Trong bức tranh toàn cảnh của sự phát triển công nghệ, Internet of Things (IoT) đang là một trong những xu hướng công nghệ động lực, mở ra một thế giới của sự kết nối và tương tác giữa mọi vật xung quanh chúng ta thông qua mạng Internet. Khái niệm này không chỉ là một đổi mới kỹ thuật, mà còn là sứ mệnh biến những thiết bị từ nhỏ như cảm biến đến lớn như máy móc công nghiệp, hệ thống quản lý toà nhà… thành những “đối tác” thông minh, góp phần tối ưu hoá và nâng cao chất lượng cuộc sống con người. Vậy khái niệm và cấu trúc của một hệ thống IoT là gì và gồm những phần nào? Hãy cùng Gate-IoT tìm hiểu nhé!
Hệ thống Internet of Things (IoT) là gì?
Hệ thống Internet of Things (IoT) là một cơ sở hạ tầng kỹ thuật, môi trường, và hệ thống phần mềm được thiết kế để kết nối và tương tác giữa các thiết bị vật lý thông qua Internet. Trong môi trường này, các thiết bị được trang bị cảm biến, chip vi xử lý, và khả năng kết nối mạng, cho phép chúng thu thập, truyền tải, và nhận dạng dữ liệu.
Mục tiêu chính của IoT là tạo ra một mạng lưới thông tin toàn cầu, nơi mà các thiết bị có thể gửi và nhận dữ liệu để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể. Các thiết bị này có thể bao gồm từ các đối tượng “kém thông minh” như đèn đường, cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo lưu lượng nước… đến các thiết bị thông minh như đồng hồ, tủ lạnh, hay thậm chí là các hệ thống công nghiệp lớn.
Cấu trúc hệ thống Internet of Things (IoT)
Hệ thống Internet of Things (IoT) là một tập hợp bao gồm các thiết bị có nhiệm vụ thu thập dữ liệu hiện trường, các bộ kết nối (phần cứng) và dịch vụ truyền thông, lưu trữ dữ liệu, trích xuất và báo cáo (phần mềm) được kết hợp hài hoà giúp xử lý thông tin, tối ưu và nâng cao chất lượng hệ thống, tạo ra sự tiện lợi cho người sử dụng. Các thiết bị được chia vào các tầng riêng biệt (hay còn được gọi là lớp IoT – IoT layers).
Tuỳ thuộc vào yêu cầu và độ phức tạp của hệ thống, có thể có sự xuất hiện thêm của các tầng thiết bị khác nhằm quản lý dữ liệu và nâng cao bảo mật, bảo trì bào dưỡng đơn giản. Tuy nhiên về cơ bản, một hệ thống IoT được cấu thành từ bốn tầng bao gồm: Tầng thu thập thiết bị trường (Perception Layer – Edge Devices), tầng tuyền tải thông tin (Transport Layer – Gateways), tầng xử lý dữ liệu (Processing Layer) và cuối cùng là tầng ứng dụng (Application Layer).
Tầng thu thập thiết bị trường (Perception Layer – Edge Devices)
Đúng như tên gọi, tầng thiết bị trường chính là những thiết bị vật lý có nhiệm vụ cụ thể như thu thập dữ liệu, đo đạc thông số của môi trường, nhà máy, cơ thể con người, thông số kỹ thuật và tình trạng hoạt động của máy móc…
Tầng vật lý thu thập có thể bao gồm các thiết bị như cảm biến nhiệt độ – độ ẩm, cảm biến bụi mịn, van cảm biến, camera thông minh, các bộ truyền động… hoạt động theo nhóm được kết nối với nhau và kết nối với trung tâm thu thập dữ liệu. Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ, đa phần các thiết bị trường đã có thể giao tiếp với nhau và giao tiếp với bộ thu thập thông tin qua giao thức truyền tải không dây giúp đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu, tránh những yếu tố nhiễu từ bên ngoài môi trường và đảm bảo đồng bộ hoá thông tin theo thời gian thực.
