12 cách thức truyền dữ liệu trong IoT cho các kỹ sư điện

1. Internet of Things là gì?

Internet of Things (IoT)

Internet of Things, hay IoT, internet vạn vật là đề cập đến hàng tỷ thiết bị vật lý trên khắp thế giới hiện được kết nối với internet, thu thập và chia sẻ dữ liệu. Nhờ bộ xử lý giá rẻ và mạng không dây, có thể biến mọi thứ, từ viên thuốc sang máy bay, thành một phần của IoT. Điều này bổ sung sự “thông minh kỹ thuật số” cho các thiết bị, cho phép chúng giao tiếp mà không cần có con người tham gia và hợp nhất thế giới kỹ thuật số và vật lý.

2. Lợi ích của Internet of Things cho doanh nghiệp

Lợi ích của Internet of Things cho doanh nghiệp

Đôi khi được gọi là ngành công nghiệp IoT, lợi ích của IoT cho doanh nghiệp phụ thuộc vào việc triển khai cụ thể, nhưng điều quan trọng là doanh nghiệp nên có quyền truy cập vào nhiều dữ liệu hơn về các sản phẩm của chính họ và hệ thống nội bộ của riêng họ và khả năng thay đổi lớn hơn.

Các nhà sản xuất đang thêm các cảm biến vào các thành phần của sản phẩm để họ có thể truyền lại dữ liệu về cách chúng hoạt động. Điều này có thể giúp các công ty phát hiện ra khi một thành phần có khả năng lỗi và trao đổi nó trước khi nó gây ra thiệt hại. Các công ty cũng có thể sử dụng dữ liệu do các cảm biến này tạo ra để làm cho hệ thống và chuỗi cung ứng của họ hiệu quả hơn, bởi vì họ sẽ có dữ liệu chính xác hơn nhiều về những gì đang thực sự xảy ra.

“Với việc giới thiệu thu thập và phân tích dữ liệu toàn diện, theo thời gian thực, các hệ thống sản xuất có thể trở nên nhanh nhạy hơn đáng kể”,chuyên gia tư vấn McKinsey cho biết.

Việc sử dụng IoT cho doanh nghiệp có thể được chia thành hai phân khúc: các dịch vụ dành riêng cho ngành như cảm biến trong nhà máy phát điện hoặc thiết bị định vị thời gian thực để chăm sóc sức khỏe; và các thiết bị IoT có thể được sử dụng trong tất cả các ngành công nghiệp, như điều hòa không khí thông minh hoặc hệ thống an ninh.

Mặc dù các sản phẩm dành riêng cho ngành sẽ sớm ra mắt, đến năm 2020, Gartner dự đoán rằng các thiết bị công nghiệp chéo sẽ đạt 4,4 tỷ đơn vị, trong khi các thiết bị dành riêng cho ngành dọc sẽ lên tới 3,2 tỷ đơn vị. Người tiêu dùng mua nhiều thiết bị hơn, các doanh nghiệp chi tiêu nhiều hơn: nhóm phân tích nói rằng trong khi chi tiêu của người tiêu dùng cho các thiết bị IoT là khoảng 725 tỷ đô la vào năm ngoái, thì các doanh nghiệp chi cho IoT đạt 964 tỷ đô la. Đến năm 2020, chi tiêu của doanh nghiệp và người tiêu dùng cho phần cứng IoT sẽ đạt gần 3 nghìn tỷ đô la.

Theo IDC, ba ngành công nghiệp dự kiến sẽ chi nhiều nhất cho IoT trong năm 2018 là sản xuất (189 tỷ đô la), vận tải (85 tỷ đô la) và tiện ích (73 tỷ đô la). Các nhà sản xuất sẽ tập trung phần lớn vào việc cải thiện hiệu quả của quy trình và theo dõi tài sản của họ, trong khi hai phần ba chi tiêu IoT bằng vận tải sẽ chuyển sang giám sát vận chuyển hàng hóa, tiếp theo là quản lý đội tàu.

Chi tiêu IoT trong ngành công nghiệp tiện ích sẽ bị chi phối bởi lưới điện thông minh cho điện, gas và nước. IDC đặt chi tiêu cho các lĩnh vực IoT công nghiệp chéo như phương tiện được kết nối và các tòa nhà thông minh, ở mức gần 92 tỷ đô la trong năm 2018.

