Những điều cần biết về Internet of Things: Thế giới kết nối của tương lai.

Internet of Things là khái niệm để chỉ các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, kết nối với Internet và tạo nên một mạng lưới các thiết bị thông minh phục vụ cho cuộc sống người dùng.

Trong khoảng 2 năm trở lại đây, chắc hẳn bạn đọc đã không ít lần nghe thoáng qua về khái niệm Internet of Things, hay bắt gặp tin tức về các sản phẩm được quảng cáo là phục vụ cho nhu cầu “smart home” (nhà thông minh). Trong đó, những thiết bị gia dụng như lò nướng hay tủ lạnh có thể "nói chuyện" được với nhau. Nhưng chúng kết nối với nhau như thế nào, và liệu xu hướng này có thực sự bùng nổ, đưa chúng ta đến một thế giới tương lai như trong game hay phim ảnh? Trong bối cảnh mà hàng ngày càng nhiều chủng loại thiết bị được gán mác “smart” và thi nhau “lên mây” như hiện nay, sẽ là không thừa khi chúng ta trang bị cho mình các kiến thức căn bản về hệ sinh thái Internet of Things này. Hôm nay, hãy cùng chúng tôi điểm qua những kiến thức cơ bản mà trang tin Computerworld đã tổng hợp lại.

Khái niệm Internet of Things

Không như nhiều xu hướng công nghệ trước đây, hiện vận chưa có một định nghĩa được chấp nhận rộng rãi nào cho khái niệm Internet of Things. Nhưng ta có thể sử dụng một vài câu hỏi đơn giản để biết một sản phẩm có thể thuộc hệ sinh thái IoT hay không: Sản phẩm (gia dụng) của một hãng sản xuất A có giao tiếp liền mạch được với sản phẩm của hãng B hay không? Cụ thể hơn, một khóa cửa tự động sản xuất bởi hãng A có thể giao tiếp và gửi thông tin/lệnh đến công tắc đèn do hãng B sản xuất để tự động tắt/mở đèn khi người dùng ra vào hay không? Và trong quá trình đó các thiết bị khác như lò nướng, điều hòa.v.v. có thể tham gia cuộc “đối thoại” để có phản ứng phù hợp hay không?

Một bối cảnh giả định điển hình sẽ diễn ra như sau: Khi chúng ta bước gần về đến cửa nhà, cơ chế điều khiển tự động tích hợp trong chìa khóa (hay thậm chí là điện thoại, thẻ tín dụng, smartwatch) của chúng ta sẽ tự động mở cửa từ xa. Khóa cửa sẽ gửi tín hiệu không dây đến hệ thống mạng nội bộ trong nhà, trước hết là khiến đèn cửa và hàng lang được kích hoạt. Hệ thống điều hòa, vốn đã chuyển sang trạng thái chờ khi chúng ta rời đi, sẽ tiếp tục hoạt động trở lại. Theo một số cài đặt sẵn, thậm chí máy pha cà phê sẽ có thể tự động được kích hoạt để chuẩn bị sẵn 1 tách cà phê thơm phức ngay khi ta bước chân vào phòng khách. Mọi thiết bị trong một smart house sẽ giao tiếp và hoạt động một cách hài hòa, từ đó đưa chúng ta đến một định nghĩa đơn giản nhất cho IoT: “Một hệ sinh thái IoT thực sự là một thế giới trong đó mọi thiết bị đều có thể phối hợp được với nhau” .

Điều gì sẽ tạo nên sự khác biệt cho IoT?

Một từ thôi: cảm biến!. Mọi thiết bị trong hệ sinh thái IoT sẽ được tích hợp các cảm biến để phát hiện các thay đổi về nhiệt độ, ánh sáng, áp lực, âm thanh, chuyển động và vị trí địa lí. Chúng sẽ là con mắt và đôi tai điện tử của người sử dụng, với khả năng phát hiện và ghi lại mọi thay đổi của thế giới xung quanh. Các cảm biến này thường được liệt vào một chủng loại thiết bị mang tên microelectromechanical system (MEMS – hệ vi điện cơ). Chúng được sản xuất trên các dây chuyển tương tự dây chuyền sản xuất vi xử lí. Mỗi cảm biến sau đó sẽ được kết hợp với các mạch tích hợp (các bảng mạch dạng này sẽ chỉ cho phép các lập trình viên thay đổi một vài thông số, do đã được thiết kế chuyên biệt cho một mục đích cụ thể). Cộng thêm một vi xử lí cỡ nhỏ và một module giao tiếp không dây, ta có một cấu phần điều khiển hoàn chỉnh, sẵn sàng để kết nối các vật dụng với hệ sinh thái IoT.

