Các yếu tố căn bản của Internet of Things

Với sự thay đổi mang tính quy mô từ các ứng dụng Internet sang các thiết bị vật lí thông minh, chúng ta sẽ sớm thấy rõ sự thay đổi về số lượng của các thiết bị thông minh có thể kết nối. Trong vòng 5 năm tới, ước tính sẽ có tổng cộng 50 tỉ thiết bị có thể kết nối Internet; hơn thế nữa, phần lớn các thiết bị này sẽ là các thiết bị vật lí thông thường. PC, laptop và các thiết bị vốn đang chiếm đa số trên Internet hiện nay sẽ nhanh chóng bị áp đảo bởi các thiết bị vật lí này. Có khá nhiều điều kiện tiên quyết đối với các thiết bị IoT và có thể chia các điều kiện này theo ba nhóm: mức độ thông minh, cảm biến và sự giao tiếp.

IoT sẽ tạo ra một thị trường có giá trị 14 nghìn tỉ USD, nghĩa là độ phủ sóng của công nghệ này là không thể đong đếm. Sau khi hiểu được định nghĩa về IoT, bạn nên nắm vững các kiến thức căn bản về kiến trúc IoT – là điều quan trọng giúp bạn bắt đầu tạo các ứng dụng và thiết bị.

Không có một giới hạn nào đối với việc ứng dụng các điều kiện tiên quyết của IoT. Chăm sóc sức khỏe, an toàn cá nhân, nhà thông minh, công nghiệp tự động hóa, điều tiết giao thông và giám sát môi trường, tất cả đều có thể hoạt động hiệu quả hơn nhờ IoT.

Mức độ thông minh và Cảm biến

Mạng lưới không dây trở thành yếu tố vô cùng quan trọng cho sự thành công của hệ thông cơ sở hạ tầng IoT. Các cảm biến có thể giao tiếp với nhau mà không cần thông qua hệ thống dây dẫn, giúp chúng hoạt động độc lập cũng như tăng khả năng sử dụng của miền. Khả năng của các cảm biến IoT không chỉ dừng lại ở việc tăng hiệu quả công việc mà còn chỉ ra mức sử dụng năng lượng của mỗi thiết bị. Các thiết bị thông minh có thể dựa vào đó để đưa thiết bị về trạng thái nghỉ ngơi trong phần lớn thời gian hoạt động. Các thiết bị sẽ chỉ được kích hoạt khi cần đọc hoặc gửi dữ liệu hay khi đưa ra quyết định nào đó. Nói theo cách khác, 90% thời gian các cảm biến sẽ không cần năng lượng để xem lại dữ liệu hoặc chạy các chức năng vốn tốn nhiều năng lượng. Điều này yêu cầu các phần cứng thông minh phải có chế độ chờ tiêu tốn vô cùng ít năng lượng. Nhiều công ty đã sẵn sàng sản xuất các vi điều khiển có những yêu cầu như trên.

 Một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng tới hiệu quả sử dụng năng lượng của các thiết bị IoT là thiết kế của chúng. Trong khi các vi điều khiển giá thấp với lõi 32bit có lợi thế cạnh tranh về giá so với các phần mềm nguồn mở, chúng thực tế vẫn có mức tiêu thụ năng lượng cao. Atmel, Texas Instruments, Freescale và STMicroelectronics đang đưa ra thị trường các mẫu vi điều khiển giúp tạo nên các ứng dụng vô cùng nhanh chóng. Tuy nhiên nền tảng AVR 8-bit của Atmel cho ta thấy được phạm vi nhất định của việc cải thiện các thiết kế hiện nay.

Giao tiếp thông minh

Để giảm được mức tiêu thụ năng lượng của các thiết bị IoT, việc thay đổi mỗi phần cứng là không đủ. Các giao thức giao tiếp thông minh như ZigBee giúp việc trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị tiếu tốn ít năng lượng hơn.

