Công nghệ kết nối không dây trong giám sát và điều khiển thông minh mọi đối tượng

Trong thời gian gần đây hệ thống kết nối không dây đã và đang được phát triển mạnh mẽ, cho phép kết nối giám sát và điều khiển mọi đối tượng một cách linh hoạt. Khái niệm smart home (ngôi nhà thông minh), city home (thành phố thông minh) trở nên quen thuộc với mọi người. Bài báo sau đây trình bày vắn tắt các đặc điểm của các công nghệ kết nối đi từ kết nối có dây đến kết nối không dây.

1. BẮT ĐẦU TỪ KẾT NỐI CÓ DÂY

Việc sử dụng dây dẫn làm phương tiện kết nối được hình thành ngay từ khởi đầu của các mạng thông tin liên lạc. Hai tiêu chuẩn quan trọng của hệ thống truyền thông là tốc độ tính bằng kilôbit trên giây (Kbpc) và dải thông tính bằng MHz. Ngày nay hệ thống truyền thông có dây thường sử dụng hai công nghệ chính là: Truyền dẫn thông tin trên đường dây tải điện PLC (Power Line Communication) và Hệ thống cáp sợi quang.

1.1 Hệ thống kết nối bằng đường dây tải điện

Hệ thống kết nối sử dụng đường dây tải điện Power Line Carrier (PLC) sử dụng đường dây tải điện làm phương tiện truyền tải tín hiệu. Nguyên lý của của hệ thống này được minh họa trên hình 1.

Đường dây tải điện mang dòng điện tần số tiêu chuẩn 50Hz được sử dụng như sóng mang. Tín hiệu thông tin tần số (2-30)MHz được điều biến với sóng mang này và được truyền trên đường dây của hệ thống điện lực cao áp, trung và hạ áp có mặt trên mọi miền lãnh thổ. Tại trạm gốc cuối đường dây, bộ giải điều chế phân tách và lọc tín hiệu mang thông tin này được biểu diễn trên hình 2.

PLC - Powerline Carrier trên đường dây tải điện cao áp 110-220 kV thường sử dụng dải tần hẹp (9-500) kHz với tốc độ dưới 100Kbps. Kênh này trước đây thường dùng cho việc giám sát và điều khiển các trạm đóng cắt, đo lường và bảo vệ. Do hạn chế dải thông nên ngày nay kênh này thường được thay thế bằng cáp quang.

BPL - Broadband over Powerline có dải thông rộng nên thường cung cấp dịch vụ truy cập Internet băng rộng đến tận nhà bằng việc sử dụng các phương pháp điều chế số trên dải tần còn lại của đường dây điện. Thiết bị Powerline Adapter Kit sử dụng dây dẫn điện trong nhà để mở rộng mạng gia đình mà không cần thêm dây. Chỉ cần cắm thiết bị Powerline PLC vào ổ cắm điện, ngay lập tức thiết lập một cơ sở hạ tầng mạng với tốc độ cao, truyền dữ liệu tốc độ lên tới 500Mbps để sử dụng dịch vụ IPTV.

DCL - Distribution Line Carrier là hệ thống PLC dải tần hẹp (9-500) kHz với tốc độ dưới 576 Kbps sử dụng đường dây trung áp 22kV hoặc hạ áp, rất thích hợp cho việc quản lý hệ thống điện thời gian thực.

LSPL - Low Speed Powerline như các mạng Lonworks, PowerBUS, X10, INSTEON sử dụng dải tần hẹp từ (9-148,5) kHz truyền tải dữ liệu tốc độ dưới 9,6 Kbps, do giá rẻ hơn nên công nghệ này được ứng dụng nhiều trong tự động hóa tòa nhà.

