TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KHO LƯU TRỮ THÔNG MINH VÀ GIAO TH ỨC MQTT
Đặt vấn đề
Tài liệu lưu trữ là bản gốc của văn bản được bảo tồn để phục vụ nhu cầu khai thác thông tin trong xã hội Những tài liệu này chứa đựng thông tin quá khứ, giúp nghiên cứu và tái hiện các sự kiện lịch sử một cách chính xác, đồng thời cung cấp bằng chứng cần thiết cho công tác quản lý của các cơ quan và tổ chức Do đó, việc tổ chức công tác lưu trữ hiệu quả tại các cơ quan và doanh nghiệp đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển bền vững.
Để lưu trữ tài liệu hiệu quả, cần thiết phải có một hệ thống quản lý lưu trữ giúp sắp xếp và bảo quản tài liệu một cách tối ưu.
T ổng quan về hệ thống lưu trữ tài liệu
1.2.1 Tổng quan về hệ thống lưu trữ tài liệu truyền thống
Tủ lưu trữ truyền thống là thiết bị phổ biến dùng để bảo quản tài liệu, giấy tờ, sổ sách và hồ sơ quan trọng trong cuộc sống hàng ngày.
Hình 1.1 Tủ lưu trữ tài liệu truyền thống
Tủ lưu trữ truyền thống có cấu trúc đơn giản và dễ sử dụng, nhưng khi phải quản lý một khối lượng lớn tài liệu, công việc này trở nên khó khăn, đặc biệt khi nhân sự thay đổi, cần thời gian để làm quen với hệ thống Hơn nữa, việc lưu trữ tài liệu trong tủ truyền thống thiếu tính bảo mật và khó quản lý, do không có cảm biến để theo dõi điều kiện lưu trữ tối ưu Điều này cũng dẫn đến việc không thể phát hiện và phòng ngừa các sự cố như cháy nổ, gây mất an toàn trong quá trình lưu trữ.
1.2.2 Tổng quan về hệ thống lưu trữ tài liệu thông minh
Hệ thống tủ lưu trữ dữ liệu thông minh là bước tiến mới trong việc đáp ứng nhu cầu lưu trữ và khai thác kho dữ liệu ngày càng cao Với sự phát triển của công nghệ hiện đại, hệ thống này không chỉ cần lưu trữ nhiều hơn mà còn phải bền bỉ, tiết kiệm không gian, dễ vận hành và thông minh hơn.
Hình 1.2 Hệ thống lưu trữ tài liệu thông minh
Hệ thống lưu trữ tài liệu thông minh, khác với các hệ thống truyền thống, cho phép di chuyển hoàn toàn tự động theo yêu cầu của người sử dụng Một số ưu điểm nổi bật của hệ thống này bao gồm tính linh hoạt và hiệu quả trong việc quản lý tài liệu.
Tiết kiệm tối đa không gian
Hệ thống bao gồm nhiều giá nhiều tầng và các giá sắp xếp liên tiếp, kết hợp với hệ thống chuyển động thông minh Thiết kế này phù hợp với nhiều loại phòng lưu trữ có kích thước khác nhau, đảm bảo lưu trữ an toàn và tiết kiệm không gian.
Hệ thống động cơ chuyển động giúp di chuyển các giá, tạo ra khoảng cách an toàn cho người sử dụng thao tác trên các giá và tài liệu lưu trữ khi cần truy xuất và sử dụng tài liệu.
Hình 1.3 Hình ảnh minh hoạ hệ thống tiết kiệm diện tích
Hệ thống điều khiển thông minh, dễ dàng
Mỗi tủ lưu trữ trong hệ thống được trang bị màn hình cảm ứng thông minh, tích hợp các chức năng điều khiển giá, cùng với hệ thống cảnh báo, chống ẩm mốc và đo lường nhiệt độ, độ ẩm.
Giao diện vận hành đơn giản, dễ sử dụng, tối đa hóa các phương tiện để phục vụ cho người vận hành và quản lý một cách tốt nhất
Hệ thống kho lưu trữ thông minh tích hợp nhiều loại cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến báo cháy và cảm biến phát hiện ẩm mốc, nhằm đảm bảo môi trường lưu trữ tài liệu luôn tối ưu và an toàn.
Hệ thống quản lý tài liệu khoa học, dễ dàng sử dụng
Hệ thống cung cấp cơ sở dữ liệu cho người quản lý thiết lập thông số tài liệu như tên, vị trí trong khoang giá và số lượng Người dùng chỉ cần truy xuất thông tin bằng mã hoặc tên tài liệu, hệ thống sẽ tự động cung cấp vị trí của tài liệu trong khu lưu trữ.
Hệ thống phần mềm phát triển cho phép quản lý tủ hồ sơ từ xa, cung cấp đầy đủ tính năng như thao tác trực tiếp trên máy tính, giúp khắc phục sự cố và hỗ trợ người dùng mà không cần có mặt Tủ lưu trữ thông minh vượt trội hơn so với tủ truyền thống về tính ứng dụng và chức năng, và trong tương lai, nó có khả năng thay thế hầu hết các loại tủ truyền thống.
Tuy nhiên, nhược điểm của tủ lưu trữ thông minh đó về mặt giá thành rất cao, và cấu trúc khá là phức tạp
Sau khi tìm hiểu khái quát về 2 hệ thống lưu trữ truyền thống và thông minh, ta rút ra được bảng so sánh sau:
Bảng 1.1 Bảng so sánh hệ thống lưu trữ truyền thống với hệ thống lưu trữ thông minh
Tiêu chí đánh giá Hệ thống lưu trữ truyền thống Hệ thống lưu trữ thông minh
Diện tích Cần nhiều không gian lưu trữ Giải pháp tối ưu cho tiết kiệm không gian lưu trữ
Kết cấu Kết cấu cơ khí đơn giản
Kết cấu phức tạp do có thêm phần điều khiển Ngoài ra kết cấu cơ khí cũng phức tạp hơn khi được trang bị thêm cơ cấu
Thiếu hệ thống đánh giá và thu thập dữ liệu về môi trường lưu trữ tài liệu dẫn đến việc không đảm bảo các điều kiện lưu trữ tối ưu Tuy nhiên, việc trang bị hệ thống cảm biến và giám sát cho phép theo dõi điều kiện lưu trữ, từ đó kiểm soát và đưa ra giải pháp lưu trữ hiệu quả cho tài liệu.
Tài liệu được đánh số thủ công theo quy tắc sắp xếp nhất định và lưu trữ dưới dạng sổ sách hoặc dữ liệu số trên máy tính, điều này làm cho việc tra cứu và tìm kiếm tài liệu trở nên khó khăn.
Tài liệu được số hóa và sắp xếp trên các giá, cho phép người dùng tìm kiếm thông qua màn hình hiển thị bằng tên hoặc mã tài liệu Hệ thống tự động tìm kiếm và thông báo vị trí của tài liệu cần tìm, đồng thời mở khoang giá chứa tài liệu đó.
Tài liệu trong hệ thống lưu trữ truyền thống thiếu bảo mật, cho phép người dùng tự do sử dụng Giải pháp bảo mật tốt nhất hiện tại là gắn chip từ cho mỗi tài liệu, giúp hệ thống phát cảnh báo nếu người dùng chưa thực hiện thủ tục gỡ chip.
Người dùng cần đăng nhập bằng tài khoản được cấp để truy cập hệ thống và tìm kiếm tài liệu Các tài khoản này được phân quyền để sử dụng các tính năng khác nhau trong hệ thống.
