CHƯƠNG 1. CÁC MẠNG IOT VÀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 1. Giới thiệu về internet vạn vật Internet vạn vật (IoT: Internet of things), hay cụ thể hơn là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet, là một liên mạng, trong đó các thiết bị, phương tiện vận tải (được gọi là "thiết bị kết nối" và "thiết bị thông minh"), phòng ốc và các trang thiết bị khác được nhúng với các bộ phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu [1]. Mô tả tương tác của mạng lưới thiết bị kết nối Internet.
Năm 2013, tổ chức IoT-GSI đinh nghĩa IoT là "hạ tầng cơ sở toàn cầu phục vụ cho xã hội thông tin, hỗ trợ các dịch vụ (điện toán) chuyên sâu thông qua các vật thể (cả thực lẫn ảo) được kết nối với nhau nhờ vào công nghệ thông tin và truyền thông hiện hữu được tích hợp", và với mục đích ấy, một "vật" là "một thứ trong thế giới thực (vật thực) hoặc thế giới thông tin (vật ảo), mà vật đó có thể được nhận dạng và được tích hợp vào một mạng lưới truyền thông". Hệ thống IoT cho phép vật được cảm nhận hoặc được điều khiển từ xa thông qua hạ tầng mạng hiện hữu, tạo cơ hội cho thế giới thực được tích hợp trực tiếp hơn vào hệ thống điện toán, hệ quả là hiệu năng, độ tin cậy và lợi ích kinh tế được tăng cường bên cạnh việc giảm thiểu sự can dự của con người. Khi IoT được gia cố cảm biến và cơ cấu chấp hành, công nghệ này trở thành một dạng thức của hệ thống ảo- thực với tính tổng quát cao hơn, bao gồm luôn cả những công nghệ như điện lưới 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thông minh, nhà máy điện ảo, nhà thông minh, vận tải thông minh và thành phố thông minh. Mỗi vật được nhận dạng riêng biệt trong hệ thống điện toán nhúng và có khả năng phối hợp với nhau trong cùng hạ tầng Internet hiện hữu.
Các chuyên gia dự báo rằng Internet Vạn Vật sẽ ôm trọn chừng 30 tỉ vật trước năm 2020 [2]. Về cơ bản, Internet vạn vật cung cấp kết nối chuyên sâu cho các thiết bị, hệ thống và dịch vụ, kết nối này mang hiệu quả vượt trội so với kiểu truyền tải máy - máy (M2M), đồng thời hỗ trợ da dạng giao thức, miền (domain), và ứng dụng. Kết nối các thiết bị nhúng này (luôn cả các vật dụng thông minh) được kỳ vọng sẽ mở ra kỷ nguyên tự động hóa trong hầu hết các ngành, từ những ứng dụng chuyên sâu như điện lưới thông minh, mở rộng tới những lĩnh vực khác như thành phố thông minh. IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính.
IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó. Một vật trong IoT có thể là một người với một trái tim cấy ghép; một động vật ở trang trại với bộ chip sinh học; một chiếc xe với bộ cảm ứng tích hợp cảnh báo tài xế khi bánh xe xẹp hoặc bất kỳ vật thể tự nhiên hay nhân tạo nào mà có thể gán được một địa chỉ IP và cung cấp khả năng truyền dữ liệu thông qua mạng lưới. Cho đến nay, IoT là những liên kết máy-đến-máy (M2M) trong ngành sản xuất, công nghiệp năng lượng, kỹ nghệ xăng dầu.
Khả năng sản phẩm được tích hợp máy-đến- máy thường được xem như là thông minh với sự trợ giúp của công nghệ hiện hữu, các thiết bị này thu thập dữ liệu hữu ích rồi sau đó tự động truyền chúng qua các thiết bị khác. Các ví dụ hiện thời trên thị trường bao gồm nhà thông minh được trang bị những tính năng như kiểm soát và tự động bật tắt đèn, lò sưởi (giống như bộ ổn nhiệt thông minh), hệ thống thông gió, hệ thống điều hòa không khí, và 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thiết bị gia dụng như máy giặt/sấy quần áo, máy hút chân không, máy lọc không khí, lò nướng, hoặc tủ lạnh/tủ đông có sử dụng Wi-Fi để theo dõi từ xa. Khi tự động hóa có kết nối internet được triển khai đại trà ra nhiều lĩnh vực, IoT được dự báo sẽ tạo ra lượng dữ liệu lớn từ đa dạng nguồn, kéo theo sự cần thiết cho việc kết tập dữ liệu nhanh, gia tăng nhu cầu đánh chỉ mục, lưu trữ, và xử lý các dữ liệu này hiệu quả hơn. Internet vạn vật hiện nay là một trong các nền tảng của thành phố thông minh, và các hệ thống quản lý năng lượng thông minh.
Các mô hình triển khai ứng dụng IoT 1. Nhà thông minh và tự động hóa trong các tòa nhà Khi thị trường nhà thông minh (smart home) được nhìn nhận để đầu tư và không ngừng phát triển, ngày càng có nhiều ứng dụng tự động hóa trong các tòa nhà xuất hiện, mỗi ứng dụng được thiết kế cho một đối tượng cụ thể. Kết quả là hình thành một số phân khúc thị trường riêng biệt. Các ứng dụng điển hình có xu hướng phát triển liên quan đến vấn đề về an ninh tòa nhà, hiệu quả năng lượng và tiết kiệm năng lượng.