1.2 Công nghệ sợi quang

Nguyên lý phản xạ toàn phần đã được nhà khoa học Anh John Tyndall phát hiện từ năm 1854 khi cho ánh sáng chiếu qua một tia nước, tia sáng bị bẻ cong và trở lại nền nhà. Tyndall nhận thấy ánh sáng có thể được truyền dọc theo tia nước. Năm 1934, Norman French, kỹ sư người Mỹ đã nhận được bằng sáng chế về hệ thống thông tin quang với phương tiện truyền dẫn là các thanh thủy tinh. Năm 1966, Charles Kao và George Hocchan người Anh đã đề xuất dùng sợi thủy tinh để truyền dẫn ánh sáng nhưng do hạn chế về công nghệ lúc đó sợi quang có suy hao tới 1000 dB/km. Năm 1970, hãng Corning Glass đã chế tạo thành công sợi quang SI có suy hao nhỏ hơn 20 dB/km. Năm 1972, người ta đã chế tạo sợi quang có suy hao 4 dB/km. Sợi quang (hình 3) gồm lõi silica hoặc plastic có đường kính khoảng (10-100) µm. Bên ngoài là lớp cladding bằng vật liệu dẫn quang đường kính 125 µm dùng mục đích phản xạ tia sáng. Tiếp theo là các lớp bảo vệ tạo độ bền cơ học. Cấu tạo của cáp sợi quang được cho trên hình 4 gồm bó sợi quang giữa là chất nhồi.

Sơ đồ khối của hệ thống truyền dẫn quang được cho trên hình 5. Trên hình 5 các linh kiện biến đổi quang điện đặt ở hai đầu sợi quang gồm: - Linh kiện biến đổi tín hiệu điện sang tín hiệu quang có nhiệm vụ điều biến tín hiệu theo ánh sáng phát từ nguồn quang chủ yếu là LASER và LED. Ánh sáng điều biến mang tín hiệu được truyền trên sợi quang với khoảng cách xa và suy hao rất nhỏ. Ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm trong vùng cận hồng ngoại, thường có bước sóng 850, 1300 và 1550 nm. 

- Linh kiện thu quang biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, được khuếch đại, sau đó được phục hồi thành tín hiệu điện

Sự truyền dẫn tín hiệu ánh sáng qua sợi quang được thể hiện trên hình 6. Có hai loại sợi quang:

- Sợi quang đơn mode SI có lõi nhỏ 8 µm, chiết suất ít thay đổi, tín hiệu truyền theo phương song song trục. Tín hiệu ra ít méo dạng, thường được sử dụng cho truyền dẫn khoảng cách xa hàng nghìn km, phổ biến trong điện thoại, truyền hình cáp truyền xa hàng trăm km mà không cần khuếch đại.

- Sợi quang đa mode (multimode) lõi lớn 125 µm, sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu trong khoảng cách ngắn, bao gồm 2 loại:

• Multimode stepped index chiết suất nhảy bậc. Các tia sáng có thể truyền theo đường thẳng hoặc zig-zag, tín hiệu ra thành chùm riêng rẽ dễ bị méo dạng. Sử dụng phổ biến trong các đèn nội soi.

• Multimode graded index có chiết suất liên tục giảm dần từ trong ra ngoài cladding. Các tia gần trục truyền chậm hơn các tia gần cladding. Các tia theo đường cong thay vì zig-zag. Các chùm tia tại điểm hội tụ, vì vậy tín hiệu ra ít bị méo dạng được sử dụng chủ yếu trong các mạng LAN.

Sự truyền dẫn tín hiệu ánh sáng trong sợi quang với các mode khác nhau được biểu diễn trên hình 6.

So với truyền thông tin bằng dây dẫn, việc truyền dẫn bằng sợi quang có những ưu điểm nổi bật: - Suy hao thấp cho phép kéo dài cự ly truyền dẫn; - Dải thông rất rộng, có thể thiết lập đường truyền tốc độ cao; - Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, dễ dàng lắp đặt; - Không bị can nhiễu do trường điện từ; - Hiện tượng xuyên âm giữa các sợi quang không đáng kể; - Vật liệu chế tạo sợi quang rất sẵn trong thiên nhiên; - Nhược điểm cơ bản của sợi quang là khó nối khi cần sửa chữa.

