Các hệ thống giao tiếp CÓ DÂY trong IoT

Nếu bạn chưa quen với Internet of Things , MC&TT thực sự khuyên bạn nên xem qua phần Giới thiệu về Internet of Things để nắm bắt những điều cơ bản. IoT bao gồm Vật (Things), Cảm biến và Bộ truyền động, Con người, Giao thức truyền thông, Đám mây và Phân tích. Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về các giao thức Truyền thông khác nhau được sử dụng trong IoT.

Có hai loại Giao tiếp Truyền thông trong IoT

• Giao tiếp không dây
• Giao tiếp có dây

Các giao tiếp có dây trong IoT

Kết nối có dây cung cấp một phương tiện liên lạc rất đáng tin cậy vì khả năng kết nối mở rộng giữa các máy móc tại tầng nhà máy với các thiết bị và văn phòng công ty. Ví dụ: việc mở rộng mạng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các bộ định tuyến công nghiệp để cung cấp giao tiếp an toàn, đáng tin cậy, tốc độ cao. Thiết bị được kết nối vật lý ít có khả năng bị nhiễu hoặc gián đoạn hơn. Nhiều dữ liệu hơn thường có thể được chuyển với chi phí thấp hơn, vì các công ty giảm nguy cơ phải trả phí bằng data di động cao.

Ví dụ, các thiết bị Switch Ethernet cấp công nghiệp hoạt động đáng tin cậy ở các vị trí xa xôi, khắc nghiệt trong một số cấu hình. Nhiều thiết bị Switch công nghiệp cung cấp khả năng chẩn đoán giúp ngăn chặn thời gian chết bằng cách chủ động đưa ra cảnh báo trước khi nhiệt độ giảm và các điều kiện khắc nghiệt khác có thể gây ra sự cố. Một tính năng tùy chọn là để công tắc thường xuyên gửi các gói dữ liệu chẩn đoán có thể được tích hợp vào hệ thống quản lý hoặc xem trên HMI.

Giao tiếp có dây được chia thành hai loại:

Giao tiếp nội bộ:

1. I2C
2. SPI

Giao tiếp bên ngoài

1. Ethernet
2. RS-232
3. RS-485
4. UART
5. USART
6. USB

Giao tiếp nội bộ (Internal)

1) Giao tiếp I2C

I2C là viết tắt của bus “Mạch tích hợp liên kết – Inter-integrated circuit”. Nó được phát triển cho tivi bởi Philips Semiconductor, 1980

Trong các thiết bị I2C, bộ xử lý, EEPROM, cảm biến, đồng hồ thời gian thực được sử dụng làm giao diện điều khiển và thiết bị I2C cũng có thể có dữ liệu riêng biệt Giao diện (bộ chỉnh TV kỹ thuật số, bộ giải mã video, bộ xử lý âm thanh…) Có 3 loại I2C dựa trên tốc độ: Chậm (dưới 100 Kbps), Nhanh (400 Kbps), Tốc độ cao (3,4 Mbps).

Như bạn có thể thấy trong hình trên, có hai đường dây tức là Dữ liệu nối tiếp (SDA) và Đồng hồ nối tiếp (SCL). Một số thiết bị phụ có thể được kết nối với thiết bị chính bằng I2C.

Ưu điểm và nhược điểm của I2C

Ưu điểm:

• Hữu ích cho các thiết bị thỉnh thoảng giao tiếp
• Lược đồ địa chỉ cho phép nhiều thiết bị
• Kết nối với nhau mà không cần thêm dây.

Nhược điểm:

• Việc triển khai phần cứng và đặc biệt là phần mềm phức tạp hơn SPI Half-duplex.
• Không thể mở rộng cho số lượng lớn thiết bị.

2) Giao tiếp SPI

Các Serial Peripheral Interface bus (SPI) là một đồng bộ giao tiếp nối tiếp giao diện đặc điểm kỹ thuật được sử dụng để giao tiếp khoảng cách ngắn, chủ yếu trong các hệ thống nhúng. Giao diện được phát triển bởi Motorola vào cuối những năm 1980. Các ứng dụng điển hình bao gồm thẻ Kỹ thuật số an toàn và màn hình tinh thể lỏng.