Thấy được lợi ích cũng như "tương lai" của IoT, BAA sẽ tổng hợp 12 cách thức truyền dữ liệu trong IoT cho các kỹ sư điện - tự động hóa tham khảo khi có nhu cầu thiết kế sản phẩm/giải pháp của mình.

3. 12 cách thức truyền dữ liệu trong IoT

3.1. Wifi

Wifi (là viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11) là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, cũng giống như điện thoại di đông, truyền hình và radio. Kết nôi Wifi thường là sự lựa chọn hàng đầu của rất nhiều kỹ sư giải pháp bởi tính thông dụng và kinh tế của hệ thống wifi và mạng LAN với mô hình kết nối trong một phạm vi địa lý có giới hạn.

Cách thức truyền dữ liệu bằng Wife

Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác. Nó có thể chuyển và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại. Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz. Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình. Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn.

Hiện nay, đa số các thiết bị wifi đều tuân theo chuẩn 802.11n, được phát ở tần số 2.4Ghz và đạt tốc độ xử lý tối đa 300Megabit/giây

Standard: Based on 802.11n (most common usage in homes today)
Frequencies: 2.4GHz and 5GHz bands
Range: Approximately 50m
Data Rates: 600 Mbps maximum, but 150-200Mbps is more typical, depending on channel frequency used and number of antennas (latest 802.11-ac standard should offer 500Mbps to 1Gbps)

3.2. Bluetooth

Một công nghệ giao tiếp truyền thông trong khoảng cách ngắn vô cùng quan trọng, đó là Bluetooth. Hiện nay, bluetooth xuất hiện hầu hết ở các thiết bị như máy tính, điện thoại/ smartphone,....và nó được dự kiến là chìa khóa cho các sản phẩm IoT đặc biệt, cho phép giao tiếp thiết bị với các smartphone - một "thế lực hùng hậu" hiện nay.

Hiện nay, BLE - Bluetooth Low Energy - hoặc Bluethooth Smart là một giao thức được sử dụng đáng kể cho các ứng dụng IoT. Quan trọng hơn, cùng với một khoảng cách truyền tương tự như Bluetooth, BLE được thiết kế để tiêu thụ công suất ít hơn rất nhiều.

Cách thức truyền dữ liệu bằng Bluetooth

Tuy nhiên, BLE không thực sự được thiết kế cho các ứng dụng dùng để truyền file và sẽ phù hợp hơn cho khối dữ liệu nhỏ. Nó có một lợi thế vô cùng lớn trong bối cảnh hiện nay, smartphone đang là thiết bị không thể thiếu được của mỗi người. Theo Bluetooth SIG, hiện có hơn 90% điện thoại smartphone được nhúng Bluetooth, bao gồm các hệ điều hành IOS, Android và Window, và dự kiến đến năm 2018 sẽ là " Smart Ready".

Một số thông tin kỹ thuật về Bluetooth 4.2:

Tần số: 2.4 GHz
Phạm vi: 50-150m ( Smart / BLE)
Dữ liệu truyền được: 1Mbps

3.3. Zigbee

Zigbee, giống như Bluetooth, là một loại truyền thông trong khoảng cách ngắn, hiện được sử dụng với số lượng lớn và thường được sử dụng trong công nghiệp. Điển hình, Zigbee Pro và Zigbee remote control (RF4CE) được thiết kế trên nền tảng giao thức IEEE802.15.4 - là một chuẩn giao thức truyền thông vật lý trong công nghiệp hoạt động ở 2.4Ghz thường được sử dụng trong các ứng dụng khoảng cách ngắn và dữ liệu truyền tin ít nhưng thường xuyên, được đánh giá phù hợp với các ứng dụng trong smarthome hoặc trong một khu vực đô thị/khu chung cư.

Cách thức truyền dữ liệu bằng Zigbee

Zigbee / RF4CE có một lợi thế đáng kể trong các hệ thống phức tạp cần các điều kiện: tiêu thụ công suất thấp, tính bảo mật cao, khả năng mở rộng số lượng các node cao...ví dụ như yêu cầu của các ứng dụng M2M và IoT là điển hình. Phiên bản mới nhất của Zigbee là 3.0, trong đó điểm nổi bật là sự hợp nhất của các tiêu chuẩn Zigbee khác nhau thành một tiêu chuẩn duy nhất. Ví dụ, sản phẩm và kit phát triển của Zigbee của TI là CC2538SF53RTQT Zigbee System-On-Chip T và CC2538 Zigbee Development Kit.

