IoT Gateway Platform các ứng dụng: (Phần 1) Giới thiệu và những thử thách

fig1

Những hứa hẹn về độ hiệu quả và sự thông minh từ IoT đã làm gia tăng những mong chờ trong kỹ thuật cũng như cộng đồng người tiêu dùng. Internet of Things (IoT) đòi hỏi khả năng về cảm biến và kết nối các đối tượng (Things) xung quanh chúng ta và biến chúng thành những node trong network. Tuy nhiên không phải lúc nào cũng có thể kết nối các IoT node trực tiếp vào public internet, vì vấn đề về năng lượng hoặc những giới hạn tính toán. IoT Gateway giúp kết nối mọi Vật (Things) vào internet bằng các kỹ thuật kết nối một cách phù hợp với những giới hạn tài nguyên của Things. Có vô số các kỹ thuật được dùng cho kết nối giữa Things và Gateway, cũng như có khá nhiều giao thức (protocol) cho việc kết nối một IoT gateway với các ứng dụng cloud. Và còn rất nhiều thử thách nữa trong việc thiết kết một IoT Gateway có bảo mật, xác thực. Việc lựa chọn đúng cho những ứng dụng cụ thể thật không đơn giản.

Trong bài này, chúng ta tìm hiểu một cấu trúc linh hoạt của Internet of Things Gateway Platform là “Wireless Bridge” hỗ trợ nhiều công nghệ không dây khác nhau. Chúng ta cũng sẽ thảo luận nhiều công nghệ kết nối khác nhau và các giao thức có thể dùng cho việc trao đổi dữ liệu của Things với ứng dụng Cloud thông qua các platform IoT Gateway. Những ý tưởng được trình bày ở đây có thể giúp bạn xây dựng một IoT Gateway bảo mật, linh động và có thể mở rộng.

Giới thiệu

IoT là một network kết nối các đối tượng (Things) với các hệ thống nhúng (embedded electronics) cho phép chúng cảm biến, báo cáo và điều khiển từ xa và đôi khi có thể ra những quyết định đơn giản. Một số thuật ngữ khác để định nghĩa khái niệm trên nữa đó là M2M (machine to machine) và IoE (Internet of Everything). Khái niệm các đối tượng với các mạch điện tử kết nối vào một mạng tồn tại trong một khoảng thời gian khá dài. Thoạt nhìn IoT không phải là một khái niệm mới. Tuy nhiên có những điểm khác biệt giữa IoT và M2M cổ điển. IoT sẽ tìm kiếm để kết nối với mọi thiết bị (Things) mà chúng ta tương tác cả với những thứ không thường được kết nối vào mạng (network). Một điểm khác nữa là tận dụng các IP đã tồn tại trên mạng thay vì tạo ra các hạ tầng mạng chuyên dụng như cách làm thế hệ hiện tại của M2M, vì vậy chúng tạo ra một mạng lưới toàn cầu của các thiết bị (Things). Việc kết nối vào Internet của IoT cũng gặp những thử thách riêng. Một trong những thử thách đó là có quá nhiều IoT node có giới hạn về bộ nhớ, khả năng lưu trữ và tính toán và không thể kết nối đến IP network một cách trực tiếp. Một IoT Gateway sẽ lấp đầy khoảng cách này bằng cách tạo ra cầu nối giữa IP (trên nền public network) và local network được thiết kế với những nhu cầu riêng của một IoT node. Nó còn có thể cung cấp thêm về bảo mật, lưu trữ và xử lý các service để node cuối có thể giảm thiểu hiệu năng và năng lượng. Nó cũng có thể enable node sử dụng các kỹ thuật kết nối khác nhau để liên lạc với mỗi thiết bị khác trong network. Thật không may, việc thiết kế một IoT gateway cho một ứng dụng về những nhu cầu trong tương lai là một nhiệm vụ khó khăn vì nó có rất nhiều các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế. Thế giới IoT rất rời rạc với hàng ngàn nhà sản xuất và hầu hết không theo tiêu chuẩn chung nào. Có rất nhiều bài viết từ các nhà cung cấp kỹ thuật về những công nghệ của chính họ. Bài viết này nhằm cung cấp cái nhìn toàn diện về những lựa chọn khả thi để các những người thực hiện nó chứ không phải đi vào các giao thức (prototcol) đặc trưng của nhà sản xuất nào.

