Lập trình

1.  Internet of Things (IoT) là gì

1.1.1. Internet of Everything (IoE)

Khái niệm về IoE nổi lên như một sự phát triển tự nhiên IoT và kết hợp rộng với chiến thuật của Cisco System để thiết lập một miền thị trường mới [37]. IoE bao gồm 4 thành phần chính:

• Con người: sử dụng các thiết bị đầu cuối kết nối với Internet để chia sẻ thông tin và các hoạt động của họ. Ví dụ chia sẻ thông tin trên các trang mạng xã hội và hoạt động liên quan sức khoẻ...
• Vật: các cảm biến, các thiết bị vật lý và các vật khác tạo ra dữ liệu hay nhận thông tin từ các nguồn khác nhau. Ví dụ bộ điều chỉnh nhiệt độ và thiết bị điện tử thông minh.
• Dữ liệu – dữ liệu thô được phân tích và xử lý thành thông tin có ích để đưa ra các quyết định thông minh và để điều khiển thiết bị. Ví dụ từ việc ghi các thông số về nhiệt độ trong phòng thường xuyên, thực hiện chuyển đổi thành số giờ nhiệt độ cao trung bình trong ngày để ước lượng yêu cầu làm mát phòng đó.
• Quy trình: tăng khả năng kết nối giữa dữ liệu, đồ vật và con người để thêm giá trị. Ví dụ, việc sử dụng các thiết bị cân nặng thông minh và các trang mạng xã hội để quảng cáo việc chăm sóc sức khoẻ nhằm chào mời các khách hàng.

IoE thiết lập hệ thống kết nối thiết bị đầu cuối này với thiết bị đầu cuối khác bao hàm các công nghệ, xử lý, và mô hình hoá được sử dụng trên tất cả các trường hợp sử dụng kết nối.  

1.1.2. Internet of Things (IoT)

Ngay từ thời kỳ sơ khai của Internet, khi các nhà phát minh mong muốn kết nối tất cả mọi thứ qua một mạng lưới đồng nhất để có thể điều khiển chúng phục vụ cho mục đích của con người, đây được xem như một dạng biểu hiện của IoT.

Theo định nghĩa của Nhóm các dự án nghiên cứu Châu Âu [29]:

“Things” là các thành phần “tích cực” có mặt trong các lĩnh vực đời sống – xã hội, ở đó chúng có thể tương tác, liên lạc với nhau và với môi trường bằng sự trao đổi dữ liệu và trao đổi thông tin cảm nhận được từ môi trường. Việc trao đổi, tương tác và liên lạc với nhau có thể không cần sự can thiệp của con người.

Theo định nghĩa từ Wikipedia: Internet of Things (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.

Như vậy có thể tạm hiểu, Internet of Things là khi tất cả mọi thứ đều được kết nối với nhau qua mạng Internet, người dùng (chủ) có thể kiểm soát mọi đồ vật của mình qua mạng mà chỉ bằng một thiết bị thông minh, chẳng hạn như smartphone, tablet, PC hay một chiếc đồng hồ đeo tay thông minh.

1.1.3. Các thành phần của IoT

IoT có ba thành phần chính gồm: phần cứng, phần mềm trung gian giữa máy khách và cơ sở dữ liệu, phần hiển thị.

Trong đó, phần cứng có thiết bị cảm biến (sensor), thiết bị truy nhập, phần cứng về truyền thông; phần mềm trung gian thể hiện nhu cầu lưu trữ và các công cụ tính toán cho việc phân tích dữ liệu; phần hiển thị - các công cụ trực quan, dễ hiểu và giải thích rõ ràng mà có thể được truy cập rộng rãi trên các nền tảng khác nhau và có thể được thiết kế cho các ứng dụng khác nhau.

Kiến trúc IoT được đại diện cơ bản bởi 4 phần: Vạn vật (Things), Trạm kết nối (Gateway), hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud) và các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services – creation and Solution Layers).

Về vạn vật (Things) như đã định nghĩa ở 1.1.2.

Trạm kết nối: một rào cản chính khi triển khai IoT đó là gần 85% các vận dụng đã không được thiết kế để có thể kết nối với Internet và không thể chia sẻ dữ liệu với điện toán đám mây, để khắc phục vấn đề này, các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng đã có này kết nối với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý.

Hạ tầng mạng và điện toán đám mây: về cơ sở hạ tầng kết nối, Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IP được kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính, cơ sở hạ tầng mạng này bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiết bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ; trung tâm dữ liệu/hạ tầng điện toán đám mây: gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ và mạng ảo hoá được kết nối.

Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ: là các giao diện lập trình ứng dụng cung cấp khả năng truy xuất đến một tập các hàm hay dùng, tuỳ vào hệ điều hành khác nhau có những bộ giao diện này khác nhau.