=> Tăng tính bảo mật cho tài liệu và hệ thống
Rất khó để quản lý khi số lượng tài liệu lưu trữ lớn
Tài liệu được số hóa và hệ thống hóa cho phép lưu trữ tài liệu với số lượng lớn
Khả năng mở rộng Khó mở rộng
Cung cấp khả năng mở rộng thành nhiều chuỗi hệ thống lưu trữ dùng chung một cơ sở dữ liệu
Giá thành Rẻ Cao hơn đáng kể so với hệ thống
T ổng quan về giao thức MQTT
MQTT (Message Queue Telemetry Transport) là giao thức truyền thông điệp theo mô hình publish/subscribe, nổi bật với khả năng sử dụng băng thông thấp và độ tin cậy cao Giao thức này hoạt động hiệu quả ngay cả trong điều kiện đường truyền không ổn định, như được minh họa trong Hình 1.4.
Client là thiết bị IoT gửi và nhận dữ liệu trong mạng, bao gồm cả nhà xuất bản và người đăng ký kết nối với nhà môi giới tập trung Trong giao thức MQTT, cả nhà xuất bản và người đăng ký đều được xem là khách hàng Khách hàng có thể chia thành hai loại: khách hàng liên tục, duy trì phiên với nhà môi giới, và khách hàng tạm thời, không được theo dõi bởi nhà môi giới.
Broker đóng vai trò như một trung tâm kết nối, là điểm giao nhau giữa các publisher và clients Nó nhận và sắp xếp thông điệp từ publisher, sau đó chuyển tiếp đến địa chỉ cụ thể.
Topic trong MQTT đại diện cho loại dữ liệu mà các thiết bị Client gửi và nhận Đây là một chuỗi UTF-8, thể hiện tên loại dữ liệu mà người dùng muốn điều khiển Ví dụ về một topic có thể là: “example/topic1”.
Publish: là bước gửi dữ liệu từ 1 thiết bị client đến Broker Trong bước này, thiết bị IoT sẽ xác định topic và giá trị của topic đó
Đăng ký nhận dữ liệu từ Broker là bước quan trọng cho thiết bị Client trong hệ thống IoT Tại bước này, thiết bị IoT xác định topic mà nó muốn theo dõi Khi Broker nhận được dữ liệu từ một client khác liên quan đến topic đó, nó sẽ chuyển tiếp dữ liệu đến thiết bị client đã đăng ký.
Unsubscribe: là bước thông báo với Broker là thiết bị Client không muốn tiếp tục nhận dữ liệu nữa
In 2011, IBM and Eurotech transferred MQTT to the Eclipse project known as Paho By 2013, MQTT was submitted to OASIS (Organization for the Advancement of Structured Information Standards) for standardization.
Hình 1.5 Quá trình phát triển giao thức MQTT
MQTT, ban đầu được thiết kế cho truyền thông machine-to-machine, đã chứng minh sự linh hoạt vượt trội, cho phép áp dụng trong nhiều kịch bản truyền thông khác nhau như machine-to-cloud, cloud-to-machine và app-to-app Với sự hỗ trợ của một broker phù hợp và MQTT client được cài đặt đúng cách, các thiết bị từ nhiều nền tảng khác nhau có thể dễ dàng giao tiếp với nhau.
10 tiếp với nhau một cách dễ dàng Nhiều công ty lớn đang sử dụng giao thức MQTT cho dự án của mình như là: Amazon, Facebook messager…
Các thành phần chính của MQTT là clients, servers (=brokers), sessions, subscriptions và topics [5]
Hình 1.6 Mô hình cơ bản của giao thức MQTT
MQTT client (publisher, subscriber): Client thực hiện subscribe đến topics để publish và nhận các gói tin
Topic: Về mặt kỹ thuật, topics là các hàng đợi chứa message Về logic, topics cho phép clients trao đổi thông tin và dữ liệu
Session: Một session được định nghĩa là kết nối từ client đến server Tất cả các giao tiếp giữa client và server đều là 1 phần của phiên làm việc
A subscription, unlike sessions, represents a logical connection between the client and the topic By subscribing to a topic, the client can exchange messages effectively with that topic.
Message: là các đơn vị dữ liệu được trao đổi giữa các topic clients
1.3.2 Các gói tin quan trọng của giao thức MQTT a) Định dạng của message
Phần cố định: Tất cả các message luôn được cố định theo bảng sau
Bảng 1.2 Header cố định trong truyền thông giao thức MQTT
Byte 1 Loại Message Cờ DUP QoS level RETAIN
Byte 2 Độ dài còn lại
Byte 1: Chứa loại Message và các cờ (DUP, QoS level, and RETAIN) Byte 2: (Ít nhất 1 byte) quy định độ dài còn lại
Bit 4 ->7 diễn tả giá trị được miêu tả dưới bảng sau:
Từ gợi nhớ Giá trị Miêu tả
CONNECT 1 (b0001) Client yêu cầu kết nối đến Server
CONNACK 2 (b0010) Kết nối được chấp nhận
PUBACK 4 Xuất bản messager được chấp nhận
PUBREC 5 Xuất bản đã được chấp nhận (đảm bảo nhận được lần 1) PUBREL 6 Xuất bản release (đảm bảo nhận được lần 2) PUBCOMP 7 Xuất bản release (đảm bảo nhận được lần 3) SUBSCRIBE 8 Yêu cầu subscribe từ client
SUBSCRIBE 9 Yêu cầu subscribe được chấp nhận
UNSUBACK 11 Yêu cầu unsubcribe được chấp nhận
DISCONNECT 14 Client đang mất kết nối
- Các cờ: Bit còn lại của byte đầu chứa các trường DUP, QoS và RETAIN
Vị trí các bit và ý nghĩa sau:
DUP: Cờ này được bật khi client hoặc server đang cố chuyển lại một gói PUBLISH, PUBREL, SUBSCRIBE hoặc UNSUBSCRIBE Giá trị này được sử
Trong các thông điệp có QoS lớn hơn 0 và yêu cầu ACK, bit DUP được thiết lập sẽ làm thay đổi phần header, bao gồm cả Message ID Giá trị của Message ID cho phép xác định liệu gói tin đã được nhận trước đó hay chưa.
QoS: Vị trí byte 1, bits 2-1
Cờ này sẽ cho biết độ đảm bảo việc nhận message PUBLISH Giá trị của QoS được mô tả như sau:
QoS = 0 (at-most-once): đảm bảo thông điệp gửi đi sẽ đến đích nhiều nhất là 1 lần Thông điệp có thể bị mất khi kết nối bị gián đoạn
QoS = 1 (at-least-one) đảm bảo rằng mỗi gói tin sẽ được gửi đến đích ít nhất một lần, dẫn đến khả năng gói tin có thể được truyền đến đích nhiều lần Điều này có nghĩa là có thể xảy ra tình trạng trùng lặp gói tin Mặc dù QoS = 1 giải quyết được vấn đề mất gói mà QoS = 0 không thể khắc phục, nhưng người dùng cần chấp nhận khả năng xuất hiện các gói tin lặp lại.
QoS = 2 (Exactly-once) đảm bảo rằng mỗi gói tin chỉ được gửi đến đích duy nhất một lần, giúp ngăn chặn tình trạng mất gói hoặc lặp gói Đây là mức độ đảm bảo cao nhất, thường được sử dụng trong các hệ thống yêu cầu nghiêm ngặt về độ tin cậy trong việc truyền nhận dữ liệu.
RETAIN: Vị trí byte 1, bit 0
Thông điệp được đánh dấu retain sẽ được lưu trữ bởi MQTT Broker với đầy đủ nội dung và QoS Khi một client đăng ký vào cùng một topic, nó sẽ nhận được thông điệp ngay khi được phát hành và ngay sau khi quá trình đăng ký thành công Do đó, nếu một client thường xuyên bị ngắt kết nối và sau đó kết nối lại để đăng ký vào topic, nó sẽ nhận được cùng một thông điệp mỗi lần đăng ký thành công.
Trên mỗi chủ đề, server chỉ lưu trữ một thông điệp duy nhất được đánh dấu retain, và thông điệp mới được đánh dấu retain sẽ thay thế thông điệp trước đó Các thông điệp không được đánh dấu retain sẽ được server phân phối bình thường mà không ảnh hưởng đến thông điệp retain hiện có.
