Truyền thông trong IoT (Communication)

IoT đang phát triển rất nhanh chóng, và có một số lượng lớn các thiết bị thông minh không đồng nhất có nhu cầu giao tiếp với nhau. Mặt khác, do sự hạn chế của các thiết bị đó (chạy bằng pin, dung lượng lưu trữ thấp...) nên có nhiều thách thức được đặt ra như sau:

- Định địa chỉ và nhận dạng: Vì hàng triệu thiết bị thông minh đó cùng kết nối với Internet và được xác định thông qua một địa chỉ duy nhất ứng với mỗi thiết bị, nên chúng ta cần một không gian địa chỉ vô cùng lớn. 

- Tiết kiệm năng lượng: Trao đổi dữ liệu là một hoạt động tiêu tốn nhiều điện năng, đặc biệt là giao tiếp không dây. Do đó, chúng ta cần một giải pháp để hạn chế việc tiêu tốn quá nhiều năng lượng.

- Cần một phương pháp giao tiếp chuẩn cho các thiết bị có bộ nhớ thấp.

- Phương thức giao tiếp phải đạt được hiệu quả, tốc độ cao.

Giao thức Internet (Internet Protocol)

Các thiết bị IoT thường kết nối với Internet thông qua giao thức Internet – IP (Internet Protocol). Giao thức này rất phức tạp và đòi hỏi một lượng lớn năng lượng và bộ nhớ từ các thiết bị kết nối để có thể hoạt động tốt. Các thiết bị IoT cũng có thể kết nối với các mạng cục bộ (không phải IP), tiêu thụ ít điện năng hơn, cuối cùng kết nối với Internet thông qua Smart gate way (cổng thông minh). 

Các kênh giao tiếp không phải IP như Bluetooth, RFID, NFC... khá phổ biến, nhưng bị giới hạn trong một phạm vi nhất định. Do vậy, ứng dụng của các kênh này cũng bị thu hẹp, thường dùng trong các hệ thống mạng cá nhân. Mạng cá nhân PAN (personal area network) hiện đang được sử dụng rộng rãi trong IoT. Ví dụ như đồng hồ thông minh kết nối với điện thoại. Một trong những giải pháp là 6LoWPAN, kết hợp IPv6 với PAN. Phạm vi của PAN và 6LoWPAN chỉ tương tự như mạng cục bộ và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn.

Các công nghệ truyền thông hàng đầu được sử dụng trong IoT là IEEE 802.15.4, WiFi công suất thấp, 6LoWPAN, RFID, NFC, Sigfox, LoraWAN và các giao thức độc quyền khác dành cho mạng không dây.

1. Thẻ RFID

Thẻ RFID có thể lưu trữ dữ liệu, dữ liệu đó được đọc bởi một đầu đọc thẻ RFID và được truyền qua sóng vô tuyến. Công nghệ đọc thẻ RFID khá giống với công nghệ mã vạch. Nhưng khác ở chỗ, công nghệ RFID không yêu cầu đường nhìn giữa thẻ RFID và đầu đọc thẻ RFID và có thể tự động nhận dạng từ xa ngay cả khi không có người vận hành. Phạm vi nhận dạng của RFID có thể lên tới hàng trăm mét.

Thẻ RFID có hai loại: Chủ động và thụ động. Các thẻ chủ động có nguồn điện cung cấp (như pin); còn thẻ thụ động thì không có nguồn điện cung cấp trực tiếp. Thẻ thụ động chỉ lấy năng lượng điện từ sóng điện từ do đầu đọc thẻ RFID phát ra. Dễ thấy, thẻ thụ động tiện lợi hơn.

Có hai loại công nghệ RFID: gần và xa. Một đầu đọc RFID gần sử dụng một cuộn dây qua đó chúng ta cho dòng điện xoay chiều và tạo ra từ trường. Thẻ có một cuộn dây nhỏ hơn, tạo ra một điện thế do những thay đổi xung quanh trong từ trường. Điện áp này sau đó được kết hợp với một tụ điện để tích lũy điện tích, sau đó cung cấp năng lượng cho chip thẻ. Sau đó, thẻ có thể tạo ra một từ trường nhỏ mã hóa tín hiệu được truyền đi và người đọc có thể thu nhận tín hiệu này.

