TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS 1.1. MỞ ĐẦU CHƢƠNG
Chương này sẽ đề cậ p một cách tổng quan nhất về Internet of Things (IoT) các khái ni ệm, thuộc tính, cơ sở k k ỹ thuật và các ứng dụng của IoT trong cuộc sống hiện đại ngày nay. 1.2. KHÁI NIỆM IoT
Internet of Things (IoT) là thuật ng ữ dùng để ch ỉ các đối tượ ng ng có thể đượ c nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính k ết nối. Đây là một vi ễn c ảnh trong đó mọ i v ật, mọi con vật ho ặc con người đượ c cung cấ p các
định danh và kh ả năng tự động truyền tải dữ liệu qua một mạng lướ i mà không c ần sự tương tác giữa con ngườ i-v i-vớ ii-con ngườ i ho ặc con ngườ i-v i-vớ i-máy i-máy tính. IoT ti ến hoá từ s ự h ội t ụ c ủa các công ngh ệ không dây, h ệ th ống vi cơ điện t ử (MEMS) và Internet. Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999. Ông là mộ t nhà khoa học đã sáng lậ p ra Trung tâm Auto-ID ở đạ ở đại học MIT [7].
Hình 1.1.“Internet of Things”
"Thing" - sự vật - trong Internet of Things, có th ể là một trang tr ại động vật
vớ i bộ tiế p sóng chip sinh học, một chiếc xe ô tô tích h ợ p các cảm biến để cảnh báo lái xe khi l ố p quá non, ho ặc bất k ỳ đồ v ật nào do t ự nhiên sinh ra ho ặc do con
ngườ i sản xuất ra mà có thể đượ c gán vớ i một địa chỉ IP và đượ c cung cấ p khả năng truyền tải dữ liệu qua mạng lướ i. IoT phải có 2 thu ộc tính: một là đó phải là một ứng d ụng internet. Hai là, nó phải lấy đượ c thông tin c ủa vật chủ.
Hình 1.2. S ự gia tăng nhanh chóng của giao tiế p máy – máy.
Một ví dụ điển hình cho IoT là t ủ l ạnh thông minh, nó có th ể là m ột chiếc t ủ lạnh bình thường nhưng có gắ n thêm các c ảm biến bên trong giúp ki ểm tra đượ c số
lượ ng các loại th ực phẩm có trong tủ lạnh, cảm bi ến nhiệt độ, c ảm bi ến phát hiện mở cửa,…và các thông tin này được đưa lên internet. Vớ i một danh mục thực phẩm đượ c thiết lậ p trướ c bởi ngườ i dùng, khi mà m ột trong các lo ại thực phẩm đó sắ p h ết thì nó s ẽ thông báo ngay cho ch ủ nhân nó bi ết r ằng cần ph ải b ổ sung gấ p, thậm chí nếu các loại sản phẩm đượ c gắn mã ID thì nó s ẽ tự động tr ực tiế p gửi thông báo c ần nhập hàng đến siêu th ị và nhân viên siêu th ị sẽ gửi loại thực phẩm
đó đến tận nhà.
Hình 1.1. Ứ ng d ụng t ủ l ạnh trong IoT 1.3. CƠ SỞ KỸ THUẬT CỦ A IoT 1.3.1. Giao thức chính
Trong IoT, các thiết bị phải giao ti ế p đượ c vớ i nhau (D2D). Dữ liệu sau đó phải đượ c thu thậ p và gửi t ớ i máy chủ (D2S). Máy chủ cũng có để chia sẻ d ữ liệu vớ i nhau(S2S), có thể cung cấ p l ại cho các thi ết b ị, để phân tích các chương trình, hoặc cho ngườ i dùng. Các giao th ức có thể dùng trong IoT là: - MQTT: một giao th ức cho việc thu thậ p dữ liệu và giao ti ế p cho các máy chủ (D2S) - XMPP: giao thức t ốt nh ất để k ết n ối các thi ết b ị v ớ i mọi ngườ i, m ột trườ ng hợp đặc biệt của mô hình D2S, k ể từ khi người đượ c k ết nối vớ i các máy chủ - DDS: giao th ức tốc độ cao cho vi ệc tích hợ p máy thông minh (D2D) - AMQP: hệ thống hàng đợ i đượ c thiết k ế để k ết nối các máy ch ủ vớ i nhau (S2S) * MQTT MQTT(Message Queue Telemetry Transport), m ục tiêu thu th ậ p dữ liệu và giao tiế p D2S. Mục đích là đo đạ c từ xa, hoặc giám sát t ừ xa, thu th ậ p dữ liệu từ
nhiều thiết b ị và vận chuyển d ữ li ệu đó đến máy tr ạm với ít xung đột nh ất. MQTT nhắm đến các mạng l ớ n c ủa các thiết b ị nh ỏ mà cần ph ải đượ c theo dõi ho ặc ki ểm soát từ các đám mây.