Một client có thể xoá bỏ thông điệp retain trên một topic bằng cách đơn giản là publish một message “trống” được đánh dấu retain vào cùng topic
Độ dài còn lại: (vị trí byte 2)
Độ dài của một message bao gồm cả phần header và payload được mô tả bằng cách sử dụng 1 byte cho độ dài thay đổi, với độ dài tối đa là 127 Đối với các message dài hơn, 7 bit được dùng để biểu diễn giá trị, trong khi 1 bit còn lại xác định xem có byte nào tiếp theo hay không Mỗi byte tiếp theo cũng sẽ sử dụng 7 bit để lưu giá trị và 1 bit gọi là bit tiếp tục Giá trị được tính bằng cách nhân giá trị từ 7 bit với lũy thừa tăng dần của 128 Ví dụ, độ dài Remain Length = 64 chỉ cần 1 byte với 7 bit cho giá trị 64 và 1 bit còn lại bằng 0 Đối với giá trị 321, ta cần 2 byte, trong đó byte đầu tiên chứa giá trị 65 và byte thứ hai chứa giá trị 2 Trường này có thể được biểu diễn tối đa trong 4 byte, cho phép độ dài lên đến 268.435.455 (256 MB).
Bảng 1.4 Bảng miêu tả độ dài ứng với số byte
Số byte Độ dài min Độ dài max
0x7F) b) CONNECT – Client yêu cầu connect tới server
T ổng quan cấu trúc xây dựng hệ thống lưu trữ thông minh
Dựa trên những phân tích đã thực hiện, nhóm đã tiến hành xây dựng và phát triển hệ thống lưu trữ thông minh, đáp ứng đầy đủ các tiêu chí công nghệ nhằm tạo ra một môi trường lưu trữ tối ưu cho tài liệu.
1.4.1 Cấu trúc thiết kế cho hệ thống lưu trữ thông minh a) Các tính năng trong hệ thống lưu trữ thông minh
Hệ thống lưu trữ thông minh được xây dựng gồm nhiều giá (tủ lưu trữ) được đặt sát cạnh nhau nhằm tối ưu không gian lưu trữ
Hệ thống lưu trữ thông minh phục vụ cho công tác lưu trữ tài liệu cần đáp ứng được các tiêu chí sau:
- Hệ thống có khả năng di chuyển, đảm bảo không gian lưu trữ tối ưu
- Hệ thống có khả năng điều khiển, giám sát, thu thập dữ liệu của môi trường lưu trữ, đảm đảm điều kiện lưu trữ tối ưu
- Hệ thống có khả năng vận hành trơn tru, đảm bảo các yếu tố an toàn cho người dùng
- Hệ thống có khả năng tìm kiếm tài liệu ngay tại hệ thống, hoặc thông qua
- Hệ thống có khả năng bảo mật tài liệu
- Hệ thống có khả năng theo dõi, chuẩn đoán các thiết bị, cảm biến phục vụ công tác bảo trì, bảo dưỡng hệ thống
Hệ thống tự động theo dõi và cảnh báo người dùng khi có sự cố xảy ra, đồng thời được thiết kế với cấu trúc thông minh cho kho lưu trữ.
Hệ thống lưu trữ thông minh bao gồm nhiều dãy tủ lưu trữ được sắp xếp gần nhau để tối ưu hóa không gian Để điều phối hoạt động của các tủ trong hệ thống, cần thiết phải có một tủ điều khiển gọi là tủ "Master" Các tủ còn lại được kết nối với tủ Master và được gọi là tủ "Slave".
Mỗi hệ thống được trang bị cảm biến phát hiện hành trình, đặt tại các tủ ngoài cùng, nhằm xác định khoảng cách tối đa mà hệ thống có thể đạt được Điều này giúp đảm bảo hệ thống không vượt quá giới hạn ray Các tủ ngoài cùng này được gọi là tủ “Outmost Slave”.
Như vậy, một hệ thống lưu trữ thông minh hoàn chỉnh sẽ gồm 3 loại tủ sau:
Trong quá trình hoạt động, các tủ lưu trữ giao tiếp với nhau, trong đó tủ Master ra lệnh điều khiển, trong khi các tủ Slave và Outmost Slave gửi lệnh đến Master và nhận lệnh từ đó Để thu thập, xử lý và truyền nhận dữ liệu giữa các ngoại vi và tủ, mỗi tủ lưu trữ được trang bị một mạch điều khiển, gọi là “mạch điều khiển trung tâm”.
Để tính toán khoảng cách di chuyển của các tủ lưu trữ, cần thiết lập một hệ tọa độ gốc làm điểm tham chiếu, với tủ Master là tọa độ gốc Các tủ Slave và Outmost Slave sẽ được quy về phía tủ Master, do đó tủ Master phải là tủ cố định và không được trang bị động cơ hay cho phép di chuyển.
Để thực hiện chức năng tìm kiếm tài liệu hiệu quả trên hệ thống, cần xây dựng một cơ sở dữ liệu đặc biệt, sẽ được đặt tại tủ Master Do đó, tủ Master sẽ được thiết kế khác biệt so với các tủ còn lại.
Sơ đồ thiết kế cho hệ thống lưu trữ thông minh đáp ứng các tính năng trên được minh họa trong hìnhdưới đây:
Mạch điều khiển trung tâm
Mạch điều khiển trung tâm Mạch điều khiển trung tâm
Mạch điều khiển trung tâm
Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
Phát hiện tủ bị khóa
Mạch điều khiển động cơ Đèn chiếu led sáng
Mạch led 7 thanh báo số tủ
Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
Phát hiện tủ bị khóa
Mạch điều khiển động cơ Đèn chiếu led sáng
Mạch led 7 thanh báo số tủ
Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
Phát hiện tủ bị khóa
Mạch điều khiển động cơ Đèn chiếu led sáng
Mạch led 7 thanh báo số tủ
Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
Mạch led 7 thanh báo số tủ Điều khiển thông gió Điều khiển điều hòa
Tủ MASTER Tủ SLAVE 1 Tủ SLAVE 2 Tủ OUTMOST SLAVE
Cảm biến hết hành trình
Phát hiện tủ bị khóa
Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống lưu trữ thông minh
Dễ thấy, các ngoại vi, các thành phần trong từng loại tủ lưu trữ sẽ là:
Mạch điều khiển trung tâm được kết nối với máy tính công nghiệp, hay còn gọi là IPC (Industrial Panel PC) Trong bài viết này, tôi sẽ sử dụng ký hiệu IPC để chỉ đến thiết bị này.
Tại tầng trên, IPC sẽ giao tiếp với các ngoại vi đó là điều khiển điều hòa, loa và cảm biến vân tay
Tại tầng dưới, mạch điều khiển trung tâm tương tác với các thiết bị ngoại vi như LED 7 thanh hiển thị số vị trí tủ, hệ thống điều khiển thông gió, cảm biến phát hiện khóa cơ, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, cùng với cảm biến chất lượng không khí NH3.
Mạch điều khiển trung tâm được kết nối với tầng trên có nhiệm vụ hiển thị đó là màn hình công nghiệp “Human-machine Interface” gọi tắt là HMI
Tại tầng điều khiển trung tâm, mạch điều khiển sẽ kết nối với các thiết bị ngoại vi như cảm biến hồng ngoại, mạch đếm người, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, cảm biến chất lượng không khí NH3, cảm biến tiệm cận, và cảm biến phát hiện.
19 khóa cơ (phát hiện tủ bị khóa), mạch điều khiển động cơ, đèn led chiếu sáng và led 7 thanh báo số tủ (hiển thị vị trí của tủ)
Tủ Outmost Slave được thiết kế tương tự như các tủ Slave khác, nhưng đặc biệt ở tầng điều khiển trung tâm, mạch điều khiển trung tâm được kết nối với cảm biến hết hành trình.
