Mạng lưới vạn vật kết nối Internet là khái niệm được xây dựng với một kịch bản hay viễn cảnh 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 chia sẻ 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. Một cách hiểu tổng thể hơn, IoT là sự phát triển hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử trên mạng Internet.

Để kịch bản này trở thành sự thật thì các vật trong mạng lưới IoT cần có một chuẩn giao tiếp chung giống như trong một khu vực lãnh thổ luôn chọn một kênh giao tiếp chung để thuận tiện trao đổi thông tin, ví dụ như Việt Nam dùng zalo, thì ở Hàn Quốc dùng Kakaotalk. Các thiết bị trong mạng lưới IoT cũng vậy chúng cũng lựa chọn các một chuẩn giao thiết trên thiết bị IoT chung mà đa số các thiết bị trong mạng sử dụng.

Lịch sử phát triển các chuẩn giao tiếp trên thiết bị IoT

Trên thế giới hiện nay, các công nghệ, các thiết bị công nghệ nói chung thường tuân thủ một khung chuẩn chung do các tổ chức quốc tế về công nghệ xây dựng, các tổ chức có thể kể đến như Hội Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers), nhóm chuyên trách kỹ thuật Internet (IETF - Internet Engineering Task Force). Nhưng đối với các thiết bị IoT, lịch sử phát triển các tiêu chuẩn chung không như vậy.

Ở khía cạnh nhà phát triển, vì chưa có các quy chuẩn chung được đặt ra, các hãng mới bắt tay nhau để tạo ra những chuẩn chung cho IoT. Trước đây, mạng không dây tại Mỹ được sử dụng trên một số băng tần của giải sóng không dây do chính phủ cho phép vào năm 1985, Các nhà sản xuất riêng biệt gần như độc lập với nhau do các thiết bị của riêng các hãng không thể kết nối với nhau. Các nhà sản xuất dây mạng, cục phát wifi, router, … phải chờ đợi 12 năm tức là đến năm 1997 thì IEEE mới đưa ra chuẩn 802.11 dành cho mạng không dây mà chúng ta đang sử dụng hiện nay và tạo ra một kết nối chung. Bài học của chuẩn mạng không dây là quá rõ ràng, các công ty sản xuất các thiết bị IoT hiểu rằng cần tự xây dựng liên minh với nhau để quá trình phát triển chuẩn trở nên nhanh chóng tiếp cận thị trường nhanh hơn. Nhưng không phải là tất cả các công ty tạo ra chung một nhóm mà chỉ một vài công ty hợp với nhau tạo ra một nhóm quy chuẩn và một vài công ty khác hợp với nhau tạo ra một nhóm quy chuẩn. Các nhóm lớn đã có vị thế và các thành viên tên tuổi đáng kể đến như: AllSeen Alliance, Open Internet Consortium (OIC), Thread Group, Industrial Internet Consortium (IIC) và IEEE P2413.

AllSeen Alliance là liên minh được thành lập vào tháng 12/2013 với sự tham gia của LG, Panasonic, Sharp, Silicon Image, TP-Link, HTC, Qualcomm và hiện đã có hơn 100 thành viên. Được dẫn đầu bởi Hiệp hội Linux, liên minh này sẽ nhắm đến việc xóa bỏ những rào cản cũng như thúc đẩy sự sáng tạo trong việc phát triển Internet of Things (IoT, tức các đồ gia dụng, công cụ sản xuất có kết nối mạng để quản lí và/hoặc thu thập dữ liệu). Liên minh này nhắm tới việc phát triển các nền tảng mở phục vụ kết nối thiết IoT và đã phát triển dựa trên nền tảng AllJoyn có sẵn của Qualcomm.

Open Interconnect Consortium (OIC) ra đời vào tháng 7/2014 và được “chống lưng” bởi các gã khổng lồ công nghệ Samsung, Intel, Dell cùng nhiều công ty nhỏ hơn. OIC nói rằng sẽ tạo ra các tiêu chuẩn xoay quanh việc "giao tiếp, khám phá và chứng thực thiết bị" dựa trên nhiều kết nối khác nhau, trong đó bao gồm Wi-Fi, Bluetooth và cả NFC.

Thread Group được thành lập bởi ARM, Samsung và Nest Labs (hiện đã về tay Google) vào tháng 7/2014 với hơn 50 thành viên. Thread nhắm đến việc sử dụng giao thức mạng dạng mesh để các thiết bị IoT có thể kết nối không chỉ với một hai máy xung quanh mà với nhiều thiết bị cùng lúc. Tiêu chuẩn của Thread còn tập trung vào việc giảm lượng điện tiêu thụ của sản phẩm IoT, đồng thời sử dụng một loại chip mạng hiện có trên thị trường để cấp địa chỉ IPv6 cho các thiết bị. Hiện tại bộ quy chuẩn của Thread chỉ nói về việc kết nối mạng, chính vì thế có thể xem như đây là một hạ tầng để IoT hoạt động chứ không đi sâu hơn vào phần cứng như AllSeen hay OIC.

