như VNPT, FPT, VNG, VIETTEL, VINTECH, INTEL,

National Instruments, SIEMENs and so on.

- Đại học Công nghiệp Tp.HCM đang định hướng xây dựng các chương trình đào tạo

đáp ứng yêu cầu công nghiệp 4.0. Trong đó, IoT là một lĩnh vực then chốt, là hạt nhân của

cuộc cách mạng công nghiệp này. Hiện nay, IoT đã được xây dựng thành môn học giảng

dạy cho sinh viên hệ Đại học cho các ngành đào tạo của Khoa Công nghệ Điện tử, Khoa

Công nghệ Điện và Khoa Công nghệ Thông tin.

- Trong đề tài này, chúng tôi thiết kế nền tảng mô hình thí nghiệm để giảng dạy học

phần IoT ở trường đại học. Ý tưởng thiết kế bao gồm các khía cạnh quan trọng được xét đến

đó là dễ dàng thực hiện, chi phí thấp, có khả năng mở rộng đa trạm kết nối, thu thập dữ liệu

và điều khiển được các thiết bị công nghiệp. Mô hình thí nghiệm đề xuất là một hệ thống

5

IoT hoàn chỉnh gồm 3 thành phần như phần cứng, phần mềm và truyền thông, với các tính

năng mở. Sau đó, chúng tôi thực hiện biên soạn bài giảng dựa vào mô hình thí nghiệm đề

xuất và cách tiếp cận học tập dựa trên dự án PBL [13], [14] (Project Based Learning). Các

dự án đi từ đơn giản đến phức tạp sẽ giúp sinh viên có khả năng: hiểu được kiến trúc IoTs,

xu hướng công nghệ và thách thức của IoTs, xu hướng thiết kế IoTs cho các ứng dụng công

nghiệp; nắm bắt được nền tảng phần cứng được sử dụng để thiết kế các ứng dụng IoTs trong

công nghiệp; hiểu được nền tảng mạng truyền thông có dây và không dây thường được sử

dụng cho các ứng dụng IoTs; tư duy phân tích và lựa chọn thiết bị phần cứng, truyền thông

và phần mềm cho một ứng dụng IoTs trong công nghiệp; thiết kế, lập trình và chạy thử

nghiệm một ứng dụng IoTs trong công nghiệp.

2. Mục tiêu

a. Mục tiêu tổng quát: Xây dựng mô hình thực hành đáp ứng chuẩn đầu ra môn học IoT

công nghiệp.

b. Mục tiêu cụ thể.

 Xây dựng mô hình thiết bị mẫu gồm phần cứng, truyền thông, server lưu trữ và giao

diện ứng dụng trên nền Mobile/web để triển khai bài học thực hành.

 Biên soạn tài liệu hướng dẫn thực hành

 Tài liệu giấy bám sát đề cương môn học IoT công nghiệp, hướng dẫn chi tiết từng

bài học cụ thể.

 Tài liệu video hướng dẫn thực hành cho từng bài học cụ thể để sinh viên có thể

học tại nhà qua công cụ e-learning.

3. Phương pháp nghiên cứu

TT Các nội dung, công việc

chủ yếu cần được thực hiện

Phương pháp

nghiên cứu

Cách tiếp cận Kết quả

cần đạt được

1 Nghiên cứu kiến trúc IoT và

phác thảo ý tưởng mô hình

thực hành IoT

Lý thuyết,

thực tiễn

Khảo sát Lab IoT

đã có trong và

ngoài nước

Phác thảo bản

vẽ chi tiết mô

hình thí nghiệm

2 Thiết kế ý tưởng các bài thực

hành đáp ứng chuẩn đầu ra

học phần

Thực nghiệm Khảo sát, tra cứu

các phòng Lab

tương tự

Phác thảo được

các bài thực

hành

3 Thiết kế mô hình thực hành,

lựa chọn trang thiết bị, thi

công, chế tạo

Thực nghiệm Mô hình đạt

yêu cầu về tính

thẩm mỹ, đủ

chức năng và có

tính mở

4 Biên soạn bài thực hành Thực nghiệm Dùng phương

pháp Step by step

kết hợp dạy theo

dự án PBL để

biên soạn tài liệu

thực hành

Bộ tài liệu

hướng dẫn thực

hành

Bài báo khoa

học cấp trường

6

4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu

4.1. Mô hình phần cứng thí nghiệm: đã thiết kế được mô hình kiến trúc IoT dùng trong

thực hành gồm 4 thành phần chính đó là IoT node, IoT gateway, IoT networks và Web apps.