Hình 1.2. Ví d ụ về MQTT
MQTT hoạt động đơn giản, cung c ấ p nhiều lựa chọn điều khiển và QoS. MQTT không có yêu c ầu quá khắt khe về thờ i gian, tuy nhiên hi ều quả của nó là r ất lớn, đáp ứng tính th ờ i gian thực với đơn vị tính bằng giây. Các giao th ức hoạt động trên nền tàng TCP, cung c ấp các đáp ứng đơn giản,
đáng tin cậy. * XMPP
XMPP ban đầu đượ c g ọi là "Jabber." Nó đượ c phát tri ển cho các tin nh ắn t ức thời (IM) để k ết n ối mọi ngườ i v ớ i nh ững ngườ i khác thông qua tin nh ắn văn bản. XMPP là viết tắt của Extensible Messaging và Presence Protocol.
Hình 1.3. Ví d ụ XMPP
XMPP sử dụng định dạng văn bản XML, và cũng tương tự như MQTT chạy, XMPP chạy trên nền t ảng TCP, hoặc có thể qua HTTP trên TCP. S ức m ạnh chính của nó là một chương trình
[email protected] trong m ạng Internet khổng lồ. 1.3.2. Năng lực truyền thô ng (Communication Capabilities)
Địa chỉ IP đượ c coi là yếu tố quan tr ọng trong IoT, khi mà m ỗi thiết b ị đượ c gán một địa chỉ IP riêng biệt. Do đó khả năng cấp phát đị a chỉ IP sẽ quyết định đến
tương lai của IoT. Hệ thống địa chỉ IPv4 đượ c tạo ra mớ i mục đích đánh cho mỗ i máy tính k ết nối vào mạng internet một con số riêng biệt, giúp cho thông tin có th ể tìm tới đúng nơi cần đến ngay khi nó đượ c chuyển đi từ bất cứ địa điểm nào trên thế giớ i. Theo thiết k ế, Ipv4 có thể cung cấ p 2^32 (tương ứng vớ i khoảng 4,2 tỉ)
địa chỉ IP, một con số lớn không tưởng cách đây 30 năm. Tuy nhiên, sự bùng nổ mạnh mẽ của Internet đã khiến cho số lượng địa chỉ IP tự do càng ngày càng khan
hiếm. M ới đây, RIPE NCC - Hiệ p hội các tổ ch ức qu ản lý mạng Internet khu v ực châu Âu ph ải đưa ra tuyên bố r ằng họ đã sử d ụng đến gói địa chỉ IP chưa cấ p phát cuối cùng (khoảng 1,8 triệu địa chỉ). Và s ự ra đờ i c ủa IPv6 như là mộ t gi ải pháp cứu s ống k ị p th ờ i cho sự cạn ki ệt của IPv4. Độ dài bit c ủa là 128. Sự gia tăng mạnh mẽ của IPv6 trong không gian
địa chỉ là một yếu tố quan tr ọng trong phát tri ển Internet of Things.
Hình 1.4. Năng lự c truyề n thông 1.3.3. Công suất thiết bị (Device Power)
Các tiêu chí hình th ức chính của thiết bị khi triển khai một ứng dụng IoT là phải giá thành th ấ p, mỏng, nhẹ…và như vậy phần năng lượ ng nuôi thi ết bị cũng sẽ tr ở nên nhỏ gọn lại, năng lượ ng tích tr ữ cũng sẽ tr ở nên ít đi. Do đó đòi hỏ i thiết bị phải tiêu tốn một công su ất cực nhỏ (Ultra Low Power) để sử dụng nguồn năng
lượ ng có hạn đó. Bên cạnh đó yêu cầu có những giao th ức truyền thông không dây
gọn nhẹ hơn, đơn giản hơn, đòi hỏ i ít công su ất hơn (Low Energy Wireless
Technologies) như Zigbee, BLE (Bluetooth low energy), ANT/ANT+, NIKE+,..