Industrial Interconnect Consortium (IIC) được thành lập tháng 3/2014 bởi General Electric, Cisco Systems, IBM, Intel và nhà mạng AT&T. Tuy nhiên, IIC đánh mạnh vào mảng thiết bị IoT dùng cho doanh nghiệp chứ không phải là các thiết bị cá nhân nhỏ lẻ. Hiện IIC có hơn 100 thành viên và mới đây có thêm sự tham gia của Microsoft, Samsung, Huawei.

Hình 1: Hệ sinh thái các nhóm phát triển cho thiết bị IoT

IEEE P2413 do viện kĩ thuật điện điện tử (IEEE) thành lập. IEEE là một trong những cơ quan chính quy có nhiệm vụ đề ra các tiêu chuẩn quan trọng trong thế giới công nghệ hiện nay, điển hình như kết nối không dây. IEEE cũng chính là
đơn vị bị các công ty thương mại cho rằng quá chậm chạp trong việc đưa ra tiêu chuẩn cho IoT. Hiện nay IEEE đã thành lập nên các nhóm thành viên để làm việc với phần còn lại của thị trường Internet of Things. Họ tổ chức cuộc họp đầu tiên của mình vào tháng 7 năm 2014 với sự có mặt của 23 nhà sản xuất cũng như tổ chức có liên quan.

Ngoài các nhóm phát triển tiêu chuẩn và giao thức lớn thì cũng có vô số các công ty nhỏ và các nhóm phát triển riêng lẻ dẫn đến việc hình thành vô số các tiêu chuẩn, quy chuẩn. Các tổ chức lớn như IEEE và IETF cũng tôn trọng việc tồn tại và phát triển song song của các quy chuẩn tiêu chuẩn này, tôn trọng giá trị của các tổ chức, công ty đã có vị thế trên thế giới. Đây là lý do dẫn đến việc không thống nhất trong việc sử dụng các tiêu chuẩn và quy chuẩn trong các hệ thống IoT mà có nhiều sự lựa chọn khác nhau. Điều này sẽ càng rõ ràng hơn khi phát triển ra ngoài phạm vi một người dùng, một khu vực, một công ty, một khu vực sẽ xảy ra xung đột khi các thiết bị không cùng giao thức.

Các chuẩn giao tiếp trên thiết bị IoT

Như vậy hiện nay trên thế giới tồn tại và sử dụng song song nhiều chuẩn giao tiếp trên thiết bị IoT. Chủ đề này sẽ được chia làm 2 phần để giới thiệu tất cả 13 chuẩn giao tiếp trong thiết bị IoT để giới thiệu một cách tổng thể nhất các thông tin của chuẩn.

Chuẩn Bluetooth (Bluetooth Low Energy)

Bluetooth là công nghệ không dây trong truyền thông thuộc nhóm tầm giữa các thiết bị điện, là công nghệ giao tiếp truyền thông trong khoảng cách ngắn vô đã lâu đời và vô cùng hữu dụng. Bluetooth được chuẩn hóa bởi Bluetooth Special Interest Group (SIG) và công bố vào ngày 20/5/1999, sau này Bluetooth được công nhận dưới chuẩn là IEEE 802.15.1. Hiện nay, bluetooth xuất hiện hầu hết ở các thiết bị thông minh có thể kể đến phổ biến như máy tính, điện thoại/smartphone, hay thiết bị điện tử như tivi, tủ lạnh, khóa cửa, … đây cũng chính là mấu chốt để Bluetooth trở thành nền tảng kết nối vạn vật trong hệ sinh thái IoT.

Hiện nay, BLE hay Bluethooth Smart là một giao thức được sử dụng khá phổ biến cho các ứng dụng IoT. Điểm nổi bật của BLE là được thiết kết để tiêu thụ công suất ít hơn rất nhiều Bluetooth truyền thống nhưng vẫn truyền tin với cùng một khoảng cách truyền tương tự như Bluetooth.

Có ba hạng phần mềm chính trong kiến trúc của thiết bị BLE:

- Ứng dụng: ứng dụng giao tiếp với ngăn xếp và triển khai các ứng dụng người dùng cụ thể,

- Host: lớp cấp cao của giao thức ngăn sắp xếp,

- Bộ điều khiển: lớp ở mức độ thấp của giao thức ngăn xếp bao gồm các lớp vật lý.