Hình 1. Sơ đồ khối các thành phần mô hình thí nghiệm IoT

Hình 2. Cấu trúc phần cứng của mô-đun “IoT Node”.

Hình 3. Hình ảnh thực nghiệm “IoT Gateway”.

7

4.2. Áp dụng giảng dạy:

Việc thiết kế các bài LAB để giảng dạy thí nghiệm IoT cho sinh viên Đại học được tiếp

cận theo mức độ phức tạp từ dễ đến khó và tiếp cận học tập dựa trên dự án PBL (Project

based learning). Các dự án hiệu quả là những vấn đề thu hút sự quan tâm của sinh viên và

thúc đẩy họ khám phá để hiểu sâu hơn về các yêu cầu đã cho. Các dự án tốt yêu cầu học

sinh hình thành ý tưởng hoặc phán đoán dựa trên các sự kiện có thể là kiến thức trước,

thông tin được đưa ra trong kịch bản và logic. Học tập dựa trên dự án thường bao gồm một

số bước như hình 4.

Hình 4. Lưu đồ thực hiện học qua dự án PBL

Hình 5. Các khối kiến thức được đề xuất trong bài giảng

8

Môn học này trong chương trình đào tạo là môn học 2 TC thực hành (60 tiết), sau khi

học môn học này, người học có khả năng: tư duy phân tích và lựa chọn thiết bị phần cứng,

truyền thông và phần mềm cho một ứng dụng IoTs trong công nghiệp; Thiết kế, lập trình và

chạy thử nghiệm một ứng dụng IoTs. Do đó, nội dung được thiết kế như hình 5.

Đến hiện tại, chúng tôi đã triễn khai giảng dạy thử nghiệm thành công 02 lớp Đại học

năm 3 ngành Điện tử - máy tính . Trong học kỳ tiếp theo, chúng tôi sẽ tiếp tục triễn khai trên

các sinh viên Đại học ngành Điện tử - viễn thông và sẽ thực hiện các khảo sát từ sinh viên,

phân tích kết quả học tập chi tiết để thấy rõ hơn tác động của mô hình thí nghiệm IoT trong

giảng dạy sinh viên.

4.3. Bài báo khoa học:

Kết quả nghiên cứu của đề tài được chúng tôi viết thành 01 bài báo tham gia hội nghị

khoa học trẻ YSC2019 do Đại học Công nghiệp TP.HCM tổ chức và viết 01 bài báo đăng

tạp chí Khoa học và Công nghệ của trường Đại học Công nghiệp TP.HCM.

5. Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận

Với các kết quả đạt được về mặt khoa học và thực tiễn, tác giả tin rằng đề tài nghiên cứu

đã đáp ứng được tất cả yêu cầu đặt ra ban đầu của đề tài, cũng như đáp ứng đầy đủ tất cả các

nội dung theo hợp đồng đã ký kết của đề tài.

6. Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)

Đề tài này thiết kế nền tảng mô hình thí nghiệm để giảng dạy học phần IoT (Internet of

Things) ở trường đại học. Ý tưởng thiết kế bao gồm các khía cạnh quan trọng được xét đến

đó là dễ dàng thực hiện, chi phí thấp, có khả năng mở rộng đa trạm kết nối, thu thập dữ liệu

và điều khiển được các thiết bị công nghiệp. Nền tảng mô hình thí nghiệm bao gồm 4 thành

phần như thiết bị “IoT Gateway” sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi 3 B+; các “IoT

Node” sử dụng vi điều khiển TMS320; “IoT Networks” sử dụng mạng LoRaWAN, Modbus

RTU và Internet để trao đổi dữ liệu giữa các “IoT Node” và giữa “IoT Node” ” và “IoT

Gateway”; và Server lưu trữ dữ liệu điện toán đám mây sử dụng “ThingSpeak IoT”. Kết quả

kiểm chứng cho thấy, mô hình thí nghiệm đề xuất chạy ổn định, thu thập dữ liệu và điều

khiển các thiết bị công nghiệp khá chính xác, dễ dàng triển khai các bài thí nghiệm theo tiếp

cận học qua dự án PBL (Project Based Learning) từ đơn giản đến nâng cao cho người học.