Cảm biến IoT hoạt động ra sao?

Thử điểm qua thêm một ví dụ khác: Bạn đang trải qua một kì nghỉ dài ở biển Nha Trang, bỏ mặc ngôi nhà trống rỗng không ai chăm sóc. Các cảm biến độ ẩm sẽ phát hiện khi nào có chất lỏng trên bề mặt sàn. Kết quả thu thập được sẽ được một phần mềm xử lí (có thể được tích hợp sẵn trong mạch điều khiển cảm biến độ ẩm hoặc đặt trong một máy tính/home server nào đó). Phần mềm này kết hợp thêm các thông tin do cảm biến nhiệt độ ghi lại và đưa ra kết luận rằng đang có nước chảy trong đường ống (dòng nước chảy thường lấy đi nhiệt khiến nhiệt độ trong ống hạ xuống).

Đây là một vấn đề đáng lưu ý. Nước chảy với tốc độ cao có thể là dấu hiệu vỡ đường ống, thường sau một thời gian sẽ kích hoạt van tự động, dòng vừa phải có thể do hệ thống nước đang được sử dụng, dòng nhỏ có thể sinh ra từ rỏ rỉ.v.v. Dù là trường hợp nào, các kết quả phân tích sẽ được gửi tự động gửi đến cho chúng ta.

Từ xa, chúng ta có thể tạo 2 mã khóa cửa sử dụng một lần. Một mã được gửi đến bạn bè/người thân để nhờ kiểm tra. Một mã khác có thể được giao cho thợ sửa đường ống. Mỗi khi một trong hai mã được sử dụng, thông tin và thậm chí là hình ảnh của người vào nhà sẽ được lưu lại và gửi đi. Điều khiển từ xa như trong ví dụ này là một trong những trường hợp cơ bản nhất về tiềm năng của IoT.

IoT hoạt động như thế nào ở những địa điểm công cộng?

Lấy việc đỗ xe làm ví dụ. Nhiều thành phố hiện đã bắt đầu sử dụng hệ thống cảm biến của hãng Streetline trên các ô đỗ xe dọc các tuyến đường của mình. Các bác tài sẽ có thể sử dụng phần mềm trên điện thoại di động (cũng do Streetline cung cấp) để tìm thông tin về các vị trí còn trống. Hãng này mới đây còn bổ sung thêm tính năng cảm ứng âm thanh và nhiệt độ bề mặt cho các sản phẩm của mình để giúp chính quyền thành phố các nước châu Âu lạnh giá quyết định thời điểm sử dụng muối trên bề mặt đường (giúp cải thiện tình trạng băng giá trơn trượt).

Trong nhiều lĩnh vực dịch vụ công cộng khác, ví dụ như ngành cầu đường, các smartphone cũng có thể được tận dụng làm cảm biến. Tại Boston, người ta đang bắt đầu tận dụng các cảm biến có sẵn trên đa số trên điện thoại thông minh để theo dõi độ gập ghềnh của đường. Khi mà hiện nay cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển không còn là thứ quá xa xỉ, tất cả những gì người ta cần là một phần mềm trên thiết bị di động để tính toán kết quả thu được từ các cảm biến này và kết luận về tình trạng đường.

IoT mở rộng

Một hệ sinh thái IoT lý tưởng mở ra rất nhiều cơ hội cho những lập trình viên có óc sang tạo tốt. Thử bắt đầu với các mẫu tủ lạnh thông minh. Chúng ta sẽ mua các mặt hàng rau củ online và công ty cung cấp sẽ đưa đến tận nhà. Tuy nhiên thay vì ngồi từ PC lục lọi từng trang web, ta sẽ làm việc với giao diện của tủ lạnh thông minh do nhà sản xuất thiết kế sẵn – kết nối với các kênh phân phối đã được kiểm định và thậm chí các mặt hàng rau củ sẽ có ID rõ ràng. Chưa hết, chiếc tủ sẽ biết được bên trong nó còn những gì thông qua các khay có cảm biến trọng lượng, cũng như theo dõi được thời hạn sử dụng của từng sản phẩm thông qua ID. Dĩ nhiên, trong tương lai, các nhà sản xuất thậm chí sẽ phải cung cấp cho người dùng các tùy chọn như nhập thêm các cửa hàng quen vào danh sách (miễn sao cửa hàng đó có kênh kết nối trực tuyến), tự động hóa việc đặt hàng mỗi cuối/đầu tuần hay thậm chí là cung cấp thông tin dinh dưỡng của từng chủng loại thực phẩm.

