C.2.1. “Things” trong IoT? Đặc tính kỹ thuật mà “Things” cần có?
2.1.1. “Things” trong IoT?
Trong ngữ cảnh của IoT, “Things” là một thuật ngữ mô tả phần cứng đã được thiết kế hoặc điều chỉnh cho một mục đích cụ thể. “Things” là một hệ thống nhúng có khả năng truyền và nhận thông tin qua mạng.
Các thiết bị phần cứng hỗ trợ kết nối mạng “Things” là trung tâm của mọi giải pháp IoT. Thiết bị phần cứng này có chức năng thực hiện đo lường và điều khiển các thiết bị công nghiệp, thiết bị gia dụng, thiết bị ứng dụng trong tòa nhà, xe hơi, nhà kho và các thiết bị mang đeo của con người. Nó được sử dụng để chỉ các thành phần phần cứng tích hợp bao gồm cảm biến và thiết bị chấp hành, cũng như các bộ điều khiển dùng vi xử lý – vi điều khiển, PLC, máy tính nhúng. Và hỗ trợ các kết nối mạng từ cục bộ như wifi, bluetooth, lorawan, CAN, ethernet cho đến các mạng toàn cầu như Internet, 3G, 4G và 5G.
Có hai cách mà “Things” có thể gửi dữ liệu lên server như mô tả ở hình 2.1.
Hình 2.1 Minh họa “Things” gửi dữ liệu lên “cloud server”
2.1.2. Đặc tính kỹ thuật mà “Things” cần có
Các thiết bị và nền tảng thiết bị phần cứng IoT hay “Things” liên tục được giới thiệu đến người dùng và các nhà phát triển ứng dụng. Do đó, bạn cần phải hiểu các đặc điểm kỹ thuật quan trọng trong hầu hết các thiết bị IoT để có thể so sánh và đánh giá một thiết bị mới ngay khi chúng được tung ra thị trường. Chúng ta có thể mô tả các đặc tính kỹ thuật quan trọng cần có của “Things” bao gồm các khả năng sau:
-
Thu thập dữ liệu và điều khiển
Thu thập dữ liệu là quá trình lấy mẫu để đo lường các đại lượng vật lý chuyển đổi thành các tín hiệu điện cho quá trình xử lý, phân tích và lữu trữ.
Trong hầu hết các ứng dụng, hệ thu thập dữ liệu (Data Acquisition (DAQ)) được thiết kế không những chỉ để thu thập dữ liệu mà còn cả chức năng điều khiển. Vì vậy khi nói hệ DAQ thường hàm ý cả chức năng điều khiển (Data Acquisition and Control). Các thành phần cơ bản của DAQ bao gồm:
-
Xử lý và lưu trữ dữ liệu
Dữ liệu đang dẫn dắt internet của vạn vật – IoT. Việc thu thập, gởi và xử lý lượng dữ liệu lớn đòi hỏi các hệ thống phải trở nên thông minh hơn, hành động nhanh chóng hơn và đưa ra quyết định sáng suốt hơn.
Các thiết bị IoT yêu cầu khả năng xử lý và lưu trữ dữ liệu để thực hiện xử lý, chuyển đổi và phân tích cơ bản dữ liệu mà chúng thu thập được. Các thiết bị IoT có thể xử lý dữ liệu trực tiếp hoặc chúng có thể truyền dữ liệu này đến các thiết bị khác, thiết bị gateway hoặc các dịch vụ điện toán đám mây hoặc ứng dụng để tổng hợp và phân tích. Tuy nhiên, việc gởi tất cả dữ liệu đến máy chủ điện toán đám mây để xử lý, lưu trữ có thể làm gia tăng độ trễ do quá trình truyền dẫn. Do đó, Điện toán biên (Edge Computing) đang phát triển để giải quyết vấn đề này. Điện toán biên sẽ di chuyển phần lớn việc xử lý dữ liệu tới gần các bộ xử lý của IoT hơn.
Điện toán biên là một mạng lưới các trung tâm xử lý và lưu trữ dữ liệu cục bộ trước khi nó được gởi đến Trung tâm dữ liệu hoặc đưa lên các Đám mây. Nó tối ưu hóa các hệ thống truyền dẫn để tránh gián đoạn hoặc làm chậm việc gửi và nhận dữ liệu. Mọi thứ được tính toán để xử lý ngay tại các biên (Edge) của hệ thống mạng.
Dữ liệu có thể được phân tích thời gian thực trên chính thiết bị “IoT node” hoặc trên thiết bị “IoT gateway” nơi mà các thiết bị IoT được kết nối ngay lập tức, thay vì các thiết bị truyền khối lượng lớn dữ liệu ngược lên máy chủ đám mây hoặc trung tâm dữ liệu để phân tích thêm. Xử lý dữ liệu ở điện toán biên cung cấp một cơ hội để tổng hợp và lọc dữ liệu ngay khi nó được thu thập, chỉ với dữ liệu quan trọng nhất được chọn để gửi lên máy chủ trung tâm. Cuối cùng, điện toán biên làm giảm các yêu cầu lưu trữ và xử lý dữ liệu cũng như giảm tải cho mạng.