Như bạn có thể thấy trong hình trên rằng các thiết bị phụ có 4 kết nối tức là SCLK (Đồng hồ nối tiếp), MOSI (Đầu vào slave đầu ra chính), MISO (Đầu vào master đầu ra slave), SS (Chọn slave). 3 chân đầu tiên chia sẻ cùng một đường từ bộ điều khiển nhưng chân SS điều khiển thiết bị phụ nào đang hoạt động.

Ưu điểm và nhược điểm của SPI:

Ưu điểm:

• Nhanh hơn nối tiếp không đồng bộ
• Phần cứng nhận có thể là một thanh ghi dịch chuyển đơn giản
• Hỗ trợ nhiều slave

Nhược điểm:

• Yêu cầu nhiều đường tín hiệu (dây) hơn các phương thức truyền thông khác
• Thông tin liên lạc phải được xác định trước.
• Chủ nhân phải kiểm soát tất cả các giao tiếp (các slave không thể nói chuyện trực tiếp với nhau)
• Nó thường yêu cầu các đường SS riêng biệt cho mỗi slave, điều này có thể gây ra vấn đề nếu cần nhiều slave.

Hình ảnh dưới đây so sánh hai phương pháp liên lạc nội bộ có dây.

 

Giao tiếp bên ngoài

1) Ethernet

Một hệ thống kết nối một số hệ thống máy tính để tạo thành một mạng cục bộ, với các giao thức để kiểm soát việc truyền thông tin và tránh truyền đồng thời bởi hai hoặc nhiều hệ thống. Công nghệ mạng LAN được sử dụng rộng rãi đầu tiên được phát triển vào giữa những năm 1970 bởi các nhà nghiên cứuntại Trung tâm Nghiên cứu Xerox Palo Alto (PARC).

Mỗi card giao diện mạng Ethernet (NIC) được cấp một mã định danh duy nhất gọi là địa chỉ MAC. Địa chỉ MAC bao gồm một số 48 bit. Trong số 24 bit đầu tiên xác định nhà sản xuất và nó được gọi là ID nhà sản xuất hoặc Mã định danh duy nhất của tổ chức (OUI) và điều này được chỉ định bởi cơ quan đăng ký.

Ưu điểm và nhược điểm của Ethernet

Ưu điểm:

• Mạng lưới bắt đầu với nó và kết thúc với nó.
• Đáng tin cậy và có thể được sử dụng trong một tòa nhà, không quan trọng bao nhiêu tầng.
• Sẽ cần thiết chuyển đổi để giữ mạng.
• Về cơ bản nó được sử dụng để tạo ra mạng LAN.

Nhược điểm:

• Không thể sử dụng cho mạng đường dài. đồng hoặc Sợi sẽ giúp ích ở đây.
• Trong một mạng tòa nhà, bạn phải kết nối Ethernet để chuyển đổi và sau đó lại dùngEthernet để tạo nên mạng như vậy, một thứ địa ngục (với sự hiện diện của rất nhiều dây cáp) rất khó chịu và khó quản lý.

Ứng dụng của Ethernet:

• Điện toán đám mây
• Truy cập từ trang đến site
• Ứng dụng Video
• Mạng khu vực lưu trữ phân tán
• Camera quan sát
• Dây cáp đồng
• Cáp quang

2) RS-232

RS-232 là viết tắt của Recommended Standard 232, về cơ bản, nó là một tiêu chuẩn giao diện, thường được sử dụng trong các Serial Port của máy tính. Tiêu chuẩn xác định các đặc tính điện và thời gian của tín hiệu. vào năm 1997.

Ưu điểm và nhược điểm của RS-232

Ưu điểm:

• Hệ thống dây và đầu nối đơn giản
• Phổ biến rộng rãi
• Giá thấp
• Hầu hết các bộ xử lý nhúng bao gồm giao diện này
• Phần mềm để thực hiện một Serial Port rất dễ dàng

Nhược điểm:

• Không được sử dụng phổ biến
• Các kết nối và thuật ngữ ít tiêu chuẩn hơn
• Hoạt động bán song công chủ-tớ

Ứng dụng của RS-232

• Tuần tự hóa dữ liệu để gửi đến modem
• Hủy tuần tự hóa dữ liệu nhận được từ modem