Thông tin kỹ thuật cơ bản về Bluetooth 4.2:

- Tần số: 2.4 GHz

- Phạm vi: 50-150m (Smart/BLE)

- Dữ liệu truyền được: 1Mbps

Một số ứng dụng cụ thể của BLE nổi bật hiện tại là:

- Máy theo dõi thể dục (chẳng hạn như Fitbit, Misfit, ...vv),

- Đồng hồ thông minh (chẳng hạn như Apple Watch, Moto 360 và Pebble),

- Báo hiệu (Apple iBeacon, Google Eddystone),

Các thiết bị y tế như máy đo đường, máy bơm insulin,

- Các thiết bị tự động hóa trong nhà như khóa cửa, bóng đèn, cảm biến và các thiết bị khác.

Về đánh giá trong việc triển khai trong thiết bị IoT, chuẩn Bluetooth được đánh giá như sau:

Chuẩn Zigbee (Zigbee remote control)

ZigBee là công nghệ có đặc điểm kỹ thuật dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4 của tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Công nghệ Zigbee dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4 này sử dụng tín hiệu radio có tần sóng ngắn và cấu trúc của 802.15 nên cũng dùng sóng radio và có 2 tầng song. Hơn thế nữa ZigBee còn thiết lập các tầng khác nhờ thế mà các thiết bị của các nhà sản xuất dù khác nhau nhưng cùng tiêu chuẩn có thể kết nối với nhau và vận hành trong vùng bảo mật của hệ thống. Mục đích của công nghệ ZigBee là nhắm tới công nghệ đơn giản hơn và ít tốn kém hơn so với các mạng khu vực cá nhân không dây khác (WPAN), chẳng hạn như Bluetooth hoặc mạng không dây chung hơn như Wi-Fi. Với công nghệ sóng radio nên ZigBee có chức năng điều khiển từ xa không dây, truyền dữ liệu ổn định. Ngoài ra, tiêu thụ năng lượng cực thấp, công nghệ mở là điểm mạnh giúp công nghệ ZigBee trở nên hấp dẫn sử dụng cho các ứng dụng, đặc biệt là ứng dụng trong nhà thông minh hiện nay.

Các tiêu chuẩn Zigbee được bảo trợ bởi nhóm liên minh Zigbee với hơn 150 thành viên với một số tên tuổi lớn đáng chú ý như: Mitsubishi, Motorola, Philips, và Samsung. Đây cũng đa số là nhóm các công ty nhắm vào các sản phẩm điện tử cá nhân, hộ gia đình, nhà thông minh, …

Hiện tại đã có 5 phiên bản Zigbee được phán hành và hiện tại 2 phiên bản được sử dụng chính là Zigbee PRO và RF4CE.

Ba giải tầng sóng phổ biến là: dải 915MHz cho khu vực Bắc Mỹ, dải 868 MHz cho Châu Âu, Nhật và dải 2.4GHz cho các nước khác.

Trong đó dải 868 MHz chỉ có 1 kênh tín hiệu và tốc độ đường truyền dữ liệu có thể đạt tới 20kbps. Còn dải 2.4GHz, có đến 16 kênh tín hiệu khác nhau và tốc độ đường truyền dữ liệu có thể đạt tới 250kbps.

Thông số kỹ thuật cơ bản:

- Tần số: 2,4 GHz (phổ biến)

- Phạm vi: 10-100m

- Tốc độ dữ liệu: 250kbps

Cấu trúc của Zigbee ngoài 2 tầng giống với tiêu chuẩn 802.15.4 là tầng vật lý, tầng MAC thì còn tầng mạng, tầng hỗ trợ ứng dụng, tầng đối tượng thiết bị và các đối tượng ứng dụng.

- Tầng mạng (NWK) là 1 tầng phức tạp của ZigBee, giúp tìm, kết nối mạng và mở rộng hình dạng từ chuẩn 802.15.4 lên dạng lưới. Tầng này xác định đường truyền lên ZigBee, xác định địa chỉ ZigBee thay vì địa chỉ tầng MAC bên dưới.

- Tầng hỗ trợ ứng dụng (APS) là tầng kết nối với tầng mạng và là nơi cài đặt những ứng dụng cần cho ZigBee, giúp lọc bớt các gói dữ liệu trùng lắp từ tầng mạng

- Tầng đối tượng thiết bị (ZDO) có trách nhiệm quản lý các thiết bị, định hình tầng hỗ trợ ứng dụng và tầng mạng, cho phép thiết bị tìm kiếm, quản lý các yêu cầu và xác định trạng thái của thiết bị.