In this paper, the IoT platform is designed to teach the IoT course in our university. The

designed ideas have covered some important aspects of a building platform including easy

to implement, low-cost, ability to data acquisition and control, easy to expand multi-node

connection. The IoT platform includes 4 components such as “IoT gateway” based

Raspberry Pi 3 B+, “IoT Node” based TMS320 chip, “IoT networks” supported LoRaWAN,

Modbus RTU, Internet, and “Server” based ThingSpeak platform. The results show that the

IoT platform runs stability and can meet the requirements of data acquisition, control,

transmission in a wide area. Moreover, it is easy to deploy experiments according to

learning approach through Project-Based Learning (PBL) method from simple to advanced

for students.

9

III. Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo

3.1. Kết quả nghiên cứu ( sản phẩm dạng 1,2,3)

TT Tên sản phẩm

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu

kinh tế - kỹ thuật

Đăng ký Đạt được

1 Mô hình thiết bị phần

cứng IoT

Thiết bị chạy ổn định đáp

ứng giảng dạy môn học

thực hành IoT; Có tính

mới; Linh hoạt, có tính

mở và dễ sử dụng.

Đạt yêu cầu

2 Bản vẽ mô hình thực

hành Dễ thi công, thẩm mỹ. Đạt yêu cầu

3 Chương trình máy tính Dễ sử dụng, linh hoạt; Cài

đặt mobile và máy tính. Đạt yêu cầu

4 Tài liệu phục vụ giảng

dạy

Tài liệu hướng dẫn chi

tiết, khoa học

Đạt yêu cầu

5 Kết quả đào tạo đại học Ít nhất 01 sinh viên hoàn

thành khóa luận

Đạt yêu cầu

6 Video bài giảng phục vụ

giảng dạy E-Learning

Mỗi bài thực hành là 1

video hướng dẫn

Đạt yêu cầu

7 Bài báo khoa học 01 bài báo IUH

1. Nguyen Ngoc Son, Cao Van

Kien, Pham Quang Tri,

“Design IoT Platform For

Laboratory”, YSC2019,

ĐHCN TPHCM.

2. Phạm Quang Trí, Cao Văn

Kiên, Nguyễn Ngọc Sơn,

“Thiết kế “mô hình thí nghiệm

IoT” ứng dụng trong giảng

dạy bậc đại học”, Tạp chí

Khoa học và Công nghệ -

Trường Đại học Công nghiệp

TP.HCM, 2020.

3.2. Kết quả đào tạo

TT Họ và tên

Thời gian

thực hiện đề tài

Tên đề tài

Tên chuyên đề nếu là NCS

Tên luận văn nếu là Cao học

Đã bảo vệ

Sinh viên Đại học

Thái Vi Hùng 1/2019 đến 6/2019 Ứng dụng hệ thống nhúng trong

mô hình trồng rau thủy canh

Đạt

10

IV. Tình hình sử dụng kinh phí

TT Nội dung chi

Kinh phí

được duyệt

(triệu đồng)

Kinh phí

thực hiện

(triệu đồng)

Ghi

chú

A Chi phí trực tiếp

1 Thuê khoán chuyên môn 43 43

2 Nguyên, nhiên vật liệu, cây con..

3 Thiết bị, dụng cụ 27.5 27.5

4 Công tác phí

5 Dịch vụ thuê ngoài

6 Hội nghị, hội thảo,thù lao nghiệm thu giữa kỳ

7 In ấn, Văn phòng phẩm 2 2

8 Chi phí khác 3 3

B Chi phí gián tiếp

1 Quản lý phí 2 2

2 Chi phí điện, nước

Tổng số 77.5 77.5

V. Kiến nghị ( về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)

 Nhân rộng mô hình phần cứng IoT thành một phòng thực hành gồm 10 cụm thiết bị để

triển khai giảng dạy trong thực tế với sĩ số sinh viên 1 ca học từ 20-30 sinh viên.