1.4.2 Cấu trúc giao thức MQTT thiết kế trên hệ thống lưu trữ thông minh
Hệ thống bao gồm một tủ master và các tủ slave di động xung quanh Mạch điều khiển trung tâm tại tủ master thu thập thông tin và dữ liệu từ các cảm biến cũng như trạng thái của các tủ, sau đó gửi lên máy tính IPC để quản lý và giám sát.
Tủ 5 Tủ 3 Tủ 1 Master Tủ 2 Tủ 4 Tủ 6 Tủ 8 Tủ
Hình 1.8 Hệ thống tủ lưu trữ thông minh
Hệ thống giao tiếp qua một server trung gian gọi là MQTT broker, giúp quản lý cấu hình cho từng người dùng và trao đổi dữ liệu giữa hệ thống và người dùng Mỗi hệ thống tự động sao lưu dữ liệu vào cơ sở dữ liệu, tạo thuận lợi cho việc theo dõi hoạt động Mô hình quản lý chuỗi hệ thống kho lưu trữ thông minh được minh họa trong hình dưới đây.
Hình 1.9 Mô hình quản lý chuỗi hệ thống tủ lưu trữ thông minh
Trong quá trình nghiên cứu về IoT, tôi đã phát triển một hệ thống giá kho lưu trữ thông minh sử dụng giao thức MQTT Giao thức này cho phép hệ thống hoạt động, điều khiển và giám sát thông qua các thiết bị như điện thoại thông minh và máy tính để bàn qua website Hình 1.10 minh họa mô hình quản lý giám sát của hệ thống tủ tài liệu thông minh.
Mạch master hệ thống 1 Ứng dụng giao tiếp với mạch Master
Mạch master hệ thống n Ứng dụng giao tiếp với mạch Master
Hình 1.10 Mô hình quản lý giám sát hệ thống dựa trên giao thức MQTT
Hệ thống quản lý giám sát gồm các thành phần chính sau:
- Ứng dụng giao tiếp với mạch master, ứng dụng này được thiết kế trên máy tính công nghiệp IPC
- Hệ thống được lưu trữ quá trình vận hành vào trong cơ sở dữ liệu
- Smartphone, máy tính để bàn, website giúp hệ thống tương tác với người sử dụng.
T ổng kết chương 1
Chương 1 đã giới thiệu khái quát về các hệ thống lữu trữ tài liệu truyền thống và thông minh cũng như đánh giá các ưu nhược điểm của 2 hệ thống này
Lưu trữ thông minh kết hợp IoT đại diện cho sự phát triển cần thiết trong kỷ nguyên công nghiệp 4.0, vượt trội hơn so với lưu trữ truyền thống Chương 1 đã giới thiệu giao thức MQTT, một trong những giao thức phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong IoT Dựa trên phân tích các tính năng và yêu cầu cần thiết cho hệ thống lưu trữ thông minh, bài viết đã đề xuất cấu trúc thiết kế tổng thể cho phần mềm điều khiển giám sát.
Các chương tiếp theo sẽ đi vào phân tích, xây dựng và thiết kế chi tiết phần mềm điều khiển, giám sát của toàn bộ hệ thống
CƠ SỞ THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT HỆ
Đặt vấn đề
Xuất phát từ nhu cầu thực tế trong quá trình xây dựng, phát triển hệ thống kho lưu trữ thông minh yêu cầu một máy tính:
- Có màn hình hiển thị quá trình vận hành và điều khiển hệ thống
- Hoạt động ổn định trong một thời gian dài, vì hệ thống yêu cầu vận hành 24/24 giờ trong một ngày
- Có khả năng chống va đập, rung lắc do hệ thống tủ có khả năng di chuyển
- Khả năng lưu trữ tài liệu lớn
- Có độ tin cậy cao
- An toàn với người sử dụng, và tiết kiệm điện
- Nhỏ gọn, có thể dễ dàng di chuyển và lắp đặt
Với những yêu cầu trên, tôi đề xuất sử dụng máy tính công nghiệp Advantech PPC-3100S-PBE phục vụ cho hệ thống tủ tài liệu thông minh.
Gi ới thiệu máy tính công nghiệp IPC Advantech PPC-3100s
2.2.1 Máy tính công nghiệp IPC Advantech PPC-3100s
Hình 2.1 Máy tính công nghiệp PPC-3100S-PBE
23 a) Thông số kỹ thuật máy tính công nghiệp Advantech PPC-3100S-PBE [3]
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật máy tính công nghiệp Advantech PPC-3100S-PBE
Thông số kỹ thuật PPC-3100S-PBE
CPU Intel® Celeron® N2930 quad core
Số cổng lưu trữ 1 khe cắm 2.5 SATA
Cổng LAN 2 x 10/100/1000 Mbps Ethernet (Intel I211-
1 x USB 2.0, 1 x USB 3.0 (for PPC-3100S- PBE
Cổng mở rộng 1 x Full-size mini PCIe slot
Watchdog Timer 255 timer levels, cài đặt bởi phần mềm ĐẶC ĐIỂM
Hệ điều hành hỗ trợ
Microsoft® Windows 7(32/64-bit)/10(64-bit), WES7P, WEC7, Windows 10 IOT LTSC,
Hiệu điện thế đầu vào
12 – 24 VDC Điện năng tiêu thụ
16W (Hoạt động trên Windows 7 – 32 bit)
Kích thước 10.4 inch TFT LCD (LED backlight) Độ phân giải 1024 x 768 Góc nhìn 88° (trái), 88° (phải), 88° (trên), 88° (dưới) Độ chói (cd/m 2 ) 350 Độ tương phản 1200
Tuổi thọ đèn nền 30,000 hr(min)
Loại cảm ứng 5 điểm cảm ứng điện dung Truyền ánh sáng 88±2%
Giao tiếp Giao thức USB Độ bền / Độ cứng
Cover glass > 7H Nhiệt độ hoạt 0 ~ 50 °C (32 ~ 122 °F) với ổ SSD
HOẠT ĐỘNG động 0 ~ 40 °C (32 ~ 104 °F) với ổ HDD
Nhiệt độ lưu trữ -40 ~ 60 °C (-40 ~ 140 °F) Độ ẩm tương đối 10 ~ 95% @ 40 °C (không ngưng tụ) Độ rung Hoạt động kiểm tra độ rung ngẫu nhiên 5-
500Hz, 1Grms đối với HDD, 2 Grms đối với SSD, dựa theo tiêu chuẩn IEC 60068-2-64 Độ va đập Vận hành tăng tốc đỉnh 10 G (thời gian 11 ms), tuân theo chuẩn IEC 60068-2-27
EMC CE, FCC Class B, BSMI
An toàn CB, CCC, BSMI, UL
Bảo vệ mặt trước Theo tiêu chuẩn IP65
Máy tính công nghiệp IPC được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong môi trường khắc nghiệt với dải nhiệt độ từ 0-50℃ và khả năng chống va đập trong quá trình sử dụng Với khối lượng chỉ 1.9 kg, PPC – 3100s mang lại sự thuận tiện trong việc lắp đặt hệ thống.
CPU Intel® Celeron® N2930 4 nhân với xung nhịp 1.83GHz, mặc dù không có cấu hình cao, nhưng đủ khả năng xử lý các tác vụ điều khiển nhẹ nhàng Đặc biệt, PPC-3100S-PBE trang bị màn hình cảm ứng điện dung, cho phép người dùng tương tác trực tiếp với hệ thống, theo dõi và điều khiển các giá kho thông minh Thiết bị hoạt động hiệu quả với mức điện áp tối ưu.
12-24VDC giúp chúng ta tiết kiệm điện năng và an toàn trong quá trình hoạt động a) Ưu điểm của máy tính công nghiệp advantech PPC-3100S-PBE
Máy tính công nghiệp được thiết kế để vận hành liên tục trong các môi trường khắc nghiệt, bao gồm nhiệt độ cao, bụi bẩn, độ ẩm, rung động mạnh và nguồn điện áp không ổn định Chúng đáp ứng các tiêu chuẩn yêu cầu để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong suốt quá trình hoạt động.
