Khai Thác Packet Tracer trong Thiết kế mô phỏng ứng dụng IoT

Khai Thác Packet Tracer trong Thiết kế mô phỏng ứng dụng IoT

Phan Hoài Hội – TT CLML & ĐMCN
Phan Mạnh Hùng – TT CLML & ĐMCN
Nguyễn Tiến Hải - TT CLML&ĐMCN
Phạm Minh Tân - TT CLML&ĐMCN

Tổng quan Packet Tracer

Packet Tracer là một công cụ mô phỏng mạng trực quan đa nền tảng được thiết kế bởi Cisco Systems, Inc có thể chạy trên cả Linux, Windows, MacOS. Phần mềm mô phỏng cung cấp giao diện người dùng đồ họa và các đối tượng trực quan để người dùng thiết kế, xây dựng, cấu hình và kiểm tra mạng máy tính với các đối tượng bổ trợ, chẳng hạn như thiết bị chuyển mạch, bộ định tuyến, máy chủ và các phương tiện kết nối khác nhau bao gồm cả kết nối không dây. Packet Tracer có giao diện người dùng dễ sử dụng kèm kéo thả các thiết bị vào mô hình, cho phép người dùng thêm, xoá các mạng mô phỏng phù hợp theo mục đích thiết kế.
Kể từ phiên bản 7.0, Packet Tracer hỗ trợ thêm trình giả lập mô phỏng các thiết bị trong hệ thống IoT. Nó cho phép người sử dụng tạo và thiết kế các đối tượng trong các hệ thống IoT như hệ thống nông nghiệp thông minh, nhà thông minh với các thiết bị gia dụng được kết nối với nhau. Nó cung cấp trải nghiệm thực hành tương tác và trực quan hiệu quả, tiết kiệm chi phí cho quá trình nghiên cứu về các hệ thống IoT.
Trong Cisco Packet Tracer, việc hỗ trợ mô phỏng cả các bộ vi điều khiển (thiết bị Arduino hoặc Raspberry Pi) là điều rất cần thiết khi thiết kế mô phỏng một hệ thống IoT. Người dùng có thể tự lập trình một phần mềm tùy chỉnh theo cá nhân, trong đó các thuật toán chính như lấy dữ liệu đầu vào từ các cảm biến và dữ liệu đầu ra cho màn hình hiển thị hay các thiết bị vận hành khác.

Để nâng cao tính sáng tạo của người dùng và mở rộng phạm vi của các thiết bị, phần mềm Packet Tracer hỗ trợ tạo thiết bị IoT mới, cho phép người dùng tự xây dựng và cấu hình các thuộc tính nâng cao và thêm thiết bị mới vào hệ thống IoT. Sử dụng kiến thức, kỹ thuật và sự sáng tạo để tạo và cấu hình một thiết bị mới cho mạng IoT ở cấp độ nâng cao. Ví dụ bên dưới là người dùng có thể tạo mới thiết bị trợ lý ảo bằng giọng nói.

Một tính năng rất quan trọng khác của Cisco Packet Tracer được đề cập là khả năng chuyển từ chế độ thời gian thực sang chế độ mô phỏng. Chế độ thời gian thực (Realtime) cho phép người dùng có khả năng thiết lập một hệ thống mạng, kết nối các thiết bị IoT và cấu hình hệ thống. Tuy nhiên, chỉ trong chế độ mô phỏng (Simulation Pane), chúng ta mới thực sự có thể xác nhận rằng quá trình truyền thông trong hệ thống mạng đang được tiến hành như thế nào giữa các thiết bị. Trong chế độ mô phỏng, chúng ta có thể phân tích được lưu lượng gói giữa các nút và thiết bị để kiểm tra kết nối, giao thức định tuyến và logic mạng khác. Chế độ này giúp trực quan hóa và khắc phục bất kỳ một sự cố nào xảy ra trong mạng, ví dụ như thiết lập gói ping, hoặc truyền các gói tin phức tạp giữa các nút. Chế độ mô phỏng cũng liệt kê trong thời gian thực các bản tin truyền thông khác nhau được phát trong mạng, cho phép phân tích về tải trọng quá trình hoạt động của chúng.

Ứng dụng Packet Tracer để mô phỏng hệ thống IoT

Những năm gần đây, thời tiết Việt Nam ngày càng bất thường hơn. Tình trạng hạn hán, ngập lụt, mưa gió, tuyết rơi, giông tố, bão lũ đang diễn biến phức tạp và ngày càng mạnh lên. Việc này ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp đang chiếm GDP chính của nước ta. Đặc biệt là nước ta hiện nay đang được đánh giá là một trong những quốc gia bị ảnh hưởng nặng nề của biến đổi khí hậu. Hoạt động sản xuất nông nghiệp nước ta phụ thuộc lớn vào các yếu tố tự nhiên như: đất đai, chế độ thủy văn, nguồn nước, khí hậu, nhiệt độ, độ ẩm… nên ngành nông nghiệp sẽ là ngành bị ảnh hưởng trực tiếp nặng nề nhất của biến đổi khí hậu.
Việc ứng dụng các công nghệ điều khiển vào trong sản xuất là rất nhiều và cần thiết trong các ngành nghề kể cả trong nông nghiệp. Trong nông nghiệp, nhờ ứng dụng các công nghệ điều khiển hiện đại mà năng suất và chất lượng cây trồng tăng lên đáng kể. Với công nghệ trồng rau trong nhà màng có sự hỗ trợ của các thiết bị điều khiển đã cho những kết quả ngoài mong đợi như năng suất cao, chất lượng tốt, sạch, an toàn mà còn có thể trồng những loại cây mà từ trước không phải là truyền thống của vùng miền.
Phần mềm mô phỏng Cisco Packet Tracer hiện tại đã và đang được rất nhiều nhà phát triển lựa chọn là công cụ để mô phỏng các hệ thống IoT. Ngoài phạm vi nhà màng thông minh nó có thể mô phỏng thiết kế cho nhiều mô hình toàn diện như nhà thông minh, chăm sóc sức khỏe thông minh, khuôn viên thông minh và văn phòng thông minh.