Sức mạnh xử lý và lưu trữ được sử dụng trong một ứng dụng IoT sẽ phụ thuộc vào mức độ xử lý dữ liệu xảy ra trên chính thiết bị IoT. Dung lượng bộ nhớ khả dụng và thông số kỹ thuật của bộ xử lý, bao gồm tốc độ xung nhịp và số lõi sẽ xác định tốc độ mà dữ liệu có thể được xử lý. Dung lượng của bộ nhớ flash được sử dụng để duy trì dữ liệu cho đến khi có thể truyền lên máy chủ điện toán sẽ xác định lượng dữ liệu có thể được lưu trữ trên thiết bị. Các thiết bị thực hiện điện toán biên sẽ yêu cầu nhiều khả năng xử lý hơn so với các thiết bị chỉ thực hiện xử lý dữ liệu cơ bản như đánh giá, chuẩn hóa, chia tỷ lệ hoặc chuyển đổi dữ liệu.
-
Kết nối qua mạng
Khả năng kết nối mạng là một trong những đặc điểm cần phải có của bất kỳ thiết bị IoT nào. Các thiết bị có thể giao tiếp với các thiết bị cục bộ khác và truyền dữ liệu lên các dịch vụ và ứng dụng trên đám mây.
Một số thiết bị giao tiếp không dây bằng cách sử dụng các công nghệ 802.11 (wifi), Bluetooth, RFID, mạng di động hoặc mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) như LoRa, SigFox hoặc NB-IoT.
Giao tiếp có dây phù hợp với các thiết bị tĩnh, được cài đặt trong các tòa nhà thông minh, tự động hóa gia đình và các ứng dụng điều khiển công nghiệp, nơi chúng có thể được kết nối với Ethernet. Giao tiếp nối tiếp cũng là một hình thức kết nối có dây giữa các thiết bị, sử dụng các giao thức tiêu chuẩn như UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) hoặc CAN (Controller Area Network).
-
Năng lượng tiêu thụ
Quản lý năng lượng tiêu thụ là vấn đề đặc biệt cần quan tâm đối với các thiết bị IoT. Bạn phải biết được thiết bị hoạt động dựa vào nguồn năng lương từ đâu? Ví dụ, một thiết bị IoT chẩn đoán huyết áp người giả thì phải được mang/đeo trực tiếp trên con người, vậy nguồn năng lượng cấp cho thiết bị này lấy từ đâu, từ nguồn Pin, sạc không dây hay là năng lượng mặt trời.
Hơn nữa, tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng và yêu cầu năng lượng của các cảm biến, bộ truyền động hoặc IC tích hợp kèm theo để cung cấp khả năng thu thập và kiểm soát dữ liệu, lưu trữ, xử lý và kết nối mạng, thiết bị có thể cần được đưa vào chế độ ngủ hoặc ở mức thấp chế độ năng lượng định kỳ để tiết kiệm năng lượng hoặc kéo dài tuổi thọ pin. Ví dụ, một máy tính một bo mạch như Raspberry Pi 3 cần khoảng 700 – 1000mA dòng điện để hoạt động theo cách sử dụng thông thường. Nếu bạn truyền dữ liệu liên tục qua mạng wifi hoặc nếu bạn đặt thiết bị dưới tải nặng bằng cách thực hiện nhiều xử lý dữ liệu trên thiết bị, việc sử dụng năng lượng sẽ ở mức cao hơn của thang đo đó và sẽ giảm xuống bất cứ khi nào thiết bị đã nhàn rỗi. Nếu bạn kết nối một mô-đun máy ảnh, yêu cầu hiện tại tăng khoảng 250mA bất cứ khi nào máy ảnh được sử dụng. Các cảm biến thường yêu cầu nguồn điện để hoạt động và các chân GPIO trên Raspberry Pi cung cấp 3,3V hoặc 5V, lên đến tổng dòng 50mA trên tất cả các chân, do đó, mức tiêu thụ điện của toàn bộ thiết bị cũng tăng khi bạn tăng số lượng các thành phần được gắn vào các chân I/O của thiết bị.
2.1.3. Các thành phần cơ bản “Things”
“Thing” thu thập dữ liệu từ các cảm biến thông qua các mô đun số DI – digital input hoặc ADC – tương tự, hay thông qua các chuẩn mạng nối tiếp như I2C, UART hay mạng song song như SPI và xuất tín hiệu điều khiển các phần tử chấp hành qua mô đun DO- digital output, PWM hoặc mạng nối tiếp/song song. Và sau đó, “Thing” được kết nối với “IoT gateway” để trao đổi dữ liệu qua các mạng truyền thông cục bộ có dây hoặc không dây thông dụng. Trong một số ứng dụng, “Thing” sẽ kết nối trực tiếp đến trung tâm dữ liệu đám mây mà không cần qua các trạm “IoT gateway” trung gian. Cấu trúc “Things” bao gồm các thành phần chính được minh họa như sau:
Kiến trúc “Things” phải bao gồm 4 thành phần:
- Khối điều khiển trung tâm – controller: là các bộ vi xử lý, vi điều khiển, máy tính nhúng làm nhiệm vụ thu thập, xử lý dữ liệu cục bộ và thực hiện các tác vụ khác, đây được xem là bộ não của Things.
- Khối cảm biến – sensor: thu thập dữ liệu từ các cảm biến khác nhau thông qua các chân Digital Input, chân ADC, kết nối mạng I2C, SPI, … của khối vi điều khiển.
- Khối chấp hành – actuator: điều khiển các thiết bị chấp hành thông qua chân Digital output, chân DAC, các chân PWM, kết nối mạng SPI, UART, … của vi điều khiển.
- Khối giao tiếp mạng – communicator: giúp Things có thể kết nối mạng với các ngoại vi khác, Things khác, hoặc kết nối với các thiết bị liên kết mạng, hoặc kết nối với cloud server.
- Khối nguồn – power: cung cấp nguồn cho toàn bộ hoạt động của Things.
Design by Dr.S