- Tiêu chuẩn chống rung lắc IEC 60068-2-64
- Tiêu chuẩn chống sốc IEC 60068-2-27
- Dải nhiệt độ hoạt động từ 0-50℃
- Dải độ ẩm hoạt động rộng từ 10 - 95% trong môi trường không ngưng tụ
Máy tính công nghiệp PPC-3100s hoạt động êm ái và tiết kiệm điện năng vượt trội so với máy tính điện dân dụng, với công suất tiêu thụ chỉ 35W so với 300W của máy dân dụng Điều này cho thấy PPC-3100s giúp tiết kiệm đáng kể điện năng, đặc biệt là trong các dự án có thời gian làm việc dài.
Máy tính công nghiệp IPC có nhiều cổng kết nối đa dạng, hỗ trợ các chuẩn giao tiếp như RS-485, RS-232 và USB, giúp thuận tiện trong quá trình phát triển hệ thống Thiết kế không quạt của IPC mang lại kích thước nhỏ gọn, cho phép lắp đặt ở nhiều vị trí khác nhau, đồng thời giảm thiểu tiếng ồn khi hoạt động Điều này làm cho máy tính công nghiệp IPC trở thành lựa chọn lý tưởng trong hệ thống giá kho lưu trữ.
Hệ thống giá kho lưu trữ thông minh hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu cơ bản, bao gồm khả năng giao tiếp hiệu quả với mạch master để điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống.
- Hoạt động tốt trong môi trường khắc nghiệt, khi vận hành hệ thống có sự va đập nhỏ vì vậy đảm bảo an toàn
- Mức tiêu điện năng thấp với chỉ 16W giúp tiết kiệm điện của hệ thống và đảm bảo an về điện trong quá trình vận hành
- Tuy nhiên với CPU có tốc độ xử lý không cao không thích hợp để truy vấn nhiều cơ sở dữ liệu
Cổng kết nối hỗ trợ RS 485 cho phép giao tiếp hiệu quả với mạch master, tuy nhiên, hệ thống không có cổng kết nối jack âm thanh 3.5mm Do đó, cần thiết kế một bộ giải mã âm thanh tích hợp để đảm bảo khả năng phát âm thanh.
- Về phần mềm: máy hỗ trợ cài đặt nhiều hệ điều hành vì vậy thuận tiện cho quá trình phát triển hệ thống
2.2.2 Kết nối máy tính công nghiệp IPC trong hệ thống kho lưu trữ thông minh
Máy tính công nghiệp IPC được đặt trên tủ Master được kết nối với mạch điều khiển trung tâm qua qua giao thức RS-485
Dựa trên phân tích sơ đồ cấu trúc hệ thống tại mục 1.4.1 và Hình 1.7, mạch điều khiển trung tâm của hệ thống được trang bị chip ARM.
STM32F407VGT6 Các ngoại vi được kết nối với trên mạch điều khiển trung tâm đó là:
- 2 cảm biến chấy lượng không khí MQ135 sử dụng tín hiệu digital được đặt bên trong và bên ngoài tủ giúp xác định cháy trong hệ thống
- 2 cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT30 giao tiếp theo chuẩn I2C được đặt bên trong và bên ngoài tủ
- 1 máy tính công nghiệp IPC (Industrial Panel PC) Advantech PPC3100S-PBE 10 inch cảm ứng điện dung giao tiếp theo chuẩn truyền thông RS485
- 2 quạt gió 220VAC được điều khiển thông qua relay
- 1 công tắc hành trình phát hiện tủ bị khóa cơ
- 1 mạch led 7 thanh báo số tủ (chỉ lấy nguồn từ mạch điều khiển trung tâm)
- 1 cổng truyền thông CAN giúp trao đổi dữ liệu giữa mạch điều khiển trung tâm trên tủ master và các mảng mạch trên tủ slave
Cơ sở thiết kế phần mềm trên máy tính công nghiệp IPC
Phần mềm thiết kế cho hệ thống kho lưu trữ thông minh trên máy tính công nghiệp được phát triển trên nền tảng Ubuntu và sử dụng cơ sở dữ liệu SQLite để quản lý dữ liệu hiệu quả.
2.3.1 Hệ điều hành Ubuntu (Linux)
Trong những năm gần đây, hệ điều hành Linux ngày càng trở nên phổ biến trong trường học và môi trường công nghiệp Với tính năng ổn định và khả năng hoạt động song song với các hệ điều hành thương mại khác, Linux đã khẳng định vị thế của mình Sự lan tỏa của mã nguồn Linux trên Internet cũng đã góp phần quan trọng vào việc phổ cập hệ điều hành này.
Ubuntu là hệ điều hành mã nguồn mở, phát triển từ nền tảng Debian GNU/Linux và được tài trợ bởi Canonical Ltd.
(chủ sở hữu là Mark Shuttleworth) [4], rất phù hợp cho máy tính để bàn, máy tính xách tay và máy chủ
Ubuntu là hệ điều hành hoàn toàn miễn phí, cho phép người dùng tải về, sử dụng và chia sẻ với bạn bè, gia đình hoặc đồng nghiệp mà không tốn phí Mỗi phiên bản của Ubuntu được cập nhật định kỳ 6 tháng, đảm bảo rằng bạn luôn có được các ứng dụng mới nhất trong thế giới phần mềm mã nguồn mở.
Ubuntu được phát triển với trọng tâm bảo mật, cung cấp các bản cập nhật bảo mật liên tục trong ít nhất 18 tháng cho cả máy để bàn và máy chủ Người dùng có thể nâng cấp lên phiên bản mới hoàn toàn miễn phí, mang lại nhiều lợi ích cho hệ điều hành Ubuntu (Linux).
Ubuntu (Linux) là hệ điều hành miễn phí, dựa trên nền tảng mã nguồn mở, trong khi Windows là phần mềm bản quyền với chi phí sở hữu lên tới vài triệu đồng.
Ubuntu (Linux) nổi bật với tính ổn định, cho phép nhiều máy chủ hoạt động liên tục trong nhiều năm mà không gặp sự cố Hệ điều hành này xử lý hiệu quả nhiều kết nối và tiến trình đồng thời, vượt trội hơn so với Windows.
Ubuntu (Linux) nổi bật với độ an toàn và bảo mật cao nhờ vào cơ cấu phân quyền rõ ràng Chỉ có người dùng "root" (Administrator) mới có quyền cài đặt và thay đổi hệ thống, trong khi đó, Linux còn cho phép người dùng chuyển tạm thời sang quyền "root" để thực hiện các nhiệm vụ đặc biệt Điều này góp phần đảm bảo sự ổn định cho IPC.
Ubuntu (Linux) là hệ điều hành tối ưu, không yêu cầu nâng cấp phần cứng liên tục như Windows Với kích thước nhỏ gọn và khả năng mở rộng linh hoạt, Ubuntu hỗ trợ đa dạng thiết bị phần cứng Ngoài ra, hệ điều hành này còn tuân thủ giấy phép Công cộng GNU.
Hầu hết phần mềm trên Microsoft Windows, bao gồm cả hệ điều hành, đều yêu cầu mua bản quyền Khi bạn thanh toán cho phần mềm, bạn sẽ nhận được giấy phép sử dụng, có thể kèm theo mã nguồn Tuy nhiên, bằng sáng chế và quyền sở hữu phần mềm thuộc về tổ chức hoặc công ty phát triển, và bạn không thể mua chúng.
Giấy phép GPL là một loại giấy phép sử dụng phổ biến trong thế giới mã nguồn mở, bên cạnh giấy phép bản quyền, cho phép người dùng tự do sử dụng, sửa đổi và phân phối phần mềm.
Giấy phép mã nguồn mở cho phép mọi người sử dụng, sửa đổi và phát hành lại phần mềm mà không phải trả phí Tuy nhiên, không ai được phép sở hữu riêng mã nguồn hoặc phần mềm theo giấy phép này Điều này có nghĩa là không ai có thể đăng ký bản quyền cho mã nguồn mở hoặc các phần mềm được phát triển từ mã nguồn mở.