Standard: ZigBee 3.0 based on IEEE802.15.4
Frequency: 2.4GHz
Range: 10-100m
Data Rates: 250kbps

3.4. Z-wave

Tương tự Zigbee, Z-Wave là chuẩn truyền thông không dây trong khoảng cách ngắn và tiêu thụ rất ít năng lượng. Dung lượng truyền tải với tốc độ 100kbit/s, quá đủ cho nhu cầu giao tiếp giữa các thiết bị trong các hệ thống IoT, M2M. Chuẩn kết nối Z-Wave và Zigbee cùng hoạt động với tần số 2.4GHz, và cùng được thiết kế với mức tiêu thụ năng lượng rất ít nên có thể sử dụng với các loại PIN di động.Zwave hoạt động ở tần số thấp hơn so với Zigbee/wifi, dao động trong các dải tần của 900Mhz, tùy theo quy định ở từng khu vực khác nhau.

Ưu điểm của Z-Wave là tiêu thụ năng lượng cực ít và độ mở ( open platform) cực cao. Hiện nay, Z-Wave được ứng dụng chủ yếu trong ứng dụng smarthome. Đặc biệt, mỗi thiết bị Z-Wave trong hệ thống là một thiết bị có thể vừa thu và vừa phát sóng nên tính ổn định hệ thống được nâng cao.

Cách thức truyền dữ liệu bằng Z-Wave

Đặc biệt, Z-Wave đã được nhiều nhà sản xuất thiết bị tích hợp vào, đây là một công nghệ đang được chú ý và các nhà sản xuất đang tập trung nhiều hơn vào nó.

Thông số kỹ thuật cơ bản:

Standard: Z-Wave Alliance ZAD12837 / ITU-T G.9959
Frequency: 900MHz (ISM)
Range: 30m
Data Rates: 9.6/40/100kbit/s

3.5. 6LoWPAN

6LoWPAN là tên viết tắt của IPv6 protocol over low-power wireless PANs ( tức là: sử dụng giao thức IPv6 trong các mạng PAN không dây công suất thấp). 6LoWPAN được phát triển bởi hiệp hội đặc trách kỹ thuật Internet IETF ( Internet Engineering Task Foce), cho phép truyền dữ liệu qua các giao thức IPv6 và IPv4 trong các mạng không dây công suất thấp với các cấu trúc mạng điểm - điểm ( P2P: point to point ) và dạng lưới ( mesh). Tiêu chuẩn được đặt ra để quy định các đặc điểm của 6LoWPAN - cho phép sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT.

Cách thức truyền dữ liệu bằng 6LoWPAN

Điểm khác của 6LoWPAN so với Zigbee, Bluetooth là: Zigbee hay bluetooth là các giao thức ứng dụng, còn 6LoWPAN là giao thức mạng, cho phép quy định cơ chế đóng gói bản tin và nén header. Đặc biệt, IPv6 là sự kế thừa của IPv4 và cung cấp khoảng 5 x 1028 địa chỉ cho tất cả mọi đối tượng trên thế giới, cho phép mỗi đối tượng là một địa chỉ IP xác định để kết nối với Internet.

Được thiết kế để gửi các bản tin IPv6 qua mạng IEEE802.15.4 và các tiêu chuẩn IP mở rộng như: TCP, UDP, HTTP, COAP, MQTT và Websocket, là các tiêu chuẩn cung cấp nodes end-to-end, cho phép các router kết nối mạng tới các IP.

Standard: RFC6282.
Frequency: (adapted and used over a variety of other networking media including Bluetooth Smart (2.4GHz) or ZigBee or low-power RF (sub-1GHz).
Range: N/A.
Data Rates: N/A

3.6. Thread

Cách thức truyền dữ liệu bằng Thread

Thread là một giao thức IP mới, dựa trên nền tảng mạng IPv6 được thiết kế riêng cho mảng tự động hóa trong các tòa nhà và nhà. Nó không phải là một giao thức được yêu thích để ứng dụng trong các bài toán IoT như Zigbee hay Bluetooth.

Tiêu chuẩn: Theard, dựa trên IEEE802.15.4 và 6LowPAN.
Tần số: 2.4GHz (ISM).
Phạm vi: N / A

3.7. Cellular

Với các ứng dụng IoT/M2M yêu cầu khoảng cách truyền thông dài, hoặc không bị giới hạn bởi khoảng cách địa lý thì việc lựa chọn đường truyền dữ liệu thông qua mạng điện thoại di động GPRS/3G/LTE là một lựa chọn sáng suốt. Tất nhiên, đối với các kỹ sư thiết kế giải pháp,ai cũng hiểu rằng, truyền dữ liệu đi xa thì sẽ tốn năng lượng tương ứng. Và yếu tố tiêu hao năng lượng dễ được chấp nhận trong bài toán này.