Nhờ có những đổi mới trong điều khiển thiết bị đền chiếu sáng và các gian phòng của toàn nhà, IoT sẽ thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các ứng dụng cho hoạt động tự động hóa tòa nhà. Một ví dụ điển hình của tự động hóa trong ngôi nhà là ứng dụng IoT cho lĩnh vực chăm sóc sức khỏe gia đình, cụ thể là giải pháp trợ giúp IoT đối với những người ít di chuyển (người già) hay người khuyết tật hoặc mãn tính (theo dõi sức khỏe từ xa và theo dõi chất lượng không khí). Nhìn chung, các giải pháp tự động hóa trong các tòa nhà đang bắt đầu hội tụ và cũng đang chuyển từ các ứng dụng hiện tại sang trọng, bảo mật và tiện nghi, sang một loạt các ứng dụng và giải pháp được kết nối; điều này sẽ tạo ra các cơ hội về thị trường ứng dụng IoT. Trong khi các giải pháp nhà thông minh ngày nay chưa có sự hội tụ, các ứng dụng IoT được mong chờ để hướng tới một mức độ tương tác mới giữa các giải pháp nhà thương mại và tòa nhà.
Một số mô hình triển khai ứng dụng nhà thông minh và tự động hóa trong các tòa nhà được minh họa như trong Hình 1. 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Minh họa ứng dụng nhà thông minh và tự động hóa tòa nhà. Thành phố thông minh Thành phố thông minh (smart cities) là hệ sinh thái phức tạp, trong đó chất lượng cuộc sống là một mối quan tâm quan trọng.
Trong môi trường đô thị như vậy, người dân, công ty và cơ quan công quyền trải nghiệm các nhu cầu và yêu cầu cụ thể trong các lĩnh vực như chăm sóc sức khỏe, truyền thông, năng lượng và môi trường, an toàn và dịch vụ công cộng. Một thành phố được nhận thức ngày càng giống như một “sinh vật” đơn lẻ, mà cần phải được giám sát một cách hiệu quả để cung cấp cho công dân thông tin chính xác. Các công nghệ IoT là nền tảng để thu thập dữ liệu về tình trạng thành phố và phổ biến chúng cho công dân. Trong bối cảnh này, các thành phố và khu vực đô thị đại diện cho một khối quan trọng khi nói đến việc định hình nhu cầu về các dịch vụ dựa trên IoT.
11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các thành phần của Thành phố thông minh. Lưới điện thông minh Lưới thông minh (smart grid) là lưới điện bao gồm các hệ thống vận hành, trong đó phải kể đến như đồng hồ thông minh, thiết bị thông minh, tài nguyên năng lượng tái tạo và tài nguyên tiết kiệm năng lượng. Truyền thông trên đường dây điện (PLC) liên quan đến việc sử dụng cáp điện hiện có để vận chuyển dữ liệu và đã được xem xét trong một thời gian dài.
Các tiện ích điện đã sử dụng công nghệ này trong nhiều năm để gửi hoặc nhận (với số lượng hạn chế) dữ liệu trên lưới điện hiện có. Mặc dù truyền thông trên đường dây tải điện hầu như bị hạn chế bởi môi trường lan truyền, người ta có thể sử dụng hệ thống dây dẫn hiện có trong mạng phân phối. Theo các tiêu chuẩn và quy định của liên minh Châu Âu (EU), các công ty tiện ích điện có thể sử dụng PLC để truyền dữ liệu tốc độ bit thấp (với tốc độ dữ liệu thấp hơn 50 Kbps) trong dải tần số từ 3 kHz đến 148 kHz. Công nghệ này mở ra những cơ hội mới và các dạng thức tương tác mới giữa con người và mọi thứ trong nhiều lĩnh vực ứng dụng, như các dịch vụ đo đạc thông minh và báo cáo tiêu thụ năng lượng.
Điều này làm cho PLC trở thành một công cụ hỗ trợ cho cảm biến, điều khiển và tự động hóa trong các hệ thống lớn trải rộng trên các khu vực tương 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đối rộng, chẳng hạn như trong thành phố thông minh và các trường hợp của lưới điện thông minh. Ngoài PLC, người ta cũng có thể áp dụng các công nghệ cho phép cải thiện các quy trình tự động hóa thông minh, như IoT. Chẳng hạn, việc áp dụng công nghệ PLC trong bối cảnh công nghiệp (ví dụ: điều khiển từ xa trong các công ty sản xuất và tự động hóa), mở ra hướng phát triển cho ứng dụng IoT trong công nghiệp. Một số ứng dụng đã được phát triển bởi công nghệ PLC để phục hồi từ các thay đổi mạng (về mặt sửa chữa và cải tiến, loại bỏ vật lý và chức năng truyền tải) giảm thiểu sự đứt quãng đối với truyền dẫn tín hiệu.
Tuy nhiên, ai cũng biết rằng các đường dây tải điện là khác xa so với các kênh lý tưởng để truyền dữ liệu (do sự thay đổi bên trong về vị trí, thời gian, dải tần và loại thiết bị được kết nối với đường dây này). Kết quả là ngày càng nhận được nhiều giới quan tâm đến việc áp dụng chung các mô hình IoT và PLC để cải thiện hiệu lực của truyền thông trên đường dây tải điện.