Hình 2.2 Giấy phép công cộng GNU
Hệ điều hành Ubuntu, với giấy phép công cộng GNU, cho phép phát triển ứng dụng mà không lo ngại về bản quyền, từ đó hỗ trợ việc thương mại hóa sản phẩm Đặc biệt, Ubuntu được tích hợp trong hệ thống giá kho lưu trữ thông minh, mang lại nhiều lợi ích cho việc phát triển ứng dụng phục vụ cho mục đích thương mại.
- Là hệ điều hành có bản quyền miễn phí vì vậy giúp tiết kiệm chi phí phát triển hệ thống giá kho lưu trữ thông minh
- An toàn dữ liệu người dùng, vì trên hệ điều hành Linux phân quyền theo cấp độ người sử dụng và hệ điều Linux ít mã độc
Nhiều công ty lớn hiện nay đang tin tưởng sử dụng hệ điều hành Linux cho hoạt động của mình và làm máy chủ, điều này chứng tỏ rằng Linux có khả năng hoạt động ổn định trong thời gian dài, rất phù hợp cho các hệ thống.
- Cộng đồng sử dụng Linux đông đảo, hỗ trợ tốt trong quá trình phát triển hệ thống
2.3.2 Hệ quản trị cơ sở dữ liệu a) Các hệ quản trị cơ sở dữ liệu phổ biến
Một số hệ quản trị cơ sở dữ liệu phổ biến hiện nay được sử dụng như:
Hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL nổi bật với tốc độ hoạt động nhanh chóng, khả năng tối ưu hóa tốt và hỗ trợ đa luồng, đa người dùng Các tính năng và hiệu suất của MySQL cũng rất ấn tượng, mang lại hiệu quả cao trong quản lý dữ liệu.
C ấu trúc phần mềm điều khiển, giám sát hệ thống kho lưu trữ thông
Cấu trúc thiết kế phần mềm điều khiển và giám sát cho hệ thống kho lưu trữ thông minh được xây dựng trên hệ điều hành Ubuntu, sử dụng giao thức MQTT và cơ sở dữ liệu SQLite, được minh họa trong hình dưới đây.
MÁY TÍNH CÔNG NGHIỆP IPC
Hình 2.4 Cấu trúc phần mềm điều khiển giám sát hệ thống giá kho lưu trữ
Hệ thống điều khiển, giám sát hệ thống kho lưu trữ thông minh trên IPC được tôi chia làm 2 phần chính đó là:
MQTT Broker là một máy chủ có nhiệm vụ trao đổi dữ liệu với các client đã đăng ký, đồng thời được cấu hình để phân biệt quyền điều khiển và theo dõi các chức năng trong hệ thống tủ tài liệu.
33 Ứng dụng điều khiển giám sát và vận hành hệ thống tủ tài liệu thông minh:
- Ứng dụng giao tiếp với mạch master và thông báo quá trình vận hành hệ thống qua âm thanh
- Ứng dụng giao tiếp với người vận hành hệ thống
Ứng dụng ghi lại quá trình vận hành của hệ thống bao gồm các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, các thao tác điều khiển và sự cố của hệ thống vào cơ sở dữ liệu SQLite.
T ổng kết chương 2
Chương 2 tôi đã trình bày về cơ sở thiết phần mềm điều khiển giám sát hệ thống kho lưu trữ thông minh xây dựng trên một máy tính công nghiệp Advantech PPC-3100s-PBE Trên cơ sở phần cứng đó tôi xây dựng cấu trúc phần mềm điều khiển giám sát hệ thống dựa trên giao thức MQTT Đặc biệt với giấy phép sử dụng miễn phí với mã nguồn mở tôi có thể thiết kế phần mềm phục vụ mục đích thương mại
CẤU HÌNH SERVER MQTT TRÊN MÁY TÍNH CÔNG NGHIỆP
Cài đặt MQTT Broker trên máy tính công nghiệp
3.1.1 Giới thiệu về Mosquito mã nguồn mở
Eclipse Mosquitto là một nhà môi giới tin nhắn mã nguồn mở, hỗ trợ các phiên bản giao thức MQTT 5.0, 3.1.1 và 3.1 Mosquitto nổi bật với trọng lượng nhẹ, phù hợp cho cả thiết bị có cấu hình thấp và các hệ thống máy tính lớn, đáp ứng nhu cầu đa dạng của người dùng.
Hình 3.1 Máy chủ MQTT (mosquitto)
Lợi ích khi sử dụng máy chủ MQTT Broker (Mosquitto):
Phần mềm này cho phép sao chép hoàn toàn miễn phí, không phát sinh chi phí bản quyền, và có thể được sử dụng cho mục đích thương mại.
Các định dạng tập tin không hoàn toàn bị kiểm soát bởi một nhà cung cấp, điều này thường xảy ra trong phần mềm độc quyền, nơi chỉ nhà cung cấp có thể giải quyết vấn đề Ngược lại, với phần mềm mã nguồn mở, người dùng có thể chỉnh sửa các tập tin theo nhu cầu của mình, tuy nhiên, điều này yêu cầu người sử dụng phải có kiến thức nhất định để thực hiện việc chỉnh sửa trong thư viện mã nguồn mở.
Các sản phẩm Open Source thường có khả năng bảo mật xuất sắc, với việc sửa lỗi nhanh chóng khi phát hiện lỗ hổng, vượt trội hơn so với phần mềm bản quyền Hơn nữa, chúng được hỗ trợ bởi một cộng đồng lớn, không phụ thuộc vào bất kỳ công ty nào.
Giao thức MQTT là một giải pháp nhắn tin nhẹ nhàng, sử dụng mô hình publish/subscribe, rất phù hợp cho các ứng dụng Internet of Things (IoT) Nó cho phép giao tiếp hiệu quả giữa các cảm biến tiêu thụ công suất thấp trên các thiết bị di động như điện thoại, máy tính nhúng và vi điều khiển.
Vì mosquitto không có sẵn trên ứng dụng của Ubuntu Do đó cần phải thêm respositories
Ta chạy lênh sau: sudo apt-add-repository ppa:mosquitto-dev/mosquitto-ppa sudo apt-get update
Cài đặt mosquitto: sudo apt-get install mosquitto
Cài đặt mosquitto client: (Gói này phục vụ debug, kiểm tra hoạt động của Broker) sudo apt-get install mosquitto-clients
Dịch vụ Mosquitto sẽ được khởi chạy ngay sau khi cài đặt và các message được gửi đến qua port 1883
Hình 3.2 Dịch vụ mosquitto chạy trên hệ thống
C ấu hình MQTT Broker trên máy tính công nghiệp
3.2.1 Cơ sở xây dựng cấu hình trên MQTT Broker
Hệ thống lưu trữ thông minh được chia thành ba nhóm quyền: quyền thủ thư, quyền kỹ thuật viên (để cài đặt và cấu hình hệ thống) và quyền cao nhất là người quản lý hệ thống, nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế trong việc lưu trữ và sử dụng tài liệu.
Thủ thư Kỹ thuật viên
Thủ thư Kỹ thuật viên
Hệ thống điều khiển tủ bao gồm các chức năng tìm kiếm tài liệu và cài đặt, cấu hình hệ thống Việc tối ưu hóa các tính năng này giúp nâng cao hiệu quả quản lý và sử dụng tủ Tìm kiếm tài liệu nhanh chóng và dễ dàng, cùng với khả năng cài đặt và cấu hình linh hoạt, tạo điều kiện thuận lợi cho người dùng trong việc vận hành hệ thống.