Cách thức truyền dữ liệu bằng Cellular

Hiện nay, các thiết bị/các điểm đầu cuối trong công nghiệp đều được hỗ trợ tích hợp các cổng giao tiếp vật lý theo chuẩn như: RS232 , RS485, RS422 hay Ethernet. Các phương tiện truyền thông qua mạng di động đều hỗ trợ đầu vào là các cổng Serial hay Ethernet nên việc tích hợp giải pháp truyền thông không dây không còn khó khăn hay bị giới hạn bởi yếu tố khách quan nào khác.

Standard: GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G)
Frequencies: 900/1800/1900/2100MHz
Range: 35km max for GSM; 200km max for HSPA
Data Rates (typical download): 35-170kps (GPRS), 120-384kbps (EDGE), 384Kbps-2Mbps (UMTS), 600kbps-10Mbps (HSPA), 3-10Mbps (LTE)

3.8. NFC

Cách thức truyền dữ liệu bằng NFC

NFC (Near-Field Communications) là công nghệ kết nối không dây trong phạm vi tầm ngắn trong khoảng cách 4 cm. Công nghệ này sử dụng cảm ứng từ trường để thực hiện kết nối giữa các thiết bị (smartphone, tablet, loa, tai nghe …) khi có sự tiếp xúc trực tiếp (chạm).

Khi hai thiết bị đều có kết nối NFC, bạn có thể chạm chúng vào nhau để kích hoạt tính năng này và nhanh chóng truyền tập tin gồm danh bạ, nhạc, hình ảnh, video, ứng dụng hoặc địa chỉ website... Ở các nước phát triển, NFC còn được xem là chiếc ví điện tử khi có thể thanh toán trực tuyến, tiện lợi và nhanh chóng.

Ngoài việc giúp truyền tải dữ liệu như trên thì NFC còn mở rộng với những công dụng ví dụ như bạn đến quán café có một thẻ NFC để trên bàn, trong thẻ này đã cài đặt sẵn wifi, thông tin của quán…lúc này bạn lấy chiếc điện thoại chạm vào NFC này thì máy sẽ bật tất cả tính năng được cài sẵn trong thẻ đó mà không cần phải nhờ gọi nhân viên. Hoặc tiên tiến hơn thì sau này có thể khi mua đồ trong siêu thị lớn thì quẹt NFC của điện thoại để thanh toán tiền luôn.

Standard: ISO/IEC 18000-3
Frequency: 13.56MHz (ISM)
Range: 10cm
Data Rates: 100–420kbps

3.9. Sigfox

Sigfox là hệ thống giống như mạng di động, sử dụng công nghệ Ultra Band ( UNB) để kết nối các thiết bị từ xa. Mục tiêu của công nghệ là sử dụng trong các ứng dụng truyền thông với tốc độ thấp, khoảng cách truyền xa và mức tiêu thụ năng lượng cực thấp. Ngoài ra, nó đòi hỏi yêu cầu về antenna thấp hơn so với mạng di động GSM/CDMA. Sigfox sử dụng các dải tần ISM được sử dụng miễn phí mà không cần phải được cấp phép để truyền dữ liệu.

Cách thức truyền dữ liệu bằng SigFox

Ý tưởng ra đời của Sigfox được hình thành từ nhu cầu: Đối với các ứng dụng M2M sử dụng nguồn bằng Pin và chỉ đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu thấp thì phạm vi truyền của Wifi lại quá ngắn, còn với mạng di động thì lại quá đắt đỏ và tốn năng lượng. Với công nghệ UNB, và được thiết kế để chỉ xử lý đường truyền dữ liệu từ 10 đến 1000 bit trên giây, giúp chỉ tiêu thụ mức năng lượng 50 microwatts so với 5000 microwatts của việc dùng mạng điện thoại di động. Hay đơn giản, với một cục pin 2,5Ah thì với công nghệ Sigfox cho phép bạn dùng tới 25 năm thay vì 0,2 năm nếu dùng truyền thông qua mạng điện thoại di động.