Hình 1.5. Bảng so sánh các chuẩ n truyề n thông không dây. 1.3.4. Công nghệ cảm biến (Sensor Technology)
Trong Internet of Things, c ảm biến đóng vai trò then chốt, nó đo đạ t cảm nhận giá tr ị t ừ môi trườ ng xung quanh r ồi g ửi đến b ộ vi x ử lý sau đó đượ c g ửi lên mạng. Chúng ta có th ể b ắt g ặ p một số lo ại cảm bi ến v ề c ảnh báo cháy r ừng, cảnh
báo động đất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm,..Để giúp cho thi ết bị kéo dài đượ c thờ i gian sống hơn thì đòi hỏ i cảm biến cũng phải tiêu hao m ột lượng năng lượ ng cực k ỳ thấ p. Bên cạnh đó độ chính xác và th ời gian đáp ứng của cảm biến cũng phải nhanh. Để giá thành c ủa thiết b ị th ấp thì đòi hỏi giá cảm biến cũng phải thấ p.
Hình 1.6. M ột số loại cảm biế n hay g ặ p 1.3.5. Thời gian đáp ứng
Hình 1.7 . Đáp ứ ng thờ i gian cho ứ ng d ụng IoT
Thời gian đáp ứng phải đảm bảo tính th ờ i gian th ực, sao cho hàng ngàn các node mạng có thể truy cậ p vào hệ thống mà không xảy ra hiện tượ ng nghẽn mạng. Vớ i các ứng d ụng D2D, th ời gian đá p ứng trong khoảng 10us đến 10ms, trong khi
ứng dụng D2S, thời gian này là 10ms đến 1s. Vớ i các ứng dụng S2S, không có yêu cầu khắt khe v ề thời gian đáp ứng, tuy nhiên thông thườ ng yêu cầu từ 3 đến 5s 1.4. CÁC ỨNG DỤNG CỦA IoT
Vớ i những hiệu quả thông minh r ất thiết thực mà IoT đem đến cho con ngườ i,
IoT đã và đang đượ c tích hợ p trên khắ p mọi th ứ, mọi nơi xung quanh thế gi ớ i mà con người đang sống. Từ chi ếc vòng đeo tay, những đồ gia dụng trong nhà, nh ững
mãnh vườn đang ươm hạt giống, cho đến những sinh vật sống như động vật hay con người…đều có sử dụng giải pháp IoT.
Hình 1.8. T ổn g quan về ứ ng d ụng của IoT. 1.4.1. Ứng dụng trong lĩnh vực vận tả i
Ứ ng dụng điển hình nhất trong lĩnh vự c này là g ắn chíp lấy tọa độ GPS lên xe chở hàng, nhằm kiểm soát lộ trình, tốc độ, thời gian đi đến của các xe ch ở hàng.
Ứ ng dụng này giúp qu ản lý tốt khâu vận chuyển, có những xử lý k ị p thời khi xe đi không đúng lộ trình hoạt bị hỏng hóc trên nh ững lộ trình mà ở đó mạng di động không phủ sóng tới đượ c, kiểm soát được lượ ng nhiên li ệu tiêu hao ứng vớ i lộ trình
đã đượ c vạch trước…
Hình 1.9. Theo dõi l ộ trình đi của xe chở hàng.
1.4.2. Ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệ p
Quá trình sinh trưở ng và phát tri ển của cây tr ồng tr ải qua nhiều giai đoạn từ hạt nảy mầm đến ra hoa k ết trái. Ở mỗi giai đoạn cần có sự chăm sóc khác nhau về chất dinh dưỡng cũng như chế độ tướ i tiêu phù h ợ p. Những yêu cầu này đòi hỏi sự bền b ỉ và siêng năng của ngườ i nông dân t ừ ngày này sang ngày khác làm cho h ọ phải v ất v ả. Nhưng nhờ vào ứng dụng khoa học k ỹ thu ật, s ử d ụng c ảm biến để l ấy thông số nhi ệt độ, độ ẩm, độ pH của đất tr ồng, cùng vớ i b ảng dữ li ệu v ề quy trình
sinh trưở ng của loại cây đó, hệ thống sẽ tự động tướ i tiêu bón lót cho cây tr ồng phù hợ p v ớ i t ừng giai đoạn phát triển c ủa cây tr ồng. Ngườ i nông dân bây gi ờ ch ỉ ki ểm tra, quan sát s ự v ận hành của h ệ thống chăm sóc cây trồ ng trên một màn hình máy tính có n ối mạng.