Hình 3.3 Phân quyền người dùng trên hệ thống lưu trữ thông minh
Kết hợp với hệ thống lưu trữ tài liệu ta có thể xác định các quyền chính trong tủ Master và Slave như sau:
• Quyền điều khiển tủ master:
- Dừng hệ thống khi đang di chuyển
- Đóng toàn bộ tủ bên phải
- Đóng toàn bộ tủ bên trái
- Đóng toàn bộ hệ thống tủ
• Cài đặt cấu hình tủ master:
- Cài đặt bật tắt cảm biến nhiệt độ, độ ẩm bên trong và ngoài dãy giá
- Cài đặt môi trường hoạt động bao gồm dải nhiệt độ, độ ẩm cho phép hệ thống vận hành
- Cài đặt khoảng cách mở tủ của hệ thống
- Cải đặt khoảng cách thông gió hệ thống
- Cài đặt khoảng cách giảm tốc của hệ thống
- Số lượng tủ bên trái và bên phải tủ master
• Xác định các thông số, trạng thái trong tủ:
- Phát hiện cháy trong và ngoài tủ master
- Nhiệt độ, độ ẩm theo thời gian thực ở bên trong và ngoài tủ master
- Các cảnh báo của hệ thống như: Quá dải nhiệt độ hoạt động, quá dải độ ẩm hoạt động,…
- Trạng thái kết nối từ tủ master đến máy tính IPC
• Quyền điều khiển tủ slave:
- Bật tắt đèn chiếu sáng trong tủ
- Mở hoặc đóng tủ tài liệu
• Cài đặt cấu hình tủ slave
- Cài đặt bật tắt cảm biến nhiệt độ, độ ẩm bên trong tủ master
- Cài đặt bật tắt cảm biến đếm người trên tủ slave
- Cài đặt dải độ ẩm hoạt động của hệ thống
- Cài đặt lực chống kẹt của động cơ trên tủ slave
• Xác định các thông số, trạng thái trong tủ slave:
- Phát hiện cháy trong tủ slave
- Nhiệt độ theo thời gian thực ở bên trong tủ slave
Hệ thống sẽ đưa ra các cảnh báo quan trọng như: vượt quá dải nhiệt độ hoạt động, vượt quá dải độ ẩm hoạt động, dừng khẩn cấp do kẹt giá và dừng khẩn cấp khi có người vào tủ.
- Trạng thái hoạt động của tủ slave: xa tủ master, gần tủ master
- Khoảng cách tủ so với tủ liền kề
Cấu hình phân quyền truy cập trên hệ thống dựa vào quyền publish và subscribe trên MQTT Broker Do đó, tôi thiết lập quyền truy cập hệ thống dựa trên nguyên tắc này.
Hệ thống tủ hồ sơ (THS/)
Tủ master (0/) Điều khiển tủ (C) Cài đặt tủ (S) Trạng thái tủ (R)
Tủ slave ? Điều khiển tủ
(C) Cài đặt tủ (S) Trạng thái tủ (R)
Tài liệu (SYS1DOC) Tra cứu
Hình 3.4 Phân quyền quản lý trê hệ thống tủ lưu trữ thông minh
• Nhóm cấp độ thủ thư có quyền:
- Điều khiển hoạt động các tủ master, slave
- Quyền xác định trạng thái của hệ thống
- Quyền tra cứu tài liệu
• Nhóm cấp độ kỹ thuật viên có quyền:
- Điều khiển hoạt động của các tủ master, slave
- Cấu hình điều khiển hệ thống
- Xác định trạng thái hệ thống
Cuối cùng, người dùng sẽ có quyền quản lý hệ thống, cho phép truy cập vào tất cả các topic trong hệ thống Chi tiết về các topic này sẽ được trình bày cụ thể hơn trong mục 3.2.3, liên quan đến cài đặt phân quyền truy cập topic trên MQTT Broker.
Khi server Mosquitto hoạt động, nó sẽ tự động tải tập tin cấu hình có tên là mosquitto.conf từ thư mục etc/mosquitto/ Tập tin mosquitto.conf chứa các thiết lập cần thiết cho việc cấu hình server.
Bài viết này cung cấp các tham số và cài đặt cần thiết để MQTT Broker hoạt động hiệu quả theo yêu cầu của quản trị viên hệ thống Đối với hệ thống tủ lưu trữ tài liệu thông minh, tôi đã xác định rõ các yêu cầu cần thiết cho MQTT Broker.
- Cấu hình không cho phép tài khoản chưa xác định đăng nhập và truy cập các topic trong hệ thống
- Tự động lưu trữ quá trình vận hành trao đổi thông tin giữa các client vào tập tin log
- Xác định các quyền subscribe và publish cho mỗi tài khoản người sử dụng
- Xác định tài khoản, mật khẩu người sử dụng
Xác định khoảng thời gian tối đa mà client không kết nối với server MQTT Broker Nếu client không có tín hiệu kết nối trong thời gian này, phiên làm việc sẽ tự động bị xoá bỏ.
Từ những yêu cầu trên tôi tiến hành cấu hình cài đặt server MQTT Tập tin cấu hình được tôi trình bày trong phần phụ lục
3.2.3 Cài đặt phân quyền truy cập topic trên MQTT Broker
Dựa vào mục 3.2.1, bảng chi tiết các chủ đề trong hệ thống tủ lưu trữ thông minh được trình bày như sau: Quyền admin có thể truy cập vào chủ đề gốc, đó là THS Sau chủ đề gốc, tôi đã phân chia thành các hệ thống nhỏ hơn, như đã được trình bày ở mục 1.4.2.
Các quyền truy cập vào hệ thống được phân loại theo từng topic, bao gồm THS/SYS1 cho hệ thống 1, THS/SYS2 cho hệ thống 2, và tiếp tục như vậy với THS/SYS3 đến THS/SYSn cho các hệ thống tiếp theo Ngoài ra, tôi cũng đã phân cấp chi tiết cho các topic trong tủ master và slave, cùng với quyền truy cập tài liệu trong hệ thống, được đặt tên theo các topic tương ứng.
Chúng tôi xây dựng tủ master với ba chủ đề chính để trao đổi dữ liệu: điều khiển và vận hành hệ thống, cài đặt các tham số vận hành trên tủ master, và theo dõi các thông số hoạt động.