3.10. Neul

Cách thức truyền dữ liệu bằng Neul

Tương tự Sigfox và hoạt động ở băng tần 1Ghz, với mục tiêu cung cấp một mạng không dây có chi phí thấp với các đặc trưng tiêu biểu: độ mở rộng cao, phủ sóng cao và tiêu thụ năng lượng cực thấp. Neul sử dụng chip Iceni, mà trong truyền thông sử dụng "the white space radio" để truy cập vào băng tần UHF chất lượng cao hiện đang có sẵn do sự chuyển đổi từ kỹ thuật ti vi tương tự sang kỹ thuật số. Công nghệ truyền thông được gọi là "Weightless", tức là một công nghệ mạng không dây phủ trên diện rộng, được thiết kế cho các ứng dụng Iot, cạnh tranh trực tiếp với các giải pháp đang có sẵn như GPRS, 3G, CDMA và LTE WAN. Tốc độ truyền dữ liệu có thể dao động từ vài bits trên giây tới 100kbps trên cùng một liên kết, và đặc biệt là với công nghệ này, thiết bị có thể tiêu thụ công suất rất nhỏ, từ 20 tới 30mA từ pin 2xÂ, tức là có thể sử dụng đươc từ 10 đến 15 năm với cục pin.

3.11. LIFI

LIFI là một công nghệ không dây sử dụng các bóng đèn LED để truyền dữ liệu với tốc độ nhanh hơn Wifi tới 100 lần. Như vậy, với bóng đèn LED với chức năng thắp sáng, giờ có thêm chức năng truyền dữ liệu tốc độ cao.

Cách thức truyền dữ liệu bằng LI-FI

Li-Fi sử dụng dải tần ánh sáng mà mắt người nhìn thấy được để làm phương tiện truyền dữ liệu. Tuy vậy, người dùng không thể sử dụng bất kỳ nguồn ánh sáng đèn điện nào mà phải cần một nguồn sáng riêng để điều biến tín hiệu, tạo thành luồng dữ liệu. Hiện thời, tính năng này chỉ thực hiện được với các bóng đèn LED đạt chuẩn, có tích hợp một chip đặc biệt và có thêm một bộ nhận tín hiệu ánh sáng đặc biệt để có thể giải mã được tín hiệu ánh sáng truyền đi từ đèn LED.

Kỹ thuật điều biến ánh sáng không ảnh hưởng gì đến sức khỏe con người, nhất là về mắt. Giáo sư Haas giới thiệu công nghệ này tại diễn đàn TED Global hồi năm 2011, cho rằng chúng ta thậm chí có thể giảm độ sáng của đèn thật thấp đến mức gần như là tắt, nhưng tín hiệu truyền dữ liệu vẫn hoạt động như thường.

Năm 2011, Haas đã trình diễn mẫu thiết bị của ông trên bục diễn thuyết của TED. Từ đó, ông đồng sáng lập ra công ty khởi nghiệp pureLiFi và sản xuất được hai sản phẩm truyền dữ liệu bằng ánh sáng. Nếu Li-Fi được ứng dụng rộng rãi, công nghệ này có thể giải quyết được một số rắc rối mà Wi-Fi gặp phải hiện nay. Ngoài tốc độ kết nối, sóng radio phải có đủ dải tần để nhiều thiết bị cùng kết nối một lúc. Với Li-Fi thì không gặp khó khăn này vì dải tần ánh sáng lớn hơn gấp 10.000 lần so với dải tần radio.

Trong khi Li-Fi tỏ ra đầy tiềm năng nhưng nó cũng có những hạn chế nhất định, quan trọng nhất là ánh sáng không thể đi xuyên tường được như sóng radio, nghĩa là thiết bị phải ở đâu nhìn thấy được. Hơn nữa, để chắn sóng Li-Fi, người dùng đơn giản chỉ cần bịt bóng đèn lại là dữ liệu gặp rắc rối ngay lập tức. Li-Fi cũng không hoạt động được ngoài trời nắng vì ánh sáng đèn LED không thể sáng hơn được ánh mặt trời.

3.12. LoRa

LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012. Với công nghệ này, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu. Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như sensor network trong đó các sensor node có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động với battery trong thời gian dài trước khi cần thay pin.

Cách thức truyền dữ liệu bằng LoRa

LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum. Có thể hiểu nôm na nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (cái này gọi là chipped); sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi.

Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơn nữa LoRa không cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu Lora có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh.

LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum. Có thể hiểu nôm na nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (cái này gọi là chipped); sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi.

Liên hệ để được tư vấn chi tiết: 0936.985.256