TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS

TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS 1.1 MỞ ĐẦU CHƢƠNG Chương đề cập cách tổng quan Internet of Things (IoT) khái niệm, thuộc tính, sở kỹ thuật ứng dụng IoT sống đại ngày 1.2 KHÁI NIỆM IoT Internet of Things (IoT) thuật ngữ dùng để đối tượng nhận biết tồn chúng kiến trúc mang tính kết nối Đây viễn cảnh vật, vật người cung cấp định danh khả tự động truyền tải liệu qua mạng lưới mà không cần tương tác người-với-con người người-với-máy tính IoT tiến hoá từ hội tụ công nghệ không dây, hệ thống vi điện tử (MEMS) Internet Cụm từ đưa Kevin Ashton vào năm 1999 Ông nhà khoa học sáng lập Trung tâm Auto-ID đại học MIT [7] Hình 1.1.“Internet of Things” "Thing" - vật - Internet of Things, trang trại động vật với tiếp sóng chip sinh học, xe ô tô tích hợp cảm biến để cảnh báo lái xe lốp non, đồ vật tự nhiên sinh người sản xuất mà gán với địa IP cung cấp khả truyền tải liệu qua mạng lưới IoT phải có thuộc tính: phải ứng dụng internet Hai là, phải lấy thông tin vật chủ Hình 1.2 Sự gia tăng nhanh chóng giao tiếp máy – máy Một ví dụ điển hình cho IoT tủ lạnh thông minh, tủ lạnh bình thường có gắn thêm cảm biến bên giúp kiểm tra số lượng loại thực phẩm có tủ lạnh, cảm biến nhiệt độ, cảm biến phát mở cửa,…và thông tin đưa lên internet Với danh mục thực phẩm thiết lập trước người dùng, mà loại thực phẩm hết thông báo cho chủ nhân biết cần phải bổ sung gấp, chí loại sản phẩm gắn mã ID tự động trực tiếp gửi thông báo cần nhập hàng đến siêu thị nhân viên siêu thị gửi loại thực phẩm đến tận nhà Hình 1.1 Ứng dụng tủ lạnh IoT 1.3 CƠ SỞ KỸ THUẬT CỦA IoT 1.3.1 Giao thức Trong IoT, thiết bị phải giao tiếp với (D2D) Dữ liệu sau phải thu thập gửi tới máy chủ (D2S) Máy chủ có để chia sẻ liệu với nhau(S2S), cung cấp lại cho thiết bị, để phân tích chương trình, cho người dùng Các giao thức dùng IoT là: - MQTT: giao thức cho việc thu thập liệu giao tiếp cho máy chủ (D2S) - XMPP: giao thức tốt để kết nối thiết bị với người, trường hợp đặc biệt mô hình D2S, kể từ người kết nối với máy chủ - DDS: giao thức tốc độ cao cho việc tích hợp máy thông minh (D2D) - AMQP: hệ thống hàng đợi thiết kế để kết nối máy chủ với (S2S) * MQTT MQTT(Message Queue Telemetry Transport), mục tiêu thu thập liệu giao tiếp D2S Mục đích đo đạc từ xa, giám sát từ xa, thu thập liệu từ nhiều thiết bị vận chuyển liệu đến máy trạm với xung đột MQTT nhắm đến mạng lớn thiết bị nhỏ mà cần phải theo dõi kiểm soát từ đám mây Hình 1.2 Ví dụ MQTT MQTT hoạt động đơn giản, cung cấp nhiều lựa chọn điều khiển QoS MQTT yêu cầu khắt khe thời gian, nhiên hiều lớn, đáp ứng tính thời gian thực với đơn vị tính giây Các giao thức hoạt động tàng TCP, cung cấp đáp ứng đơn giản, đáng tin cậy * XMPP XMPP ban đầu gọi "Jabber." Nó phát triển cho tin