3) RS-485

RS-485 (Tiêu chuẩn EIA-485) là một cải tiến. Nó tăng số lượng thiết bị từ 10 lên 32 và xác định các đặc tính điện cần thiết để đảm bảo đủ điện áp tín hiệu dưới tải tối đa. Nó có thể tạo ra mạng lưới các thiết bị được kết nối với một RS- Serial Port 485: Khả năng chống nhiễu và đa điểm rơi khiến RS-485 trở thành kết nối nối tiếp được lựa chọn trong các ứng dụng công nghiệp. Phần cứng của RS-485 có thể được sử dụng cho giao tiếp nối tiếp với cáp lên đến 4000 feet.

Ưu điểm và nhược điểm của RS-485

Ưu điểm:

• Giá thấp
• Miễn nhiễm với tiếng ồn
• Ứng dụng đa điểm
• Hoạt động trên một cặp dây

Nhược điểm:

• Không được sử dụng phổ biến
• Các kết nối và thuật ngữ ít tiêu chuẩn hơn
• Hoạt động bán song công master-slave

Ứng dụng của RS-485

• Tín hiệu RS-485 được sử dụng trong một loạt các hệ thống máy tính và Automation – IoT .
• RS-485 được sử dụng làm lớp vật lý bên dưới nhiều giao thức Automation – IoT tiêu chuẩn và độc quyền được sử dụng để triển khai Hệ thống điều khiển công nghiệp
• RS-485 cũng được sử dụng trong Automation – IoT tòa nhà vì hệ thống dây dẫn đơn giản và chiều dài cáp dài.
• Nó cũng được sử dụng trong mô hình đường sắt.

4) UART

UART là tên của phần cứng được sử dụng cho Giao diện nối tiếp RS-232. UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver Transmitter. Các máy tính PC trước đây có chip UART, nhưng chức năng này hiện được tìm thấy bên trong một chip lớn hơn cũng chứa các tính năng I / O khác. Một UART có thể được sử dụng khi không yêu cầu tốc độ cao hoặc cần một liên kết giao tiếp rẻ tiền giữa hai thiết bị. Giao tiếp UART rất rẻ, không đồng bộ vì không có tín hiệu đồng hồ nào được truyền đi.

UART thêm bit bắt đầu và bit dừng vào gói dữ liệu đang được chuyển. Các bit này xác định đầu và cuối của gói dữ liệu để UART nhận biết khi nào bắt đầu đọc các bit. Khi UART nhận phát hiện một bit bắt đầu, nó bắt đầu đọc các bit đến ở một tần số cụ thể được gọi là tốc độ truyền. Tốc độ truyền là thước đo tốc độ truyền dữ liệu, được biểu thị bằng bit trên giây (bps).

Ưu điểm và nhược điểm của UART

Ưu điểm:

• Dây đơn.
• Giao diện dễ dàng với PC.
• Phạm vi giao diện vật lý tiêu chuẩn (TTL, RS232, RS422, RS485).

Nhược điểm:

• Cần độ chính xác đồng hồ hợp lý cả hai đầu.
• Tốc độ dữ liệu tối đa trong thực tế khoảng 1mbit / giây (thường bị giới hạn bởi khả năng của UART).

Ứng dụng của UART

• UART truyền và nhận phải được đặt cho cùng tốc độ bit, độ dài ký tự, chẵn lẻ và bit dừng để hoạt động thích hợp.
• Các máy tính gia đình hoặc hệ thống nhúng chi phí rất thấp phân phối với UART và sử dụng CPU để lấy mẫu trạng thái của cổng đầu vào hoặc thao tác trực tiếp với cổng đầu ra để truyền dữ liệu.
• Các Serial Port điển hình được sử dụng với máy tính cá nhân kết nối với modem sử dụng tám bit dữ liệu.

5) USART

Mô-đun USART là thiết bị ngoại vi giao tiếp I / O song công, nối tiếp, chứa tất cả các thanh ghi dịch chuyển, bộ tạo xung nhịp và bộ đệm dữ liệu cần thiết cho giao tiếp nối tiếp. Nó có thể hoạt động ở chế độ đồng bộ hoặc ở chế độ không đồng bộ. USART sử dụng hai I / O chân để truyền và nhận dữ liệu nối tiếp. Cả quá trình truyền và nhận có thể xảy ra cùng lúc, tức là hoạt động ‘song công’.