40 trạng thái và các cảm biến trên tủ master Từ đó ta xây dựng, cấu hình topic tủ master như bảng Bảng 3.1, Bảng 3.2, Bảng 3.3
Bảng 3.1 Topic điều khiển tủ master trên hệ thống
Topic điều khiển tủ master bắt đầu sẽ có tên là: THS/SYS1/0/C
Tiếp sau đó là đối tượng cần điều khiển: THS/SYS1/0/C/(“Đối tượng”) Đối tượng Message Chú thích
AN Trạng thái có thể hoạt động (báo an toàn)
OF Dừng khẩn cấp hệ thống
TT Thông gió hệ thống
CL Đóng toàn bộ dãy tủ bên trái
CR Đóng toàn bộ dãy tủ bên phải
CA Đóng toàn bộ hệ thống tủ bao gồm cả tủ bên trái và bên phải
Bảng 3.2 Topic cài đặt, cấu hình tủ master trên hệ thống
Topic cấu hình, cài đặt tủ master bắt đầu sẽ có tên là: THS/SYS1/0/S
Tiếp sau đó là đối tượng cần cài đặt: THS/SYS1/0/S/(“Đối tượng”) Đối tượng Message Chú thích
“T”: Nhiệt độ hoạt động đối đa Tmax (°C)
Nhiệt độ hoạt động đối đa của hệ thống
Ví dụ: Tmax = 45,5°C ứng với nhiệt độ cho phép hoạt động tối đa là 45,5°C
“t”: Nhiệt độ hoạt động tối thiểu Tmin (°C)
Nhiệt độ hoạt động đối thiểu của hệ thống
“H”: Độ ẩm hoạt động tối đa Hmax (%) Độ ẩm hoạt động đối đa của hệ thống
“h”: Độ ẩm hoạt động tối thiểu Hmin (%) Độ ẩm hoạt động tối thiểu của hệ thống
“s”: Bật tắt cảm biến nhiệt độ, độ ẩm trong tủ
ON: Bật cảm biến OF: Tắt cảm biến (OFF)
“S”: Bật tắt cảm biến ON ON: Bật cảm biến
41 nhiệt độ, độ ẩm ngoài tủ
OF OF: Tắt cảm biến (OFF)
“D”: Khoảng cách mở tủ của hệ thống
“V”: Khoảng cách thông gió của hệ thống
“d”: Khoảng cách giảm tốc khi di chuyển tủ
“L”: Số lượng tủ bên trái tủ master Số lượng
“R”: Số lượng tủ bên phải tủ slave Số lượng
Bảng 3.3 Topic xác định trạng thái tủ master
Topic xác định trạng thái tủ master bắt đầu sẽ có tên là: THS/SYS1/0/R
Tiếp sau đó là đối tượng cần xác định: THS/SYS1/0/R/(“Đối tượng”) Đối tượng Message Chú thích
“p”: Cảm biến cháy trong tủ
ON: Có cháy trong tủ OF: Không phát hiện cháy trong tủ
“P”: Cảm biến cháy ngoài tủ
ON: Có cháy ngoài tủ OF: Không phát hiện cháy ngoài tủ
“T”: Nhiệt độ ngoài tủ Tem
Tem: Nhiệt độ (°C) OF: Trạng thái tắt cảm biến
“t”: Nhiệt độ trong tủ Tem
Tem: Nhiệt độ (°C) OF: Trạng thái tắt cảm biến
“H”: Độ ẩm ngoài tủ Hum
Hum: Độ ẩm ngoài tủ (%) OF: Trạng thái tắt cảm biến
“h”: Độ ẩm trong tủ Hum
Hum: Độ ẩm ngoài tủ (%) OF: Trạng thái tắt cảm biến
“W”: Cảnh báo tại tủ master
00: Không có cảnh báo 01: Ngoài dải nhiệt độ hoạt động
02 02: Ngoài dải độ ẩm hoạt động
“S”: Trạng thái hoạt động của hệ thống
00: Sẵn sàng hoạt động (có thể gửi lệnh điều khiển)
01: Trạng thái đang hoạt động (đang di chuyển)
Tương tự như tủ master, chúng ta cần xác định các chủ đề trao đổi dữ liệu cho tủ slave, bao gồm điều khiển vận hành, cài đặt tham số và giám sát thông số Các bảng 3.4, 3.5, và 3.6 cung cấp thông tin chi tiết về các topic điều khiển và giám sát hệ thống tại tủ slave.
Bảng 3.4 Topic điều khiển tủ slave trên hệ thống
Topic điều khiển tủ slave bắt đầu sẽ có tên là: THS/SYS1/[Tủ slave]/C
Tiếp sau đó là đối tượng cần điều khiển: THS/SYS1/[Tủ slave]/C/(“Đối tượng”) Đối tượng Message Chú thích
“S”: Điều khiển di chuyển tủ slave
OP: Điều khiển tủ ra xa tủ master CL: Điều khiển tủ lại gần tủ master
“L”: Điều khiển đèn tủ slave
ON: Bật đèn tại tủ slave OF: Tắt đèn tại tủ slave
Bảng 3.5 Topic cấu hình, cài đặt tủ slave
Topic cấu hình, cài đặt tủ slave bắt đầu sẽ có tên là: THS/SYS1/[Tủ slave]/S
Tiếp sau đó là đối tượng cần cài đặt: THS/SYS1/[Tủ slave]/S/(“Đối tượng”) Đối tượng Message Chú thích
“T”: Nhiệt độ hoạt động tối đa Tmax (°C)
Tmax: Nhiệt độ hoạt động tối đa của tủ slave
“t”: Nhiệt độ hoạt động tối thiểu
Tmin (°C) Tmin: Nhiệt độ hoạt động tối thiểu của tủ slave
“H”: Độ ẩm hoạt động tối đa
Hmax (%) Hmax: Độ ẩm hoạt động tối đa của tủ slave
“h”: Độ ẩm hoạt động Hmin (%) Hmin: Độ ẩm hoạt động tối thiểu của tủ
“s”: Bật tắt cảm biến nhiệt độ, độ ẩm trong tủ
ON: Bật cảm biến OF: Tắt cảm biến (OFF)
“P”: Bật tắt cảm biến đếm người
ON: Bật cảm biến OF: Tắt cảm biến (OFF)
“O”: Cài đặt lực chống kẹt của tủ slave
0 -> 10 Lực chống kẹt của động cơ khi di chuyển (có giá trị từ 0-10)
Bảng 3.6 Topic xác định trạng thái tủ slave
Topic xác định trạng thái tủ slave bắt đầu sẽ có tên là: THS/SYS1/[Tủ slave]/R
Tiếp sau đó là đối tượng cần xác định: THS/SYS1/[Tủ slave]/R/(“Đối tượng”) Đối tượng Message Chú thích
“L”: Đèn của tủ slave ON
ON: Đèn đang bật OF: Đèn đang tắt
“p”: Cảm biến cháy trong tủ
ON: Có cháy ngoài tủ OF: Không phát hiện cháy ngoài tủ
“I”: Cảm biến hồng ngoại dọc
ON: Có vật cản OF: Không có vật cản
“t”: Nhiệt độ trong giá Tem
Tem: Nhiệt độ trong tủ slave
OF: Trạng thái tắt cảm biến
“h”: Độ ẩm trong giá Hum
Hum: Độ ẩm ngoài tủ (%) OF: Trạng thái tắt cảm biến
“S”: Trạng thái của tủ slave
OP: Trạng thái xa tủ master CL: Trạng thái gần tủ master TT: Trạng thái thông gió
“D”: Khoảng cách tủ so với vị trí tủ liền kề
“W”: Cảnh báo tại tủ slave
00: Không có cảnh báo 01: Quá dải nhiệt độ hoạt động
02: Quá dải độ ẩm hoạt động 03: Có người vào tủ
“C”: Số người trong tủ Số người
- Topic điều khiển tủ Slave: THS/SYS1/[Tủ slave]/C/“Đối tượng”
- Topic cài đặt cấu hình tủ Slave: THS/SYS/[Tủ slave]/S/“Đối tượng”
- Topic xác định trạng thái tủ slave: THS/SYS/[Tủ slave]/R/“Đối tượng”
- Trong đó tủ slave có thế là tủ slave 1, tủ slave 2, tủ slave 3,…
- Có nhiều tủ slave trong hệ thống vì vậy tôi quy ước “1” ứng với tủ slave
1, tương tự 2 ứng với tủ slave 2,… Ví dụ: THS/SYS1/1/C ứng với quyền điều khiển tủ slave 1
Với tài liệu trong hệ thống: THS/SYS1DOC ứng với quản lý topic tài liệu trong hệ thống 1
Dựa trên các bảng topic xác định quyền đã được trình bày trước đó, chúng ta sẽ cấu hình quyền truy cập topic cho các tài khoản trong file danh sách điều khiển truy cập.
Quyền tài khoản admin: người dùng có đầy đủ chức năng trong hệ thống
Vì vậy admin có quyền điều khiển, giám sát toàn bộ các topic
Quyền cài đặt cấu hình hệ thống cho phép kỹ thuật viên thiết lập các thông số vận hành, tuy nhiên họ không có quyền truy cập hoặc tìm kiếm tài liệu trong hệ thống.
Quyền thủ thư cho phép người dùng điều khiển hệ thống và tìm kiếm tài liệu, nhưng không được phép cài đặt các thông số trên hệ thống.
T ổng kết chương 3
Chương 3 đã trình bày cách cấu hình server MQTT sử dụng thư viện mã nguồn mở Mosquitto và xây dựng các topic để điều khiển và giám sát hệ thống kho lưu trữ thông minh.
Sau khi hoàn thành việc xây dựng server MQTT, bước tiếp theo là phát triển thuật toán trên hệ điều hành LINUX, sử dụng giao thức MQTT để thực hiện việc trao đổi dữ liệu hiệu quả.
