Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG IoT 1. GIỚI THIỆU Hệ thống Internet vạn vật (IoT) hoạt động dựa trên việc kết nối thế giới thực với Internet, ví dụ như các cảm biến thu thập dữ liệu và thiết bị chấp hành làm việc dựa trên phần mềm điều khiển và dữ liệu thu thập được. Trên thực tế, hệ thống IoT cung cấp công nghệ và phương tiện để đo lường, định lượng và quản lý thế giới thực xung quanh. Việc kết nối các cảm biến sẽ cung cấp dữ liệu thế giới vật lý, về cơ bản nó thu hẹp khoảng cách giữa thế giới thực và ảo/mạng (virtual/cyber) vẫn tồn tại kể từ khi tin học ra đời.
Trên thực tế, IoT giúp tăng cường các đặc tính và khả năng của Internet bằng cách thêm vào đó các chiều không gian của thế giới thực. Với sự kết hợp của IoT, Internet trở thành một trang web bao gồm các yếu tố con người, thông tin, dịch vụ và mọi thứ, về cơ bản là Internet của tất cả mọi thứ. Các nhà phân tích dự đoán rằng các thiết bị có thể kết nối và trao đổi thông tin với nhau sẽ tăng lên hàng trăm tỷ trong tương lai gần. Kết nối thế giới thực và không gian mạng dựa trên hạ tầng và giao thức Internet cho phép nhiều kiểu tương tác kết hợp mới và do đó có tiềm năng tạo ra rất nhiều phương thức sử dụng, ứng dụng và mô hình kinh doanh mới.
Sự phát triển của IoT hứa hẹn sẽ tác động sâu sắc không chỉ đến ngành công nghiệp mà còn đến nhiều khía cạnh của cuộc sống hàng ngày. HỆ THỐNG IoT Hình 1.1 minh họa các thành phần chức năng chính của hệ thống IoT. Phía dưới cùng tượng trưng cho một số ứng dụng tiêu biểu của IoT, bao gồm các ứng dụng trong văn phòng thông minh, ô tô tự hành, giao thông vận tải, sản xuất, nông nghiệp, nhà ở, tòa nhà thông minh và thành phố thông minh. Phần phía trên minh họa một số thành phần chính trong hệ thống IoT như các cảm biến, các thành phần kết nối và thực thi.
Trong đó, các cảm biến và các thành phần kết nối được thiết kế để liên kết trực tiếp với Internet, giao tiếp với các ứng dụng và các dịch vụ trên đám mây (cloud services). Ví dụ có nhiều loại thiết bị thông minh khác nhau như 7 camera an ninh, cảm biến báo cháy, bộ điều chỉnh nhiệt độ và đồng hồ đo điện.1 Hệ thống IoT[1] Các cảm biến kết nối với thành phần còn lại của hệ thống IoT và Internet dựa vào các gateway. Gateway và các node thường là những thiết bị mạnh hơn được kết nối với các cảm biến thu thập dữ liệu thông qua các chuẩn truyền thông không dây, chẳng hạn như Zigbee, các biến thể của mạng 802.14, Bluetooth và WiFi công suất thấp. Các gateway thường cung cấp kết nối băng thông rộng và xử lý dữ liệu các cảm biến ở các biên (edge) đồng thời hỗ trợ chuyển đổi linh hoạt các giao thức, lưu trữ và lọc dữ liệu, xử lý và phân tích các sự kiện thay đổi dựa vào dữ liệu thu thập được.
Trong thực tế, hàng tỷ điện thoại thông minh đã được sử dụng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống IoT. Chúng có thể hoạt động như cảm biến, gateway kết nối thông minh hỗ trợ tương tác với người dùng và thiết bị khác. Bên trong mỗi điện thoại thông minh có nhiều loại cảm biến được tích hợp - chẳng hạn như vân tay, áp suất, ánh sáng, cảm biến Hall, cảm biến mưa, nhiệt độ, địa từ, gia tốc kế, con quay hồi chuyển, tiệm cận và hệ thống định vị toàn cầu (GPS) - có thể được sử dụng để xác định vị 8 trí và trạng thái của thiết bị. Các cảm biến này có thể được quản lý bởi các chương trình phần mềm và được kết nối với Internet.