 Xuất bản tài liệu hướng dẫn thực hành IoT để sinh viên có tài liệu tham khảo trong quá

trình thực hành thí nghiệm.

VI. Phụ lục sản phẩm ( liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)

 Phụ lục 5.1. Bài báo đăng tạp chí IUH.

 Phụ lục 5.2. Bài báo tham gia hội nghị khoa học trẻ YSC2019.

 Phụ lục 5.3. Bản vẽ bo mạch IoT node và IoT Gateway; bản vẽ mô hình thí nghiệm.

 Phụ lục 5.4. Minh chứng bài báo sinh viên Thái Vi Hùng tham gia hội nghị YSC2019.

 Phụ lục 5.5. Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm

Tp. HCM, ngày ........ tháng........ năm .......

Chủ nhiệm đề tài Phòng QLKH&HTQT

Trưởng đơn vị

(Họ tên, chữ ký)

11

PHẦN II. BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Đặt vấn đề

Sau hơn bốn thập kỷ kể từ khi Internet [1] ra đời, thuật ngữ "Internet" giờ đây trực tiếp

đề cập đến các ứng dụng khổng lồ được xây dựng trên mạng máy tính và được kết nối, phục

vụ cho hàng tỷ người dùng trên toàn thế giới liên tục 24/7. Chúng ta đang ở giai đoạn khởi

đầu của một kỷ nguyên mới, nơi truyền thông và kết nối ở khắp mọi nơi, nó không còn là

giấc mơ hay thách thức. Giờ đây, trọng tâm công nghệ đã chuyển sang tích hợp con người

và thiết bị thông qua một môi trường ảo gọi là Internet of Things (IoT). IoT được dự báo sẽ

là xu hướng công nghệ của thế giới vào năm 2020. Gartner [2] ước tính rằng đến cuối năm

2020, sẽ có 25 tỷ vật dụng kết nối Internet. Cisco [2] dự kiến sẽ tăng gấp đôi, sẽ có 50 tỷ

mặt hàng được kết nối Internet vào cuối năm 2020. Mọi vật dụng đều có khả năng trở nên

"thông minh" khi có kết nối Internet. Cũng như chính con người, IoT có thể được ứng dụng

trong các lĩnh vực như nhà thông minh [3], [4], giao thông thông minh [5], y tế thông minh

[6], nông nghiệp thông minh [7], thành phố thông minh [8], [9] và các ngành công nghiệp

khác. IoT đã và đang thay đổi cách con người tương tác với thiết bị, giữa thiết bị với thiết bị

từ đó tạo ra nhiều cơ hội kinh doanh, hình thức kinh doanh khác nhau cho các doanh nghiệp

và cộng đồng khởi nghiệp.

Hiện nay, các Trường Đại học và tập đoàn lớn trên thế giới đã phát triển các phòng

LAB chuyên nghiên cứu và giảng dạy trong lĩnh vực IoT. Chẳng hạn như, bài báo [10] giới

thiệu về nền tảng mô hình thí nghiệm mở FIT IoT-LAB. FIT IoT-LAB cung cấp một nền

tảng thí nghiệm quy mô lớn cho phép các nhà nghiên cứu, nhà thiết kế IoT, nhà phát triển và

kỹ sư IoT thiết kế, đánh giá và tối ưu hóa các giao thức, ứng dụng và dịch vụ của họ. Trung

tâm C-DAC (Centre For Development of Advanced Computing) [11] đã phát triển IoT-Lab

bao gồm Wi-Fi Mote, Ubimote, BLE Mote, UbiSense and WINGZ. Bài báo này mô tả các

thông số kỹ thuật, các ứng dụng thời gian thực và cơ hội nghiên cứu của các thiết bị như là

một phần của bộ công cụ IoT Lab. Bài báo [12] giới thiệu nền tảng IoT Lab dùng

Arduino/Genuino UNO, ngôn ngữ lập trình Python và ThingSpeak IoT.

Tại Việt Nam, ứng dụng IoT đang được quan tâm và kêu gọi đầu tư rất lớn từ chính

quyền, các quỹ đầu tư mạo hiểm và từ các tập đoàn lớn trên thế giới: Khu Công nghệ cao

Tp.HCM: đang ưu tiên ươm tạo các công ty khởi nghiệp mảng IoT và thường xuyên tổ chức

12

các hội thảo về IoT. Hiện này, khu công nghệ cao đang phát động cuộc thi với chủ đề “Phát

triển đô thị thông minh và nâng cao chất lượng cuộc sống dựa trên nền tảng IoT” vào tháng

09/2019. Đề xuất xây dựng chính quyền điện tử của Bí thư Thành ủy Tp.HCM với đối tác

Microsoft vào ngày 31/03/2016. Tỉnh Bình Dương đang tích cực tìm hiểu để triển khai xây

dựng “Thành phố thông minh ứng dụng công nghệ thông tin”. Hội thảo do UBND tỉnh Bình

Dương và Tổng Lãnh sự quán Hà Lan tại Tp.HCM phối hợp tổ chức vào ngày 28/03/2016,

tại Trung tâm Hội nghị và Triển lãm tỉnh. Các công ty hàng đầu thế giới như Intel, Cisco,

IBM, Google,… cùng lập quỹ đầu tư IoT trên toàn thế giới và quỹ này đang dành nhiều ưu

tiên tại Việt Nam. Hiện nay, IoT đã và đang được các trường đại học trong cả nước đưa vào

chương trình giảng dạy chính khóa dành cho sinh viên các bậc học, các LAB nghiên cứu

của các giảng viên. Chẳng hạn như: Ngày 7/7/2016 tại Khu Công nghệ cao Hòa Lạc, Bộ

Khoa học Công nghệ đã tổ chức khai trương Phòng thí nghiệm Hòa Lạc IoT Lab (HIL). IoT

Lab trưng bày công nghệ IoT như Smart Home, Smart City, IoT trong công nghiệp, giao

thông, y tế, giáo dục thông minh. Nhóm nghiên cứu UiTiO tại Bộ môn Mạng máy tính,

Trường ĐH CNTT – ĐHQG HCM, hiện đang tập trung nghiên cứu, phát triển và xây dựng

các giải pháp, ứng dụng trong các lĩnh vực: Internet of Things (IoTs). Tháng 03/2019,

Vintech đã khánh thành phòng LAB IoT tại Hàn Quốc. Các tập đoàn công nghệ lớn của

Việt Nam đều có phòng LAB IoT như VNPT, FPT, VNG, VIETTEL, VINTECH, INTEL,

National Instruments, SIEMENs and so on.

Đại học Công nghiệp Tp.HCM đang định hướng xây dựng các chương trình đào tạo

đáp ứng yêu cầu công nghiệp 4.0. Trong đó, IoT là một lĩnh vực then chốt, là hạt nhân của

cuộc cách mạng công nghiệp này. Hiện nay, IoT đã được xây dựng thành môn học giảng

dạy cho sinh viên hệ Đại học cho các ngành đào tạo của Khoa Công nghệ Điện tử, Khoa

Công nghệ Điện và Khoa Công nghệ Thông tin.

Trong đề tài này, chúng tôi thiết kế nền tảng mô hình thí nghiệm để giảng dạy học

phần IoT ở trường đại học. Ý tưởng thiết kế bao gồm các khía cạnh quan trọng được xét đến

đó là dễ dàng thực hiện, chi phí thấp, có khả năng mở rộng đa trạm kết nối, thu thập dữ liệu

và điều khiển được các thiết bị công nghiệp. Mô hình thí nghiệm đề xuất là một hệ thống

IoT hoàn chỉnh gồm 3 thành phần như phần cứng, phần mềm và truyền thông, với các tính

năng mở. Sau đó, chúng tôi thực hiện biên soạn bài giảng dựa vào mô hình thí nghiệm đề

xuất và cách tiếp cận học tập dựa trên dự án PBL [13], [14] (Project Based Learning). Các

dự án đi từ đơn giản đến phức tạp sẽ giúp sinh viên có khả năng: hiểu được kiến trúc IoTs,