1.1.4. Công nghệ mạng sử dụng trong IoT

Khi các thiết bị IoT kết nối mạng Internet vấn đề đặt ra sẽ lựa chọn công nghệ mạng nào. Dưới đây đưa ra những ưu và nhược điểm của một số công nghệ mạng tiêu biểu, từ đó các nhà phát triển IoT có cơ sở để chọn công nghệ mạng cho các sản phẩm của công ty mình. 

Các nhà cung cấp dịch vụ mạng Internet ( Internet Service Providers)

Nhà cung cấp dịch vụ mạng Internet kết nối các văn phòng và nhà riêng với mạng Internet và thực hiện lưu lượng mạng và chuyển tiếp kết nối tới các mạng khác cho đến khi kết nối tới đích mong muốn.

Các kết nối IoT không dây và có dây

Nhà riêng, văn phòng hay một thiết bị IoT có kết nối mạng Internet có thể kết nối với Internet thông qua kết nối có dây và không dây. Nếu kết nối có dây, về cơ bản sẽ kết nối trực tiếp tới bộ định tuyến Internet, và thiết bị cố định. Một thiết bị kết nối không dây có thể có bộ điều chế/giải điều chế di động, một bộ định tuyến không dây hay công nghệ kết nối khác, cho phép thiết bị có thể di động.

Tuy nhiên khả năng kết nối phụ thuộc vào nơi có đường ISP đến, và các thiết lập phức tạp.

Trong tương lai hứa hẹn sự đa dạng về các công nghệ kết nối không dây như 4G LTE (4^th Generation Long Term Evolution), thậm chí 5G (5^th Generation). Các mạng phạm vi rộng năng lượng thấp (LPWAN: Low Power Wide Area Networks) cũng đang được triển khai, cung cấp thông tin liên lạc tầm xa tương tự như mạng tế bào truyền thống.

1.1.5. Mã hoá nội dung

                    Việc các thiết bị kết nối với mạng Internet xảy ra nguy cơ bị đánh cắp thông tin cao. Tuỳ vào nội dung của tin tức cần truyền đi mà thực hiện việc mã hoá nội dung.

                    Khi một thiết bị truyền dữ liệu đến các máy chủ, nhận các yêu cầu và hướng dẫn từ máy chủ, định dạng là yêu cầu cho thông tin gửi đi cho cả hai chiều. Trong tất cả các ứng dụng, các thiết bị và máy chủ phải thống nhất về định dạng và thông tin được gửi.

                    Các định dạng độc quyền: các thiết bị cho ứng dụng cụ thể và máy chủ có thể sử dụng một định dạng độc quyền cho mã hoá dữ liệu. Điều này cho phép các thiết bị và các máy chủ mã hoá và dịch nội dung theo cách duy nhất với nhu cầu của ứng dụng đó và thường xuyên có thể giảm thiểu số lượng dữ liệu được gửi đi trong phiên kết nối. Các định dạng độc quyền khó khăn trong thực hiện bước đầu, do chúng phải hoàn thành tương đối đầy đủ cho các ứng dụng để phát triển. Ngoài ra cũng khó khăn trong việc duy trì và cập nhật sau đó nếu cần thiết phải thay đổi. Hầu hết các định dạng độc quyền có xu hướng không thể mở rộng.   

                    Các định dạng công nghiệp phổ thông cho IoT: ngoài các định dạng độc quyền và các định dạng chuẩn ban đầu như ngôn ngữ đánh dấu mở rộng (Extended Markup Language XML), có một số định dạng công nghiệp và giao thức sử dụng cho liên lạc dữ liệu IoT/M2M cho nhu cầu thông báo, ví dụ như JavaScript Object Notation (JSON), Constrained Application Protocol (CoAP), Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), Extensible Messaging and Presence Protocol (XMPP). Các giao thức này được chia làm hai loại: con người có thể đọc được (JSON, XMPP) và con người không thể đọc được (CoAP, MQTT). Mỗi định dạng và giao thức có ưu và nhược điểm khi áp dụng vào IoT. Lựa chọn cụ thể phụ thuộc vào yêu cầu của ứng dụng, băng thông của mạng truyền thông, thiết bị từ xa…

1.1.6. Vai trò của điện toán đám mây đối với sự phát triển IoT

                    Trong những năm gần đây, cụm từ gọi là “điện toán đám mây” hoặc đơn giản là “đám mây” đã được đặt ra để mô tả các hệ thống cho phép xử lý và lưu trữ thông tin, dữ liệu trong trung tâm dữ liệu cực kỳ lớn với khoản chi phí nhất định. Các nguồn điện toán khổng lồ (phần mềm, dịch vụ…) sẽ được đặt tại những máy chủ ảo (đám mây) trên Internet thay vì đặt trong các máy tính văn phòng, gia đình…(dưới đất) để mọi người kết nối và sử dụng bất cứ khi nào, bất cứ ở đâu và từ bất kỳ thiết bị nào. Các nhà cung cấp đám mây cung cấp khả năng và sự linh hoạt để bắt đầu và dừng tính toán, lưu trữ và tài nguyên mạng dựa trên nhu cầu cụ thể về khách hàng và các ứng dụng sử dụng các dịch vụ đám mây này. 