ZigBee

Là một kĩ thuật về việc giảm mức tiêu thụ năng lượng dựa theo tiêu chuẩn IEE 802.15.4 (2003), ZigBee là đứa con tinh thần của 16 doanh nghiệp tự động hóa khác nhau. Điều khiến ZigBee trở nên khác biệt là việc sử dụng liên kết mạng vòng giúp tăng hiệu quả cho quá trình sử dụng và giao tiếp với các tài nguyên. Dựa vào IoT node, ZigBee có thể kết nối với trung tâm điều khiển thông qua nút trung gian để truyền dữ liệu. Việc truyền tải và xử lí dữ liệu qua đó trở nên mạnh mẽ và nhanh chóng hơn.

Bluetooth Năng lượng thấp (BLE)

Nokia ban đầu giới thiệu giao thức này dưới tên Wibree vào năm 2006. Còn được biết đến với tên gọi Bluetooth thông minh, giao thức này cho phép cùng mức độ phủ sóng nhưng với mức năng lượng tiêu thụ được giảm đáng kể so với Bluetooth thông thường. BLE có cùng băng thông với không gian hẹp được áp dụng với ZigBee. Độ trễ ở mức năng lượng thấp và mức độ phân bố thấp giúp BLE phù hợp để kết nối với các vi điều khiển giá rẻ.

BLE cũng được áp dụng trong một số thiết bị chăm sóc sức khỏe. Các thiết bị theo dõi sức khỏe đang trở nên thịnh hành và cảm biến trong các thiết bị này có thể dễ dàng kết nối với một điện thoại thông minh hoặc bất cứ thiết bị y tế nào thường xuyên sử dụng giao thức BLE.

Wi-Fi

Được xem như công nghệ truyền dẫn không dây hoàn thiện nhất từ trước đến nay, Wi-Fi là công nghệ truyền tải đang chiếm ưu thế trong việc áp dụng cho các ứng dụng IoT. Các giao thức có sẵn như WPS giúp các thiết bị IoT dễ dàng hòa nhập vào mạng lưới hiện nay. Nếu đề cập đến việc truyền tải thì Wi-Fi có thể cung cấp phương thức hiệu quả nhất tính theo năng lượng tiêu hao trên mỗi bit. Tuy vậy, lượng năng lượng tiêu thụ khi thiết bị không hoạt động vẫn còn cao khi so sánh với các thiết kế Wi-Fi thông thường. Giải pháp được đưa ra bởi các giao thức như BLE hay ZigBee cho phép cắt giảm việc sử dụng năng lượng bởi các cảm biến khi thiết bị không hoạt động.

Giải pháp lí tưởng nhất là kết hợp hai công nghệ lại để có có thể sử dụng năng lượng một cách tối ưu. GainSpan’s GS2000 là một công nghệ như vậy khi sử dụng cả ZigBee và Wi-Fi, giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng bằng cách đưa thiết bị về chế độ tiết kiệm năng lượng mỗi khi không truyền tải dữ liệu. Chỉ khi thiết bị hoạt động lại hoặc để kiểm tra có mất kết nối hay không, kết nối Wi-Fi mới được sử dụng ở mức năng lượng cao. BLE và Wi-Fi có thể được sử dụng đồng thời mà không bị can thiệp, miễn là chúng tuân thủ theo các giao thức có sẵn. Bluegiga APx4 là một giải pháp phù hợp khi hỗ trợ cho cả BLE và Wi-Fi và dựa theo quy trình 450MHz ARM9.

Áp dụng quan trọng nhất của Wi-Fi là đối với các ứng dụng cần tuân thủ theo IP stack và có sự truyền tải dữ liệu cao, chẳng hạn với các ứng dụng chia sẻ audio, video hay các thiết bị điều khiển từ xa.

Khi các tiêu chuẩn tiên quyết của IoT đang dần tăng lên, các doanh nghiệp đang phải nỗ lực để đưa ra được các giải pháp tích hợp. Nhưng ngay ở hiện tại, đã có sẵn nhiều giải pháp phù hợp để tạo ra các ứng dụng theo ba điều kiện của IoT. Một số nhà cung cấp như Atmel, STMicroelectronics, Texas Instruments, CSR và Freescale đã đưa ra thị trường các vi điều khiển tích hợp cũng như hỗ trợ chipset trong việc tạo ra các ứng dụng một cách dễ dàng hơn, dựa trên các giao thức sẵn có như ZigBee, BLE hay Wi-Fi.

( Theo Internetofthingswiki)

Người biên dịch: Bùi Duy Anh