2. KẾT NỐI KHÔNG DÂY

Với sự phát triển vượt bậc của công nghệ phần cứng máy tính, cho phép thực hiện kết nối không dây mọi vật. Các smartphone có đầy đủ tính năng như một máy tính cho nên người ta đã khai thác triệt để smartphone để ứng dụng chúng cho việc giám sát và điều khiển mọi đối tượng một cách thông minh.

Mạng không dây là hệ thống các thiết bị được nhóm lại với nhau, có khả năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì đường truyền dẫn bằng dây. Hiện nay khá nhiều phương thức truyền thông không dây được sử dụng để truyền nhận dữ liệu đã được áp dụng để điều khiển các đối tượng thông minh, phải kể đến như Bluetooth, Wifi, Zigbee, SMS, RF, hồng ngoại. Các phương thức kết nối điều khiển không dây phổ biến là:

2.1 Kết nối BLUETOOTH: là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử có thể giao tiếp với nhau trong khoảng cách ngắn, bằng sóng vô tuyến qua băng tần chung ISM trong dải tần (2,4- 4,48) MHz. Mục đích của Bluetooth dùng để thay thế cáp nối giữa máy tính và các thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện tử với nhau một cách thuận tiện, giá thành rẻ.

Kiến trúc Bluetooth (hình 7) gồm 3 tầng: bộ điều khiển (Controller) thường là thiết bị vật lý có khả năng truyền và nhận các gói tin dưới dạng tín hiệu vô tuyến; chủ (Host) thường là một phần mềm quản lý việc truyền thông giữa các thiết bị; ứng dụng (Application).

Đặc điểm: Tiêu thụ năng lượng thấp, ứng dụng được nhiều loại thiết bị, giá thành rẻ, dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng, an toàn và bảo mật cao, tính tương thích cao nên được nhiều nhà sản xuất phần cứng và phần mềm hỗ trợ. Tuy nhiên, có nhược điểm là khoảng cách giao tiếp ngắn, dễ bị nhiễu, bắt sóng kém khi có vật cản, thiết lập kết nối tương đối lâu.

Ứng dụng: Bluetooth được ứng dụng rộng rãi trong đời sống như thiết bị truyền dữ liệu, thiết bị truyền thanh, thiết bị di động, các ứng dụng nhúng,... Ngoài ra Bluetooth còn được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực điều khiển các thiết bị thông minh bằng điện thoại di động (hình 8).

Trong đó: bộ điều khiển sẽ chứa một module Bluetooth có chức năng tạo kết nối và nhận dữ liệu từ smartphone. Kết nối giữa điện thoại và bộ điều khiển là kết nối điểm - điểm, tức là muốn máy điện thoại khác điều khiển được thì máy điện thoại hiện tại đang điều khiển phải ngắt kết nối với bộ điều khiển trung tâm. Kết nối này được bảo mật bằng một mã Pincode. Khoảng cách điều khiển giữa điện thoại và thiết bị khoảng 20m nếu không có vật cản.

Xu hướng phát triển của công nghệ Bluetooth

Bluetooth phiên bản 4.1: Phiên bản 4.1 được đánh giá là mang tính cách mạng hứa hẹn nhiều ứng dụng mới. Ưu điểm của phiên bản 4.1 so với các phiên bản trước là:

o Tăng khả năng chung sống;

o Khả năng kết nối thông minh;

o Cải thiện khả năng truyền dữ liệu;

o Công nghệ Bluetooth Low Energy (BLE) tiết kiệm điện tới 4 lần.

Hiện nay, đã có một số hãng (Qualcomm) phát triển công nghệ Bluetooth cấu hình thành mạng mesh giúp cho việc điều khiển nhiều các thiết bị khác nhau cùng một lúc thay vì điều khiển từng thiết bị đơn lẻ.