Mô phỏng nhà màng thông minh bằng Packet Tracer
2.1 Mô phỏng mô hình nông nghiệp thông minh thích ứng biến đổi khí hậu
Sử dụng Cisco Packet Tracer để mô phỏng mô hình hệ thống nông nghiệp thông minh ứng dụng công nghệ IoT với chức năng giám sát môi trường, điều khiển môi trường phù hợp cho từng loại cây trồng phát triển tốt.
Hệ thống được xây dựng bao gồm các thành phần sau:

2.1.1 Hệ thống cảm biến thu thập môi trường của nhà màng

Các cảm biến có nhiệm vụ thu thập thông tin vật lý từ môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,…
Các sensor box: Đọc dữ liệu từ các loại cảm biến và truyền dữ liệu ghi nhận từ cảm biến về Gateway

2.1.2 Hệ thống điều khiển môi trường
Điều khiển gián tiếp các cơ cấu chấp hành thông qua hệ thống relay (PLC) nhằm thực hiện tự động các nghiệp vụ trực tiếp, thay thế sức lao động của con người: bật/tắt quạt thông gió, bật tắt máy bơm, đóng/ mở van điện từ trong hệ thống tưới; đóng/mở lưới cắt nắng;…đồng thời cập nhật trạng thái của cơ cấu chấp hành về IoT gateway.

2.1.3 Hệ thống đảm bảo an ninh khu vực nhà màng

Thiết kế bộ cảnh báo an ninh bao gồm cảm biến chuyển động và camera, chuông cảnh báo khi có xâm nhập bất hợp pháp.
Hệ thống RFID sử dụng trong quá trình mở cửa ra vào khu vực nhà màng
Hệ thống báo cháy khi xảy ra sự có đám cháy và tự động hóa dập lửa.

2.1.4 Hệ thống năng lượng tái tạo
Hệ thống năng lượng tái tạo bao gồm các tấm pin năng lượng mặt trời (Solar Pane), đồng hồ đo năng lượng (Power Meter), hệ thống Battery (Accu) lưu trữ điện

2.2 Kết quả mô phỏng trên phần mềm Cisco Packet Tracer

Trong hệ thống có 4 phân hệ gồm phân hệ thu thập dữ liệu từ các cảm biến, phân hệ điều khiển các thiết bị sau khi có dữ liệu, phân hệ giám sát an ninh ra vào khu vực và hệ thống năng lượng mặt trời. Dữ liệu được gửi về Server Platform qua thức MQTT.
Hệ thống được thiết kế khi nhiệt độ môi trường nhỏ hơn 30 độ thì sẽ tự động bật đèn sưởi, kéo rèm cửa, tắt quạt thông gió. Khi nhiệt độ môi trường lớn hơn 35 độ thì sẽ tắt đèn sưởi, mở rèm, mở quạt thông gió.
Khi độ ẩm dưới 65 hệ thống sẽ bật vòi tưới nước, ngược lại sẽ tắt vòi tưới nước. Cảm biến CO2 cho phép người trồng trọt biết được thông số để điều chỉnh liệu trình canh tưới phù hợp với cây trồng, giảm thiểu tác hại đến môi trường. Khi cường độ ánh sáng < 50.000 lux sẽ bật đèn, ngược lại sẽ tắt đèn.
Muốn ra vào trang trại sẽ dùng thẻ từ để mở cửa, giám sát hình bằng camera khi mở cửa thành công.
Hệ thống sẽ nhận biết có lửa và gửi cảnh báo cháy về thiết bị giám sát cho người dùng, đồng thời sẽ bật hệ thống PCCC (vòi phun, kèn cảnh báo) để giảm thiểu rủi ro.

Kết Luận

Việc ứng dụng Packet Tracer vào thực hành mô phỏng hệ thống IoT đem lại tính hiệu quả, là bước rất cần thiết trước khi bắt tay để đi đến thiết kế hệ thống một cách cụ thể từ đó nâng cao tính toàn diện của hệ thống, rút ra những nhìn nhận, đánh giá chi tiết về hệ thống, hạn chế những rủi ro và những tốn kém không đáng có về chi phí của hệ thống sau này. Đặc biệt, ngoài phạm vi lĩnh vực nông nghiệp thông minh nó có thể phát triển cho nhiều mô hình toàn diện như nhà thông minh, chăm sóc sức khỏe thông minh, khu đô thị thông minh và văn phòng thông minh. Packet Tracer cung cấp trải nghiệm thực hành tương tác và trực quan hiệu quả, tiết kiệm chi phí cho quá trình nghiên cứu về các hệ thống IoT.