Hình 1.10. Theo dõi tình tr ạng sinh trưở ng của cây tr ồng.
Sản phẩm của mỗi loại nông s ản sẽ đượ c gắn mã ID, nếu tủ lạnh nhà chúng ta sắ p h ết một lo ại nông s ản nào đó thì ngay lậ p t ức nó sẽ t ự động g ửi thông báo c ần
mua đến cơ sở dữ liệu của trang tr ại có tr ồng loại nông sản đó, và chỉ sau một th ờ i gian nông s ản mà bạn cần sẽ được nhân viên đem đến tận nhà.
1.4.3. Ứng dụng trong nhà thông minh
Vài năm trở lại đây, khi thế giới đang dần tiến vào k ỷ nguyên Internet of Things, k ết nối mọi vật qua Internet, nhà thông minh tr ở thành một xu hướ ng công nghệ tất yếu, là tiêu chu ẩn của nhà ở hiện đại. Trong căn hộ thông minh, t ất cả các thiết bị từ rèm cửa, điều hoà, dàn âm thanh, h ệ thống ánh sáng, h ệ thống an ninh, thiết bị nhà tắm… đượ c k ết nối vớ i nhau và ho ạt động hoàn toàn t ự động theo k ịch bản lậ p trình sẵn, đáp ứng đúng nhu cầ u sử dụng của khách hàng.
Hình 1.11. Ví d ụ về nhà thông minh
Ví d ụ, vào buổi sáng, đèn tắt, rèm cửa tự động chuyển t ớ i v ị trí thích h ợp để giảm bớ t những tác động náo nhi ệt từ đườ ng phố và nhườ ng không gian cho ánh sáng tự nhiên. Tối đến, h ệ th ống đèn bật sáng, các rèm c ửa kéo lên ngườ i dùng có thể thưở ng ngoạn từ trên cao b ức tranh thành ph ố r ực r ỡ ánh đèn, đồng thờ i âm nhạc cũng nhẹ nhàng cất lên các giai điệ u yêu thích của gia đình. Nếu có việc cả nhà phải đi vắng, chế độ "Ra khỏi nhà" sẽ đượ c kích hoạt, toàn bộ thiết bị điện t ử gia dụng s ẽ tự động tắt hoặc đóng lại và khi chủ nhân về, chúng
cũng sẽ khôi phục lại tr ạng thái trước đó. Thậm chí, nước nóng cũng đã sẵ n sàng từ vài phút trướ c khi gia ch ủ về đến cửa. Riêng hệ thống an ninh luôn ho ạt động 24/24 và s ẽ thông báo đến chủ nhà mọi thay đổi "đáng ngờ " trong ngôi nhà, dù
đang ở bất cứ đâu. 1.5. CÁC THÁCH THỨC TRONG VIỆC NGHIÊN CỨU, TRIỂN
KHAI IoT
* Chƣa có một ngôn ngữ chung:
Ở mức cơ bản nh ất, Internet là một mạng dùng để nối thiết b ị này vớ i thiết bị khác. Nếu chỉ riêng có k ết nối không thôi thì không có gì đảm bảo r ằng các thiết bị biết cách nói chuy ện nói nhau. Ví d ụ, chúng ta có th ể đi từ Việt Nam đến Mỹ,
nhưng không đảm b ảo r ằng chúng ta có th ể nói chuyện tớ i với ngườ i Mỹ. Để các thiết bị có thể giao tiế p vớ i nhau, chúng s ẽ cần một hoặc nhiều giao th ức (protocols), có thể xem là một thứ ngôn ng ữ chuyên biệt để giải quyết một tác vụ
nào đó. Chắc chắn chúng ta đã ít nhiề u sử dụng một trong những giao th ức phổ biến nhất thế giới, đó là HyperText Transfer Protocol (HTTP) để t ải web. Ngoài ra
chúng ta còn có SMTP, POP, IMAP dành cho email, FTP dùng để trao đổi file, ...Những giao th ức như thế này hoạt động ổn bở i các máy ch ủ web, mail và FTP
thườ ng không phải nói vớ i nhau nhi ều, khi cần, một phần mềm phiên dịch đơn giản sẽ đứng ra làm trung gian để hai bên hi ểu nhau. Còn vớ i các thiết bị IoT, chúng phải đảm đương rất nhiều thứ, phải nói chuyện vớ i nhiều loại máy móc thi ết bị khác nhau. Đáng tiếc r ằng hiện người ta chưa có nhiề u sự đồng thuận về các giao thức để IoT trao đổi dữ liệu. Nói cách khác, tình hu ống này g ọi là "giao ti ế p thất bại", một bên nói nhưng bên kia không thèm (và không thể ) nghe. * Hàng rào subnetwork:
Như đã nói ở trên, thay vì giao ti ế p tr ực tiế p vớ i nhau, các thi ết bị IoT hiện nay chủ yếu k ết nối đến một máy chủ trung tâm do hãng s ản xuất một nhà phát triển nào đó quản lí. Cách này cũng vẫ n ổn thôi, nh ững thiết b ị vẫn hoàn toàn nói
đượ c vớ i nhau thông qua ch ức năng phiên dịch của máy chủ r ồi. Thế nhưng mọi chuyện không đơn giản như thế , cứ mỗi một mạng lưới như thế tạo thành một subnetwork riêng, và bu ồn thay các máy móc nằm trong subnetwork này không th ể giao tiế p tốt vớ i subnetwork khác.