Tầng truyền tải thông tin (Transport Layer – Gateways)
Nếu so sánh những thiết bị vật lý có nhiệm vụ thu thập dữ liệu tại hiện trường như các giác quan của con người như mắt, mũi, tai…thì tầng truyền tải thông tin có nhiệm vụ như những mạch máu và những nơ ron thần kinh, có nhiệm vụ truyền tải thông tin thu thập được đến bộ não (bộ thu thập và xử lý dữ liệu).
Hiện nay, với tốc độ phát triển đáng kinh ngạc của khoa học-kỹ thuật thì việc đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu, tốc độ và bảo mật được đặt lên hàng đầu. Từ những phương thức truyền thông mạng có dây cũ như RS232, RS485… thì hiện nay các hệ thống IoT hiện đại đều thay thế bằng những phương thức truyền tải không dây như WiFi, LoRa, RF kết hợp với truyền tải có dây tốc độ cao như PROFINET, CANbus, SPI… giúp nâng cao tốc độ truyền tải, tránh được những yếu tố gây nhiễu dẫn đến sai lệch thông tin từ môi trường như ảnh hưởng của từ trường, sụt áp trên đường dây truyền tải…Các thiết bị vật lý sau khi đo những đại lượng vật lý như nhiệt độ, áp suất, mức nước…sau đó sẽ chuyển đổi những tín hiệu này sang tín hiệu điện và được truyền tải theo các giao thức truyền thông như MQTT, HTTP, Modbus, PROFINET…
Tầng xử lý dữ liệu (Processing Layer)
Nhiệm vụ chính của tầng xử lý dữ liệu là thu thập dữ liệu từ thiết bị trường thông qua các giao thức truyền tải, lưu trữ và ứng dụng những thuật toán để dự đoán, đưa ra quyết định cho người sử dụng.
Dữ liệu sau khi thu thập được sẽ được lưu trữ trong các máy chủ (server) và được lưu trữ dữ liệu lên cloud. Vì lượng dữ liệu là khổng lồ và quá trình yêu cầu truy vấn dữ liệu nhanh thì các server cần có cấu hình mạnh, khả năng lưu trữ lớn và tốc độ xử lý cực kỳ nhanh. Tại đây, những dữ liệu sẽ được xử lý thông qua những thuật toán như ML (Machine Learning) và biến chúng thành những dữ liệu mà tầng ứng dụng có thể “đọc được”.
Tầng ứng dụng (Application Layer)
Tầng ứng dụng có nhiệm vụ cung cấp cho người dùng những thông tin thu thập được từ hệ thống, tự động hoá quy trình và cải thiện chất lượng, đưa ra quyết định qua những thiết bị khác nhau như điện thoại thông minh, màn hình HMI trong hệ thống công nghiệp… giúp thao tác dễ dàng và đơn giản hoá quá trình vận hành.
Những yêu cầu bắt buộc của hệ thống IoT
- Tính tương thích: Hệ thống cần hỗ trợ nhiều loại thiết bị và cảm biến khác nhau, đảm bảo tính tương thích và kết nối dễ dàng.
- Bảo Mật Cao: Đảm bảo an toàn dữ liệu qua mạng và trên thiết bị, sử dụng các biện pháp như mã hóa và quản lý xác thực.
- Khả Năng Mở Rộng: Có khả năng mở rộng để hỗ trợ số lượng lớn thiết bị và dữ liệu mà không làm suy giảm hiệu suất.
- Quản Lý Năng Lượng: Tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng của thiết bị IoT để kéo dài tuổi thọ pin và giảm ảnh hưởng đến môi trường.
- Quản Lý Dữ Liệu: Tổ chức và quản lý dữ liệu một cách hiệu quả, bao gồm cả lưu trữ và xử lý trên đám mây khi cần thiết.
- Tính Tương Tác Người Dùng: Cung cấp giao diện người dùng thân thiện và dễ sử dụng để tương tác với dữ liệu từ thiết bị IoT.
Trên đây là những chia sẻ của Gate-IoT về cấu trúc hệ thống IoT, hy vọng nó sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về công nghệ hiện đại này. Nếu còn bất kỳ thắc mắc nào về các giải pháp IoT, bạn vui lòng liên hệ ngay với chúng tôi qua số hotline +84.989.919.486 để được hỗ trợ và tư vấn cụ thể hơn nhé!