- Tầng các đối tượng ứng dụng người dùng (APO): là tầng mà ở đây người dùng tiếp xúc với thiết bị, tầng này cho phép người dùng có thể tuỳ biến thêm ứng dụng vào hệ thống.

Về đánh giá trong việc triển khai trong thiết bị IoT, chuẩn Zigbee được đánh giá như sau:

Chuẩn LoRa

LoRa (Long Range) là một kỹ thuật điều chế mạng diện rộng công suất thấp. Nó dựa trên kỹ thuật điều chế trải phổ có nguồn gốc từ công nghệ trải phổ chirp (CSS). Nó được phát triển bởi Cycleo ở Grenoble, Pháp và được Semtech, thành viên sáng lập của Liên minh LoRa mua lại. Chuẩn LoRa cũng đã được cấp bằng sáng chế riêng.

LoRa đã có 6 phiên bản và phiên bản cuối cùng là LoRa 1.0.4 vào tháng 10/2020.

Trong phổ tần dưới GHz, chip LoRa sử dụng chiến lược trải phổ để truyền ở nhiều tần số và tốc độ dữ liệu khác nhau. Điều đó cho phép cổng thích ứng với các điều kiện thay đổi và tối ưu hóa cách nó trao đổi dữ liệu với từng thiết bị.

Semtech sản xuất chip thu phát cho các thiết bị được kết nối (các nút), và các cổng kết nối chúng. Một cổng kết nối duy nhất có thể giao tiếp với hàng nghìn nút kín cách xa tới 20 dặm trong môi trường không bị cản trở và ngay cả trong một thành phố cũng có thể xuyên qua các tòa nhà để đạt được phạm vi vài dặm. Các nút cuối có thể vẫn hoạt động trong 10 năm được cho là chạy trên hai pin AAA (vẽ 10mA cho bộ thu, dưới 200nA ở chế độ nghỉ).

LoRa cho phép truyền tầm xa với mức tiêu thụ điện năng thấp. Công nghệ bao phủ lớp vật lý, trong khi các công nghệ và giao thức khác như LoRaWAN (Mạng diện rộng dải dài) bao gồm các lớp trên.

Thiết bị Lora có công nghệ định vị địa lý có khả năng sử dụng cho trilaterating vị trí của các thiết bị thông qua timestamps từ cổng

LoRa sử dụng các dải tần số vô tuyến gigahertz phụ, không có giấy phép như EU433 (433,05-434,79 MHz) và EU863-870 (863-87 /873 MHz) ở Châu Âu; AU915-928/AS923-1 (915-928 MHz) ở Úc; US902-928 (902-928 MHz) ở Bắc Mỹ; IN865-867 (865-867 MHz) ở Ấn Độ; và AU915-928/AS923-1 và EU433 Đông Nam Á.

Tốc độ dữ liệu từ 0,3 kbit/s đến 27 kbit/s tùy thuộc vào hệ số trải rộng.

Đối với chuẩn LoRa, có 3 ưu điểm đã được chỉ ra:

- Tối giản chi phí phát triển các thiết bị IoT sử dụng chuẩn.

- Chuẩn LoRa có ưu thế hơn về giải tần sử dụng cũng như tốc độ truyền tải là tương lại kết nối Cloud và giải quyết các hạn chế của các chuẩn hạn chế khác như BLZ, Wifi, Zigbee, …

- Giải tiêu thụ điện năng cho các thiết bị IoT.

Tuy nhiên chuẩn này vẫn trong giai đoạn phát triển, vẫn chưa phải hoàn thiện.

Chuẩn Lifi

LiFi là dạng viết tắt của “Light Fidelity”. Nó hoạt động trên nguyên tắc Giao tiếp ánh sáng có thể nhìn thấy (tức là VLC). Mạng này còn được gọi là khu vực mạng cá nhân VPAN hoặc VLC. VLC truyền dữ liệu bằng cách điều chế cường độ. Nó sử dụng đèn LED và điốt Laser (hoặc máy dò ảnh) ở các đầu truyền và nhận tương ứng. Nó hoạt động trong dải quang 380 nm đến 780 nm, là ánh sáng nhìn thấy được và do đó có tên là VLC.

Tiêu chuẩn VLC hoặc tiêu chuẩn VPAN xác định ba loại thiết bị viz. cơ sở hạ tầng, di động và phương tiện. Các thiết bị này hoạt động theo một trong ba cấu trúc liên kết được đề cập bên dưới. Các thiết bị khác nhau có phạm vi phủ sóng, tốc độ dữ liệu và các yêu cầu khác khác nhau.