nhắn tức thời (IM) để kết nối người với người khác thông qua tin nhắn văn XMPP viết tắt Extensible Messaging Presence Protocol Hình 1.3 Ví dụ XMPP XMPP sử dụng định dạng văn XML, tương tự MQTT chạy, XMPP chạy tảng TCP, qua HTTP TCP Sức mạnh chương trình name@domain.comaddressing mạng Internet khổng lồ 1.3.2 Năng lực truyền thông (Communication Capabilities) Địa IP coi yếu tố quan trọng IoT, mà thiết bị gán địa IP riêng biệt Do khả cấp phát địa IP định đến tương lai IoT Hệ thống địa IPv4 tạo mục đích đánh cho máy tính kết nối vào mạng internet số riêng biệt, giúp cho thông tin tìm tới nơi cần đến chuyển từ địa điểm giới Theo thiết kế, Ipv4 cung cấp 2^32 (tương ứng với khoảng 4,2 tỉ) địa IP, số lớn không tưởng cách 30 năm Tuy nhiên, bùng nổ mạnh mẽ Internet khiến cho số lượng địa IP tự ngày khan Mới đây, RIPE NCC - Hiệp hội tổ chức quản lý mạng Internet khu vực châu Âu phải đưa tuyên bố họ sử dụng đến gói địa IP chưa cấp phát cuối (khoảng 1,8 triệu địa chỉ) Và đời IPv6 giải pháp cứu sống kịp thời cho cạn kiệt IPv4 Độ dài bit 128 Sự gia tăng mạnh mẽ IPv6 không gian địa yếu tố quan trọng phát triển Internet of Things Hình 1.4 Năng lực truyền thông 1.3.3 Công suất thiết bị (Device Power) Các tiêu chí hình thức thiết bị triển khai ứng dụng IoT phải giá thành thấp, mỏng, nhẹ…và phần lượng nuôi thiết bị trở nên nhỏ gọn lại, lượng tích trữ trở nên Do đòi hỏi thiết bị phải tiêu tốn công suất cực nhỏ (Ultra Low Power) để sử dụng nguồn lượng có hạn Bên cạnh yêu cầu có giao thức truyền thông không dây gọn nhẹ hơn, đơn giản hơn, đòi hỏi công suất (Low Energy Wireless Technologies) Zigbee, BLE (Bluetooth low energy), ANT/ANT+, NIKE+, Hình 1.5 Bảng so sánh chuẩn truyền thông không dây 1.3.4 Công nghệ cảm biến (Sensor Technology) Trong Internet of Things, cảm biến đóng vai trò then chốt, đo đạt cảm nhận giá trị từ môi trường xung quanh gửi đến vi xử lý sau gửi lên mạng Chúng ta bắt gặp số loại cảm biến cảnh báo cháy rừng, cảnh báo động đất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, Để giúp cho thiết bị kéo dài thời gian sống đòi hỏi cảm biến phải tiêu hao lượng lượng thấp Bên cạnh độ xác thời gian đáp ứng cảm biến phải nhanh Để giá thành thiết bị thấp đòi hỏi giá cảm biến phải thấp Hình 1.6 Một số loại cảm biến hay gặp 1.3.5 Thời gian đáp ứng Hình 1.7 Đáp ứng thời gian cho ứng dụng IoT Thời gian đáp ứng phải đảm bảo tính thời gian thực, cho hàng ngàn node mạng truy cập vào hệ thống mà không xảy tượng nghẽn mạng Với ứng dụng D2D, thời gian đáp ứng khoảng 10us đến 10ms, ứng dụng D2S, thời gian 10ms đến 1s Với ứng dụng S2S, yêu cầu khắt khe thời gian đáp ứng, nhiên thông thường yêu cầu từ đến 5s 1.4 CÁC ỨNG DỤNG CỦA IoT Với hiệu thông minh thiết thực mà IoT đem đến cho người, IoT tích hợp khắp thứ, nơi xung quanh giới mà người sống Từ vòng đeo tay, đồ gia dụng nhà, mãnh vườn ươm hạt giống, sinh vật sống động vật hay người…đều có sử dụng giải pháp IoT Hình 1.8 Tổng quan ứng dụng IoT 1.4.1 Ứng dụng lĩnh vực vận tải Ứng dụng điển hình lĩnh vực gắn chíp lấy tọa độ GPS lên xe chở hàng, nhằm kiểm soát lộ trình, tốc độ, thời gian đến xe chở hàng Ứng dụng giúp quản lý tốt khâu vận chuyển, có xử lý kịp thời xe không lộ trình hoạt bị hỏng hóc lộ trình mà mạng di động không phủ sóng tới được, kiểm soát lượng nhiên liệu tiêu hao ứng với lộ trình vạch trước… Hình 1.9 Theo dõi lộ trình xe chở hàng 1.4.2 Ứng dụng lĩnh vực sản xuất nông nghiệp Quá trình sinh trưởng phát triển trồng trải qua nhiều giai đoạn từ hạt nảy mầm đến hoa kết trái Ở giai đoạn cần có chăm sóc khác chất dinh dưỡng chế độ tưới tiêu phù hợp Những yêu cầu đòi hỏi bền bỉ siêng người nông dân từ ngày sang ngày khác làm cho họ phải vất vả Nhưng nhờ vào ứng dụng khoa học kỹ thuật, sử dụng cảm biến để lấy thông số nhiệt độ, độ ẩm, độ pH đất trồng, với bảng liệu quy trình sinh trưởng loại đó, hệ thống tự động tưới tiêu bón lót cho trồng phù hợp với giai đoạn phát triển trồng Người nông dân kiểm tra, quan sát vận hành hệ thống chăm sóc trồng hình máy tính có nối mạng Hình 1.10 Theo dõi tình trạng sinh trưởng trồng Sản phẩm loại nông sản gắn mã ID, tủ lạnh nhà hết loại nông sản tự động gửi thông báo cần mua đến sở liệu trang trại có trồng loại nông sản đó, sau thời gian nông sản mà bạn cần nhân viên đem đến tận nhà 1.4.3 Ứng dụng nhà thông minh Vài năm trở lại đây, giới dần tiến vào kỷ nguyên Internet of Things, kết nối vật qua Internet, nhà thông minh trở thành xu hướng công nghệ tất yếu, tiêu chuẩn nhà đại Trong hộ thông minh, tất thiết bị từ rèm cửa, điều hoà, dàn âm thanh, hệ thống ánh sáng, hệ thống an ninh, thiết bị nhà tắm… kết nối với hoạt động hoàn toàn tự động theo kịch lập trình sẵn, đáp ứng nhu cầu sử dụng khách hàng Hình 1.11 Ví dụ nhà thông minh Ví dụ, vào buổi sáng, đèn tắt, rèm cửa tự động chuyển tới vị trí thích hợp để giảm bớt tác động náo nhiệt từ đường phố nhường không gian cho ánh sáng tự nhiên Tối đến, hệ thống đèn bật sáng, rèm cửa kéo lên người dùng thưởng ngoạn từ cao tranh thành phố rực rỡ ánh đèn, đồng thời âm nhạc nhẹ nhàng cất lên giai điệu yêu thích gia đình Nếu có việc nhà phải vắng, chế độ "Ra khỏi nhà" kích hoạt, toàn thiết bị điện tử gia dụng tự động tắt đóng lại chủ nhân về, chúng khôi phục lại trạng thái trước Thậm chí, nước nóng sẵn sàng từ vài phút trước gia chủ đến cửa Riêng hệ thống an ninh hoạt động 24/24 thông báo đến chủ nhà thay đổi "đáng ngờ" nhà, dù đâu 1.5 CÁC THÁCH THỨC TRONG VIỆC NGHIÊN CỨU, TRIỂN KHAI IoT * Chƣa có ngôn ngữ chung: Ở mức nhất, Internet mạng dùng để nối thiết bị với thiết bị khác Nếu riêng có kết nối không đảm bảo thiết bị biết cách nói chuyện nói Ví