                    Giữa IoT và điện toán đám mây có mối quan hệ chặt chẽ. Theo [39] khi cả 2 công nghệ này kết hợp với nhau tạo ra sự đổi mới mạnh mẽ và sẽ tiếp tục thay đổi cách chúng tương tác với nhau và thay đổi cách lưu trữ, quản lý và sử dụng thông tin.   

                    Để khởi động IoT là không dễ dàng. Thứ nhất, lo lắng về vấn đề phần cứng hoặc thiết bị sẽ hoạt động như thế nào, bao gồm sự làm việc của các bộ cảm biến, kết nối phần cứng với Internet, vấn đề về tuổi thọ của pin…Thứ hai, phát triển phần mềm để tạo điều kiện cho việc giao tiếp và thu thập dữ liệu. Cuối cùng, việc phát triển tất cả các cơ sở hạ tầng hỗ trợ ở tầng sau để tập hợp các phần trên với nhau. Điện toán đám mây có thể giúp IoT giải quyết vấn đề này. Đối với việc phát triển phần cứng và phần mềm IoT, khi có điện toán đám mây không cần phải lo lắng về việc thiết lập máy chủ, triển khai cơ sở dữ liệu, cấu hình mạng, mà những công việc này các nhà cung cấp điện toán đám mây sẵn sàng cung cấp các tính năng này bằng cách mở các máy chủ ảo, khởi tạo một đơn vị cơ sở dữ liệu và tạo ra các đường truyền dữ liệu.

                    Điện toán đám mây có thể cung cấp khả năng mở rộng và linh hoạt để giải quyết vấn đề các thiết bị IoT cung cấp số lượng lớn dữ liệu và sử dụng các thiết bị có tính không đồng nhất cao. Với điện toán đám mây có thể thiết lập mức công suất của thiết bị linh hoạt, khi nhu cầu lưu trữ, xử lý lên cao thì tăng công suất. Ngược lại, giảm công suất. Với máy chủ truyền thống, cần mua đủ dung lượng cho trường hợp lưu trữ và xữ lý dữ liệu lớn nhất, như vậy sẽ gây ra sự lãng phí khi nhu cầu lưu trữ ít.

                    Điện toán đám mây có thể cải thiện tính năng bảo mật cho giải pháp IoT. Đối với IoT vấn đề bảo mật cho các thiết bị IoT, máy tính, điện thoại thông minh và các thiết bị khác trong hệ thống luôn được quan tâm đó là bảo vệ các thiết bị đầu cuối và các thiết bị hỗ trợ cho các thiết bị đầu cuối.

                    Điện toán đám mây có thể liên kết các ứng dụng và quy trình, tất cả dữ liệu được lưu trữ trên đám mây giúp cho chúng có thể tích hợp và phân tích liền mạch giải quyết được vấn đề về sự thiếu tính tích hợp và khả năng tương tác trong IoT. Hiện nay, chưa có tiêu chuẩn chung cho IoT do đó mỗi công ty đưa ra sản phẩm IoT của riêng mình do đó khó thể tích hợp, giao tiếp và chia sẻ dữ liệu với nhau. Điện toán đám mây tạo ra môi trường để các thiết bị với các ứng dụng, nền tảng khác nhau có thể tương tác với nhau.

                    Như vậy, điện toán đám mây có thể giúp cho IoT phát triển nhanh hơn nhằm giải quyết các vấn đề như lưu trữ và xử lý lượng dữ liệu lớn do các thiết bị IoT tạo ra, bảo vệ hệ sinh thái IoT và tích hợp hệ thống IoT với các hệ thống hiện tại và các thiết bị IoT trong hệ thống.

1.1.7. Vai trò của Dữ liệu lớn (Big Data) đối với IoT

Các thiết bị IoT tạo ra một khối lượng lớn dữ liệu. Có đến 90% dữ liệu của thế giới đã được tạo ra trong hai năm qua nhờ vào sự gia tăng nhanh chóng của IoT và các thiết bị di động [20].

Đặc tính của dữ liệu do các thiết bị IoT tạo ra khác với dữ liệu truyền thống được thu thập qua các hệ thống, do nhiều bộ cảm biến và vật thể khác nhau tham gia vào quá trình thu thập dữ liệu. Các đặc tính đó là: sự không đồng nhất, nhiễu, sự đa dạng và tốc độ tăng nhanh. Đặc biệt là các dữ liệu IoT thường theo dòng (stream) liên tục.

          Vai trò của việc phân tích dữ liệu lớn với IoT:

- Đáp ứng thời gian thực với khối lượng lớn dữ liệu thu thập được;

- Xử lý các dữ liệu lớn do các thiết bị IoT tạo ra.