Những thử thách trong việc thiết kế một IoT Gateway

Kết nối Node:

Chúng ta cần chọn một kỹ thuật Radio Frequency (RF) khoảng ngắn để kết nối các node IoT. Sự lựa chọn này dự trên các tham số khác nhau như bằng tần (frequency band), dãi điều chế (modulation scheme), số kênh (channel), data-rate, độ trễ, độ bền vững… Thêm vào đó, quyết định này cũng còn dựa vào các quy định ở địa phương. Sự lựa chọn dễ hơn khi chúng ta có một mạng cùng loại có cùng một loại node nhưng sẽ phức tạp hơn khi chúng ta có nhiều loại node với nhiều các yêu cầu khác nhau.

Kết nối Backend:

IoT Gateway có thể dùng kỹ thuật radio khoảng ngắn để kết nối tới các node IoT nhưng một khoảng xa nối tới Internet. Sự lựa chọn này dựa trên yêu cầu về băng thông, các phương án kết nối cho phép ở địa phương và độ rủi ro của ứng dụng. Vì những phương án kết nối khác nhau vùng này với vùng khác, chúng ta nên có nhiều phương án kết nối với backend.

Server Quản lý:

IoT node thì thường không được truy cập  (thông qua gateway) trên Internet như một thực thể độc lập (standalone). Việc dùng một Server trung tâm quản lý các node trở nên thịnh hành hơn và IoT gateway đóng vai trò trung gian cho việc kết nối này. Chúng ta cần xác định giao thức nào cho việc kết nối với server quản lý.

Local intelligence:

Với cấu trúc cloud thực tế, các node gửi tất cả cá dữ liệu đến cloud cho việc xử lý và điều khiển. Tuy nhiên điều này không phải là một kịch bản lý tưởng cho việc gửi những dữ liệu vô nghĩa đến cloud bởi vì điều này lãng phí băng thông, thêm tải cho server và mất dữ liệu trong trường hợp mất kết nối. Khái niệm tính toán cạnh (edge computing) sẽ giải quyết vấn đề này. IoT Gateway có thể nhận hầu hết các quyết định tại một khu vực và chỉ gửi những dữ liệu đã lọc rồi qua cloud, nó có thể làm hệ thống trở nên hiệu quả hơn. Các quyết định logic của Gateway được lập trình bởi server để linh động. Số lượng và loại của local intelligence là phụ thuộc ứng dụng và phải được suy nghĩ kỹ vì nó ảnh hưởng đến việc quyết định thiết kế gateway.

Cân nhắc về năng lượng:

Nguồn năng lượng của gateway cũng ảnh hưởng đế việc quyết định của chúng ta trong những điểm liên quan ở trên. Khi mạng cảm biến trở nên thịnh hành và được nhúng trong thiết bị (things) chúng sẽ cần ít nhất có thể tận dụng năng lượng từ môi trường của nó.

Bảo mật:

Đây là yếu thố có thể tạo nên sự thành công hay thất bại lớn của mô hình mạng IoT lớn. Khi các mạng này trở nên là một phần của nhiều ứng dụng (một vài thứ là nghiêm trọng), bảo mật được cho là tối quan trọng. Bảo mật nên là một nhân tố trong mỗi bước của quá trình thiết kế, là phạm sai làm nếu chỉ đưa bảo mật vào sau khi mọi thứ đã được thiết kế xong.

Bảo trì:

Điều này thường là một yêu cầu bị bỏ qua. Nhìn về lịch sử nói cho chúng ta rằng không có hệ thống nào hoàn hảo. Không phân biệt số lượng việc kiểm tra trước đây đã xong, các bug và lỗ hỗng bảo mật sẽ được tìm thấy bất biến sau khi được triển khai. Phải có những điều khoản cho dịch vụ và cập nhật IoT gateway (và node). Không nên có duy nhất sự phụ thuộc vào bảo trì từ xa, chúng ta nên có thêm những phương án kết nối đến các servive về cài đặt.

Các bài trong series

Phần 1: Giới thiệu và những thử thách
Phần 2: Giải pháp
Phần 3: Wireless Bridge của STMicroelectronics
Phần 4: Ứng dụng và kết luận

Tham khảo: electronicofthings.com

Comments

linhkienbachkhoa

Comments