2.2 Wifi: Viết tắt của từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống như điện thoại, truyền hình và radio (hình 9). Hầu hết các thiết bị điện tử ngày nay như máy tính, điện thoại, tivi,… đều có thể kết nối Wifi.

Ưu điểm của công nghệ kết nối WIFI:

- Thuận tiện: Cho phép truy xuất tài nguyên ở bất cứ vị trí nào;

- Khả năng di động: Với sự phát triển của các mạng không dây công cộng, người dùng có thể truy cập Internet ở bất cứ đâu;

- Hiệu quả: Người dùng có thể duy trì kết nối mạng khi họ đi từ nơi này sang nơi khác; - Khả năng mở rộng: Mạng không dây có thể đáp ứng tức thì khi gia tăng số lượng kết nối.

Nhược điểm của WIFI:

- Tính bảo mật kém;

- Phạm vi sử dụng khá hẹp, thường trong một căn nhà vừa và nhỏ;

- Độ tin cậy không cao: vì sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông nên dễ bị nhiễu, tín hiệu bị suy giảm do tác động của các thiết bị khác là không tránh khỏi.

Ứng dụng:

- Biến điện thoại di động thành bộ điều khiển từ xa;

- Chia sẻ dữ liệu giữa các máy tính; - Trong căn hộ, doanh nghiệp, chăm sóc sức khỏe, du lịch,...

Cách thức hoạt động: Người dùng sẽ kết nối với mạng không dây qua cổng mạng, và sau đó nó sẽ khởi chạy trình duyệt Internet:

- Đường truyền tốc độ cao;

- Cổng mạng;

- Mạng LAN không dây là một hệ thống kết nối máy tính của bạn với các thiết bị khác bằng sóng vô tuyến thay vì dây dẫn;

- Người dùng không dây là những người mà có một máy tính với một adapter không dây, là những phương tiện để họ truy cập không dây vào Internet. Adapter không dây có thể được tích hợp sẵn hoặc là một thiết bị rời sẽ được cắm vào máy tính.

Mô hình sử dụng Wifi: Trên hình 10 là mô hình hệ thống sử dụng Wifi gồm thiết bị phát sóng kết nối với Swich/HUB qua Modem đến Internet. Các Laptop được kết nối qua cáp còn các smarphone được kết nối qua RF.

Ứng dụng của Wifi trong việc biến điện thoại thành điều khiển từ xa được biểu diễn trên sơ đồ khối hình 11.

Điều khiển đơn lẻ: Đối với những yêu cầu chỉ cần điều khiển một thiết bị đơn lẻ bằng Wifi thì việc dùng sơ đồ khối trên là hợp lý. Trong đó, Gateway thường là một module Wifi nhận lệnh điều khiển từ điện thoại di động. Module Wifi thường dùng là ESP8266.

Điều khiển tập trung nhiều thiết bị: Mỗi thiết bị cần điều khiển được định tuyến bằng một địa chỉ IP và một port thông qua router. Để điều khiển thiết bị smartphone phải tạo kết nối được với thiết bị đó, phương thức chủ yếu sử dụng là TCP/IP như hình 12 và 13. Xu hướng phát triển của phương thức Wifi: Mạng không dây là một bước đột phá của ngành mạng máy tính. Cùng với sự phát triển của công nghệ Wifi, một số lượng lớn các thiết bị Wifi đã được bán ra thị trường. Tuy nhiên, theo các nhà phân tích, tương lai của mạng không dây lại thuộc về WiMax, công nghệ truyền thông không dây bằng nhiều cách khác nhau. Người ta chỉ ra rằng chỉ 5 năm nữa, WiMax sẽ chiếm lĩnh thị trường giống như những gì đang diễn ra với các thiết bị wifi. Với WiMax, người dùng có thể truy cập ở bất cứ đâu giống như mạng điện thoại trong khi wifi chỉ cho phép truy cập ở những địa điểm cố định có thiết bị hotspot (giống như buồng điện thoại công cộng).