13

xu hướng công nghệ và thách thức của IoTs, xu hướng thiết kế IoTs cho các ứng dụng công

nghiệp; nắm bắt được nền tảng phần cứng được sử dụng để thiết kế các ứng dụng IoTs trong

công nghiệp; hiểu được nền tảng mạng truyền thông có dây và không dây thường được sử

dụng cho các ứng dụng IoTs; tư duy phân tích và lựa chọn thiết bị phần cứng, truyền thông

và phần mềm cho một ứng dụng IoTs trong công nghiệp; thiết kế, lập trình và chạy thử

nghiệm một ứng dụng IoTs trong công nghiệp.

1.2. Mục tiêu

a) Mục tiêu tổng quát.

Xây dựng mô hình thực hành đáp ứng chuẩn đầu ra môn học IoT công nghiệp.

b) Mục tiêu cụ thể.

 Xây dựng mô hình thiết bị mẫu gồm phần cứng, truyền thông, server lưu trữ và giao diện

ứng dụng trên nền Mobile/web để triển khai bài học thực hành.

 Biên soạn tài liệu hướng dẫn thực hành

 Tài liệu giấy bám sát đề cương môn học IoT công nghiệp, hướng dẫn chi tiết từng bài

học cụ thể.

 Tài liệu video hướng dẫn thực hành cho từng bài học cụ thể để sinh viên có thể học

tại nhà qua công cụ e-learning.

1.3. Nội dung và phương pháp nghiên cứu

 Nội dung 1 : Nghiên cứu kiến trúc IoT và phác thảo ý tưởng mô hình phần cứng

 Cách tiếp cận: Khảo sát các nghiên cứu liên quan để phác thảo ý tưởng mô hình

 Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Nghiên cứu lý thuyết, phân tích và đánh

giá ưu nhược điểm của các giải pháp.

 Kết quả dự kiến: Phác thảo được bản vẽ chi tiết mô hình thực hành

 Nội dung 2 : Thiết kế và thi công mô hình thực hành

 Cách tiếp cận: Xây dựng mô hình mẫu gồm phần cứng, mạng, server lưu trữ và giao

diện ứng dụng trên nền Mobile/web để triển khai bài học thực hành như hình 1.1.

14

Hình 1.1 Sơ đồ khối mô hình thực hành IoT

Phần cứng gồm Gateway và các node điều khiển-giám sát:

- Có khả năng tùy biến cao, và hỗ trợ khả năng mở rộng kết nối đa điểm.

- Có khả năng ghi nhớ khi mất kết nối và có hỗ trợ tính năng tự động reset.

- Có thể lập trình được theo yêu cầu của ứng dụng.

- Hỗ trợ đa chuẩn truyền thông không dây như mạng Zigbee, wifi và mạng có dây

gồm RS485, Ethernet.

- Hỗ trợ thu thập dữ liệu từ tất cả các loại cảm biến ngõ ra tương tư, số như cảm

biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, ….

- Gateway dùng bo mạch máy tính nhúng Rasperry Pi 3 có hỗ trợ hệ điều hành.

Truyền thông được sử dụng trong mô hình thực hành được thiết kế gồm 2 cấp:

- Mạng cục bộ (local networks): Sử dụng mạng không dây Zigbee để kết nối

Gateway với các node thiết bị trong không gian cục bộ để thu thập dữ liệu, điều

khiển và giám sát hệ thống.

- Mạng toàn cục (global networks): Sử dụng mạng có dây internet và mạng không

dây 4G để Gateway gửi dữ liệu lên Cloud server.

Thiết lập server lưu trữ:

- Dễ dàng kết nối thiết bị phần cứng, thu thập và quản lý dữ liệu từ các cảm biến,

tích hợp sẵn các công cụ phân tích để tăng khả năng tự động hóa cho các ứng

dụng.

- Có khả năng tùy biến cao trong việc mở rộng số thiết bị, tự động cấu trúc lại phần

cứng và giao diện người dùng sao cho phù hợp.

- Tích hợp sẵn các thuật toán mã hóa hiện đại trong việc truyền dữ liệu để có độ

bảo mật cao, ổn định và tránh được các cuộc tấn công mạng.