Ví dụ cụ thể hơn, khi kết hợp với một số thiết bị theo dõi tình trạng y tế, chẳng hạn các vòng tay theo dõi sức khỏe khá phổ biến hiện nay hay cân điện tử, tủ lạnh sẽ hiện thông báo cảnh báo về tình trạng cân nặng, hay đường huyết mỗi khi một “bệnh nhân” mở tủ lấy ra que kem thứ...3 trong ngày. Khi mới xuất xưởng, các vòng tay hay cân điện tử này có thể vốn chưa được thiết kế để gửi thông tin cho tủ lạnh. Nhưng một phần mềm trên di động, hay trên home server trong nhà, hay trên một dịch vụ đám mây thậm chí là phần mềm được viết trên chính OS của tủ lạnh đó, có thể được thiết kế để tổng hợp thông tin từ tất cả các nguồn này và tiến hành yêu cầu tủ lạnh gửi cảnh báo cho người dùng. Nếu chúng ta suy nghĩ theo các định hướng xưa cũ, trong thế giới mà đầu DVD phải nối với TV bằng cáp, và phải là cáp đúng chủng loại, cắm đúng vị trí.v.v. Việc kết nối giữa thiết bị y tế, cân điện tử và… tủ lạnh ở trên nghe có vẻ khó tin. Nhưng trong thế giới IoT, các lập trình viên sẽ có khả năng kết nối hầu như mọi loại thiết bị được sản xuất hướng tới hệ sinh thái này với nhau, từ đó tạo ra những chức năng hoàn toàn mới mà trước đó có thể chúng ta chưa từng nghĩ tới.

Các thiết bị IoT giao tiếp với nhau ra sao?

Đa số thiết bị được gán mác “smart” ngày nay đều đồng nghĩa với việc nó được sản xuất kèm theo tính năng giao tiếp qua các kênh không dây. Các giao thức giao tiếp không dây trong thế giới IoT được thiết kế để thỏa mãn các yêu cầu cơ bản: tiêu tốn ít năng lượng cho việc thu/phát sóng, tiêu tốn ít băng thông (để giảm gánh nặng cho router wireless và hệ thống mạng), hoạt động trong mạng mắt lưới…Một số thiết bị sẽ giao tiếp qua Wi-fi hay Bluetooth, nhưng đa phần sẽ tận dụng các kết nối sử dụng dải tần dưới mức GHz Zigbee (tham khảo thêm trong bài viết khái quát về mạng không dây.

Đa số các thiết bị và cảm biến trong mạng IoT sẽ sử dụng điện từ điện lưới gia dụng, nhưng cũng có rất nhiều thành phần trong đó, ví dụ như cơ chế tự động khóa trên cửa, sẽ phải sử dụng các nguồn nnăng lượng như pin. Các thiết bị độc lập này sẽ gửi và nhận một lượng thông tin rất nhỏ theo một chu kì định sẵn. Vì vậy, miễn sao việc gửi tín hiệu không dây được thiết kế hợp lí để tiêu tốn ít năng lượng và băng thông, ngay cả khi sử dụng pin thì thời lượng sử dụng của các thiết bị này vẫn có thể kéo dài lên tới hơn 1 năm hay thậm chí cả thập kỉ. Một trong những hãng sản xuất thiết bị IoT đình đám nhất, Insteon, thậm chí đang tích cực sản xuất các dòng sản phẩm với khả năng giao tiếp qua cả kênh sóng không dây lẫn thông qua đường truyền tải điện (hiện đã có sẵn những công nghệ cho phép truyền tải tín hiệu ở mức hạn chế qua đường dây dẫn điện trong nhà), khiến độ tin cậy tăng lên rất nhiều.