Lấy ví dụ như xe ô tô chẳng hạn. Một chiếc Ford Focus có th ể giao tiế p cực kì tốt đến các dịch vụ và trung tâm d ữ liệu của Ford khi gửi dữ liệu lên mạng. Nếu một bộ phận nào đó cần thay thế, hệ thống trên xe sẽ thông báo v ề Ford, từ đó hãng tiế p t ục thông báo đến người dùng. Nhưng trong trườ ng h ợ p chúng ta mu ốn t ạo ra một hệ thống cảnh báo k ẹt xe thì mọi chuyện r ắc r ối hơn nhiều bởi xe Ford đượ c thiết l ậ p ch ỉ để nói chuyện v ớ i server của Ford, không phải v ớ i server của Honda, Audi, Mercedes hay BMW. Lý do cho vi ệc giao ti ế p thất bại? Chúng ta thi ếu đi một ngôn ngữ chung. Và để thiết lậ p cho các hệ thống này nói chuy ện đượ c vớ i nhau thì r ất tốn kém, đắt tiền. Một số trong những vấn đề nói trên ch ỉ đơn giản là v ấn đề về kiến trúc mạng, về k ết nối mà các thi ết bị sẽ liên lạc vớ i nhau (Wifi, Bluetooth, NFC,...). Nh ững thứ này thì tương đối dễ khắc phục vớ i công ngh ệ không dây ngày nay. Còn v ớ i các vấn đề v ề giao thức thì phức t ạp hơn rất nhiều, nó chính là v ật v ản l ớ n và tr ực tiếp trên còn đườ ng phát tri ển của Internet of Things. * Có quá nhiều "ngôn ngữ địa phƣơng":
Bây giờ giả sử như các nhà sản xu ất xe ô tô nh ận thấy r ằng h ọ cần một giao thức chung để xe của nhiều hãng có th ể trao đổi dữ liệu cho nhau và h ọ đã phát triển thành công giao th ức đó. Thế nhưng vấn đề vẫn chưa đượ c giải quyết. Nếu các tr ạm thu phí đườ ng bộ, các tr ạm bơm xăng muốn giao ti ế p vớ i xe thì sao? Mỗi một loại thiết bị lại sử dụng một "ngôn ngữ địa phương" riêng thì mục đích củ a IoT vẫn chưa đạt được đến mức tối đa. Đồng ý r ằng chúng ta v ẫn có thể có một tr ạm kiểm soát trung tâm, th ế nhưng các thiết bị vẫn chưa thật sự nói đượ c vớ i nhau. * Tiền và chi phí:
Cách duy nhất để các thiết bị IoT có th ể thật sự giao ti ếp đó là khi có một
động l ực kinh tế đủ mạnh khiến các nhà s ản xu ất đồng ý chia s ẻ quy ền điều khiển cũng như dữ li ệu mà các thi ết b ị c ủa h ọ thu thập đượ c. Hiện t ại, các động l ực này không nhiều. Có thể xét đến ví dụ sau: một công ty thu gom rác mu ốn kiểm tra
xem các thùng rác có đầy hay chưa. Khi đó, họ phải gặ p nhà sản xuất thùng rác, đảm bảo r ằng họ có thể truy cậ p vào h ệ thống quản lí của t ừng thùng một. Điều đó khiến chi phí b ị đội lên, và công ty thu gom rác có th ể đơn giản chọn giải pháp cho một ngườ i chạy xe kiểm tra từng thùng một.