Trong RFID xa, có một ăng-ten lưỡng cực trong đầu đọc, truyền sóng EM. Thẻ cũng có một ăng-ten lưỡng cực trên đó xuất hiện sự chênh lệch điện thế xen kẽ và nó được cấp nguồn. Sau đó, nó có thể sử dụng sức mạnh này để truyền thông điệp.

Công nghệ RFID đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như quản lý chuỗi cung ứng, xác thực danh tính, theo dõi đối tượng... 

Thẻ RFID được gắn vào đối tượng cần theo dõi. Đầu đọc thẻ RFID sẽ ghi lại sự xuất hiện của đối tượng khi hắn đi ngang qua. Bằng cách này, chúng ta có thể theo dõi lịch trình của đối tượng. 

Hay để kiểm soát khả năng truy cập, thẻ RFID được gắn vào đối tượng. Ví dụ: Thẻ RFID được gắn vào mui xe của thủ tướng, chủ tịch nước, chủ tịch quốc hội... và một thanh chắn có gắn đầu đọc thẻ RFDI chắn trước cổng khu làm việc của chính phủ. Khi một chiếc ô tô bất kì đi đến thanh chắn có đầu đọc, nó sẽ đọc dữ liệu xem có phải chiếc xe được phép trực tiếp tiến vào hay không? Nếu có, thanh chắn sẽ tự động mở.

2. Giao tiếp trường gần NFC

Giao thức NFC (Giao tiếp trường gần – Near Field Communication): hoạt động trên băng tần cao 13,56 MHz (giống với RFID) và hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên đến 424 kbps. Phạm vi áp dụng của NFC rất hạn chế, các thiết bị ứng dụng NFC tuy có thể chuyển tất cả các loại dữ liệu trong vài giây bằng cách đưa các thiết bị đó lại gần nhau, nhưng chúng chỉ có thể tương tác với nhau trong khoảng cách chỉ vài cm. NFC hoạt động dựa trên từ trường. NFC có hai phương thức hoạt động là chủ động và thụ động.

- Chủ động: Cả hai thiết bị đều tạo ra từ trường.

- Thụ động: Chỉ có một thiết bị tạo ra từ trường. Chế độ này rất hữu ích trong các thiết bị IoT chạy bằng pin để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng.

Một lợi ích của NFC là an toàn trong việc truyền tải dữ liệu (do khoảng cách giữa hai thiết bị rất gần).

Chú ý rằng NFC có thể được sử dụng để giao tiếp hai chiều, trong khi RFID chỉ có thể giao tiếp theo một chiều. Hầu hết điện thoại thông minh hiện nay đều được tích hợp NFC.

3. Wifi

Wifi: Một công nghệ truyền thông khác là WiFi, sử dụng sóng radio để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị trong phạm vi khoảng 100m. WiFi cho phép các thiết bị thông minh giao tiếp và trao đổi thông tin mà không cần sử dụng bộ định tuyến trong một số cấu hình đặc biệt. 

4. Bluetooth

Bluetooth:  Là một kênh giao tiếp được sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị trong khoảng cách ngắn, dùng sóng ngắn để tiết kiệm năng lượng. Gần đây, Bluetooth Special Interest Froup (SIG) đã sản xuất Bluetooth Low Energy (BLE), sử dụng bước sóng ngắn hơn, cho hiệu quả tiết kiệm năng lượng tốt hơn. 

5. Một vài giao thức khác

IEEE 802.15.4 chỉ định cả lớp vật lý và phương tiện kiểm soát truy cập cho các mạng không dây công suất thấp nhằm mục tiêu thông tin liên lạc đáng tin cậy và có thể mở rộng.

LTE (Long-Term Evolution): ban đầu là một chuẩn giao tiếp không dây, để truyền dữ liệu tốc độ cao giữa điện thoại di động - điện thoại dựa trên công nghệ mạng GSM / UMTS. Nó có thể bao phủ các thiết bị di chuyển nhanh và cung cấp tính năng đa hướng và các dịch vụ truyền hình. LTE-A (LTE Advanced) là phiên bản cải tiến của LTE: mở rộng băng thông, hỗ trợ lên đến 100 MHz, vùng phủ sóng mở rộng, thông lượng cao hơn và độ trễ thấp hơn.