Chính bởi công nghệ sử dụng như các bóng đèn LED nên tốc độ truyền dữ liệu cao hơn Wifi truyền thống đến hơn 100 lần.

Công ty Velmenni đã thí điểm tạo một không gian mạng ko dây trong văn phòng, sử dụng ánh sáng đèn LED thay vì dùng sóng radio để truyền dữ liệu như của Wi-Fi. CEO của Velmenni, Deepak Solanki, hồi giữa năm 2015 cho rằng công ty hy vọng sẽ mang sản phẩm này đến được với nhiều người sử dụng trong vòng 3-4 năm. Công nghệ đột phá này được công ty đặt cho cái tên là Li-Fi, lần đầu được một giáo sư đại học Edinburgh, giáo sư Harald Haas, giới thiệu.

Sau đây là những lợi ích của hệ thống LiFi:

- Lifi truyền dữ liệu rất nhanh chóng.

- Lifi truyền dữ liệu một cách an toàn vì nó có thể được sử dụng trong chế độ Line of Sight của tín hiệu quang. Nó không xuyên qua các bức tường và do đó nó không thể dễ dàng bị tin tặc xâm nhập.

- Lifi sử dụng nhiều năng lượng thấp để truyền tải so với các hệ thống khác như WiFi.

Cũng chính bởi không xuyên qua tường, Lifi cũng tạo ra nhiều các hạn chế, chưa kể năng lượng tiêu thụ để đạt các đoạn giao tiếp lớn là vẫn nằm trong tính toán.

Đây là một chuẩn mở vẫn trong giai đoạn nghiên cứu sâu và hoàn thiện.

Chuẩn truyền thông qua đường dây điện

Chuẩn truyền thông qua đường dây điện hay được gọi là PLC (Power Line Communication) là công nghệ truyền thống sử dụng mạng lưới dây điện truyền thống, công cộng và riêng hiện có để truyền tín hiệu. Có thể truyền dữ liệu tốc độ cao, giọng nói và video bằng tín hiệu truyền thông PLC thông qua đường điện áp thấp. Đây là công nghệ đã được sử dụng lâu đời và đang được nghiên cứu để ứng dụng cho công nghệ truyền thông mới với các thiết bị IoT.

Có 4 dạng truyền thông qua đường dây điện cơ bản:

- Kết nội mạng trong nhà: Sử dụng day điện chính nối với các hộ gia đình để truyền dữ liệu tốc độ cao.

- Băng thông rộng qua đường dây điện: Sử dụng dây điện chính nối với các đơn vị sử dụng để kết nối Internet băng thông rộng.

- Quản lý trong địa điểm băng thông thông hẹp: Dễ dàng kiểm soát và sử dụng liên lạc thông qua nguồn điện năng trong các địa điểm sử dụng dịch vụ dữ liệu tốc độ bit thấp.

- Ứng dụng ngoài trời: Sử dụng đọc đồng hồ tư đọng hoặc giám sát, điều khiển từ xa.

Về đặc điểm kỹ thuật, chuẩn PLC có tốc độ truyền dữ liệu cao, có thể lên đến 1200Mbps.

Về đánh giá trong việc triển khai trong thiết bị IoT, chuẩn IP Thread được đánh giá như sau:

Tạm kết

Tạm kết phần một, bài viết giới thiệu đến người đọc quá trình hình thành các nhóm liên minh phát triển IoT, đây cũng chính là sự khởi đầu của các chuẩn giao tiếp trên thiết bị IoT. Bài đọc cũng giới thiệu 5 chuẩn giao tiếp và sẽ tiếp tục với 8 chuẩn khác trong nhóm các chuẩn đã có vị thế trên thế giới, được xây dựng, nghiên cứu và phát triển để thuận tiện hơn trong triển khai IoT.

Thông qua việc giới thiệu các chuẩn mở này, bài đọc đưa ra các cơ sở tri thức để áp dụng phát triển hạ tầng Internet vạn vật (IoT) phục vụ các ứng dụng nghiệp vụ, chuyên môn trong chính phủ điện tử hiện nay.

Vũ Cao Minh Đức

Tài liệu tham khảo

1. “Bluetooth Core Specification”, https://www.bluetooth.com/.
2. "ZigBee Specification FAQ". ZigBee.org, Zigbee Alliance, June 14, 2013.
3. IEEE 802.15 WPAN Task Group 4 (November 27, 2019). "IEEE 802.15". IEEE802.org, Electrical and Electronics Engineers.
4. Công ty Semtech, www.semtech.com/lora/.