Nhiều ứng dụng thực tế tăng cường (AR) có thể thực hiện được bằng cách kết hợp những ứng dụng trên với dữ liệu từ các cảm biến khác trên điện thoại, chẳng hạn như máy ảnh và micrô. Điện thoại thông minh và máy tính bảng cũng có thể hoạt động như một dạng gateway IoT giúp cho các thiết bị khác trên mạng cục bộ có thể truy cập được, chẳng hạn như vô số cảm biến hỗ trợ WiFi và Bluetooth có thể ghép nối với các thiết bị theo dõi thể dục, đồng hồ thông minh, ô tô và thiết bị tự động hóa gia đình.1, các điện thoại thông minh được thể hiện vừa là cảm biến được kết nối vừa là thiết bị tương tác với người dùng. Điện thoại thông minh có thể nhận đầu vào từ người dùng và trực quan hóa đầu ra các ứng dụng, cung cấp giao diện người dùng để thu thập và kiểm soát dữ liệu đầu vào, cũng như trực quan hóa các dữ liệu IoT mà người dùng cần sử dụng cục bộ hoặc trên Internet. Các đầu cuối và cảm biến IoT cũng có thể được nhúng vào cơ sở hạ tầng công nghệ thông tin và các thiết bị hiện có, chẳng hạn như máy tính cá nhân.
Việc thêm cảm biến và giao diện IoT vào các thiết bị công nghệ thông tin hiện có, chẳng hạn như PC và máy tính xách tay, có thể cung cấp phạm vi phủ sóng cho người dùng ở phạm vi gần và giảm chi phí hệ thống bằng cách tận dụng sức mạnh, khả năng kết nối và xử lý của máy chủ, tài nguyên lưu trữ. Ngoài ra, PC có thể hoạt động như một gateway và điểm cuối giúp người dùng (UX) trải nghiệm phong phú hơn trong hệ thống IoT. Ngoài các cảm biến và thiết bị được thiết kế để sử dụng trong các hệ thống IoT, có rất nhiều cảm biến thu thập dữ liệu ở nhiều dạng khác nhau trong các hệ thống trong thế giới thực như tự động hóa công nghiệp, hệ thống năng lượng, y tế, hệ thống quản lý tòa nhà (BMS) và hệ thống giám sát và điều khiển (SCADA). Ví dụ, một hệ thống BMS có thể chứa hàng nghìn cảm biến, chẳng hạn như nhiệt độ và chuyển động trong mỗi phòng của một tòa nhà văn phòng.
Hầu hết, chúng đều bị khóa ở các định dạng riêng mang tính độc quyền, nhưng các hệ thống BMS và SCADA ngày nay đều có thể giao tiếp với Internet ở phân cấp cao nhất của hệ thống nhằm hạn chế việc phải chia sẻ và bị điều khiển từ xa. Dữ liệu từ các hệ thống này có thể được tích hợp vào các hệ thống IoT cho các mục đích tổng hợp 9 và xử lý với sự hỗ trợ của giao thức và các bộ chuyển đổi định dạng dữ liệu, thường được xây dựng tại các gateway. Xử lý “back-end”, thường được thực hiện bởi các máy chủ từ xa trong các hệ thống IoT, được mô tả bằng một đám mây trong Hình 1. Trong thực tế có rất nhiều đám mây được xây dựng để hỗ trợ cho việc lưu trữ và xử lý dữ liệu lớn từ rất nhiều cảm biến cho các ứng dụng khác nhau.