dụ, từ Việt Nam đến Mỹ, không đảm bảo nói chuyện tới với người Mỹ Để thiết bị giao tiếp với nhau, chúng cần nhiều giao thức (protocols), xem thứ ngôn ngữ chuyên biệt để giải tác vụ Chắc chắn nhiều sử dụng giao thức phổ biến giới, HyperText Transfer Protocol (HTTP) để tải web Ngoài có SMTP, POP, IMAP dành cho email, FTP dùng để trao đổi file, Những giao thức hoạt động ổn máy chủ web, mail FTP thường nói với nhiều, cần, phần mềm phiên dịch đơn giản đứng làm trung gian để hai bên hiểu Còn với thiết bị IoT, chúng phải đảm đương nhiều thứ, phải nói chuyện với nhiều loại máy móc thiết bị khác Đáng tiếc người ta chưa có nhiều đồng thuận giao thức để IoT trao đổi liệu Nói cách khác, tình gọi "giao tiếp thất bại", bên nói bên không thèm (và không thể) nghe * Hàng rào subnetwork: Như nói trên, thay giao tiếp trực tiếp với nhau, thiết bị IoT chủ yếu kết nối đến máy chủ trung tâm hãng sản xuất nhà phát triển quản lí Cách ổn thôi, thiết bị hoàn toàn nói với thông qua chức phiên dịch máy chủ Thế chuyện không đơn giản thế, mạng lưới tạo thành subnetwork riêng, buồn thay máy móc nằm subnetwork giao tiếp tốt với subnetwork khác Lấy ví dụ xe ô tô chẳng hạn Một Ford Focus giao tiếp tốt đến dịch vụ trung tâm liệu Ford gửi liệu lên mạng Nếu phận cần thay thế, hệ thống xe thông báo Ford, từ hãng tiếp tục thông báo đến người dùng Nhưng trường hợp muốn tạo hệ thống cảnh báo kẹt xe chuyện rắc rối nhiều xe Ford thiết lập để nói chuyện với server Ford, với server Honda, Audi, Mercedes hay BMW Lý cho việc giao tiếp thất bại? Chúng ta thiếu ngôn ngữ chung Và để thiết lập cho hệ thống nói chuyện với tốn kém, đắt tiền Một số vấn đề nói đơn giản vấn đề kiến trúc mạng, kết nối mà thiết bị liên lạc với (Wifi, Bluetooth, NFC, ) Những thứ tương đối dễ khắc phục với công nghệ không dây ngày Còn với vấn đề giao thức phức tạp nhiều, vật vản lớn trực tiếp đường phát triển Internet of Things * Có nhiều "ngôn ngữ địa phƣơng": Bây giả sử nhà sản xuất xe ô tô nhận thấy họ cần giao thức chung để xe nhiều hãng trao đổi liệu cho họ phát triển thành công giao thức Thế vấn đề chưa giải Nếu trạm thu phí đường bộ, trạm bơm xăng muốn giao tiếp với xe sao? Mỗi loại thiết bị lại sử dụng "ngôn ngữ địa phương" riêng mục đích IoT chưa đạt đến mức tối đa Đồng ý có trạm kiểm soát trung tâm, thiết bị chưa thật nói với * Tiền chi phí: Cách để thiết bị IoT thật giao tiếp có động lực kinh tế đủ mạnh khiến nhà sản xuất đồng ý chia sẻ quyền điều khiển liệu mà thiết bị họ thu thập Hiện tại, động lực không nhiều Có thể xét đến ví dụ sau: công ty thu gom rác muốn kiểm tra xem thùng rác có đầy hay chưa Khi đó, họ phải gặp nhà sản xuất thùng rác, đảm bảo họ truy cập vào hệ thống quản lí thùng Điều khiến chi phí bị đội lên, công ty thu gom rác đơn giản chọn giải pháp cho người chạy xe kiểm tra thùng