Về mặt khái niệm, đám mây thường là lớp trên cùng trong phân cấp hệ thống IoT, nơi dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau được tổng hợp và xử lý để tối ưu hóa và phân tích các xu hướng và mối quan hệ toàn cục. Tùy thuộc vào bản chất của chúng và các yêu cầu thời gian thực, dữ liệu cảm biến đến và các sự kiện có thể được xử lý trực tiếp, được lưu trữ cho các mục đích xử lý sau hoặc cả hai. Ngoài việc hỗ trợ và chạy các ứng dụng, đám mây IoT cũng có thể chứa một số dịch vụ phổ biến như lưu trữ quy mô lớn, công cụ xử lý phân tích, trực quan hóa dữ liệu và vẽ đồ thị, và các chức năng quản lý như bảo mật. Các thuật toán máy học (ML) và trí tuệ nhân tạo (AI) thường được vận hành trên đám mây, tại đây các thuật toán có thể hoạt động với lượng dữ liệu tổng hợp lớn.
Hiện tại, các thuật toán này có xu hướng hoạt động tốt hơn trên các tập dữ liệu lớn giúp cải thiện quá trình huấn luyện và khả năng dự đoán. Giá trị của việc tổng hợp dữ liệu IoT tăng lên đáng kể nếu hệ thống có thể thu thập và lưu trữ dữ liệu ở định dạng có thể tương tác, nhằm hỗ trợ phân tích tốt hơn trên các tập dữ liệu lớn hơn được tích lũy từ nhiều loại cảm biến khác nhau. Về các luồng dữ liệu IoT, các cảm biến theo dõi trạng thái thế giới vật lý và chuyển đổi số tương ứng của các luồng dữ liệu đó được lấy mẫu ở một số tốc độ dữ liệu cố định hoặc thay đổi thông qua chương trình. Luồng các bit trong hệ thống IoT có thể có hai chiều, với dữ liệu cảm biến thường cập nhật lên đám mây và đi tới các ứng dụng, đồng thời điều khiển và cài đặt trạng thái ở các khối chấp hành.
Ngoài việc thu thập dữ liệu, các luồng cảm biến cần được gắn thẻ siêu dữ liệu để cung cấp thông tin bổ sung về ý nghĩa của dữ liệu và bối cảnh mà chúng được thu thập. Siêu dữ liệu có thể cho biết bản chất của dữ liệu, ví dụ: nhiệt độ, vị trí được báo cáo, chủ sở hữu và quan hệ cấu trúc. Siêu dữ liệu có thể được thêm vào các luồng dữ liệu cảm biến ở bất kỳ đâu trên đường dẫn từ điểm 10 thu thập đến lưu trữ dữ liệu cảm biến trên đám mây và trong các giai đoạn khác nhau, bao gồm cài đặt, cung cấp, vận hành và quản lý. Mặc dù không được chỉ rõ trong Hình 1.1, các ứng dụng xử lý và phân tích dữ liệu cảm biến có thể nằm ở biên (edge), trong đám mây hoặc phân tán trên nhiều thành phần hệ thống.
Ví dụ, xây dựng một hệ thống IoT hỗ trợ việc giám sát tập thể dục. Hệ thống gồm một thiết bị có thể đeo được bao gồm nhiều loại cảm biến để phát hiện các hoạt động, chuyển động, vị trí của người dùng và có thể là một số chỉ số như nhịp tim hoặc EKG. Đây là một hệ thống nhúng phức tạp cần thu thập dữ liệu liên tục và cần phải xử lý trước dữ liệu, có thời lượng pin dài và kích thước nhỏ nhất có thể. Hệ thống chứa các chức năng xử lý sơ bộ, chẳng hạn như thu thập dữ liệu, tiền xử lý, đánh dấu thời gian và lưu vào bộ đệm dữ liệu cho đến khi quá trình truyền dữ liệu đến điện thoại hoặc đám mây hoàn tất.
Ngoài ra, việc tính toán và lưu trữ có thể được đặt trong phần ứng dụng chạy trên điện thoại thông minh ghép nối trực tiếp với các hệ thống thu thập dữ liệu.