Chế độ không đồng bộ:

• Truyền dữ liệu diễn ra theo cách sau:
• Ở trạng thái nhàn rỗi, dòng dữ liệu có mức logic cao (1).
• Quá trình truyền dữ liệu bắt đầu bằng một bit bắt đầu, luôn là số không.
• Từ dữ liệu được chuyển (8 hoặc 9 bit), LSB được gửi trước.
• Mỗi từ kết thúc bằng một bit dừng, luôn ở mức cao (1).

6) USB:

Nó là một giao diện ngoại vi đại diện .USB là viết tắt của Universal Serial Bus, nó cung cấp một tiêu chuẩn bus nối tiếp để kết nối các thiết bị, thường là với máy tính, nhưng nó cũng được sử dụng trên các thiết bị khác như hộp giải mã tín hiệu, bảng điều khiển trò chơi và PDA.

Chuẩn USB:

• Đặc điểm kỹ thuật USB 1.0 được giới thiệu vào năm 1994
• Đặc điểm kỹ thuật USB 2.0 được hoàn thiện vào năm 2001: Trở nên phổ biến do lợi thế về chi phí / lợi ích.
• Ví dụ IEEE 1394 – băng thông cao, chi phí cao
• Có Ba thế hệ USB: USB 1.0, USB 2.0, USB 3.0

Ưu điểm và nhược điểm của USB

Ưu điểm:

• Ổ đĩa flash sử dụng ít năng lượng, không có bộ phận chuyển động dễ vỡ và đối với hầu hết các ổ đĩa đều có dung lượng nhỏ và nhẹ.
• Dữ liệu được lưu trữ trên ổ đĩa flash không bị va đập cơ học, từ trường, trầy xước và bụi.

Nhược điểm:

• Ổ đĩa flash chỉ có thể duy trì một số chu kỳ ghi và xóa giới hạn trước khi ổ bị lỗi.
• Một nhược điểm của kích thước nhỏ là chúng dễ bị thất lạc, bị bỏ lại hoặc bị mất.

Hình ảnh bên dưới phân biệt giữa UART, USART và USB.

Nếu bạn muốn tìm hiểu về các Giao thức Truyền thông không dây trong IoT, bạn có thể tham khảo Giao thức Truyền thông Không dây IoT tại đây.

Cái nào là tốt nhất cho IoT, có dây hay không dây?

Hiểu rõ về công nghệ của bạn và cách kết nối nó là điều cần thiết trong bất kỳ dự án IoT nào. Để chọn hình thức kết nối tốt nhất cho ứng dụng của bạn, có ba câu hỏi chính cần giải quyết.

Tôi có bao nhiêu không gian ?

Một hệ thống có dây có thể yêu cầu một lượng lớn cáp để kết nối các thành phần và thiết bị, điều này có thể cồng kềnh và đắt tiền. Một trong những ưu điểm chính của hệ thống không dây là chúng có thể được lắp đặt ở hầu hết mọi vị trí, ngay cả những nơi không gian hạn chế. Để thảo luận về lựa chọn nào phù hợp nhất với cơ sở của bạn, bạn có thể sắp xếp để một chuyên gia xem xét nhà máy của bạn và đề xuất loại thiết bị Automation – IoT công nghiệp tốt nhất cho bạn.

Tôi đang cần tự động hóa bao nhiêu ?

Nếu bạn đang kết nối một số lượng nhỏ thiết bị với IoT thì công nghệ có dây là lựa chọn phù hợp cho các mục đích của bạn, vì công nghệ này nhanh và đáng tin cậy. Tuy nhiên, việc thêm hệ thống cáp bổ sung hoặc định tuyến lại hệ thống cáp hiện có của hệ thống có dây có thể vô cùng khó khăn. Do đó, các hệ thống không dây cung cấp một lựa chọn có thể mở rộng hơn cho các doanh nghiệp đang có kế hoạch mở rộng mức độ kết nối của họ trong tương lai.

Giá trị kinh tế và kỹ thuật ở đâu ?

Công nghệ không dây có thể cung cấp một lựa chọn hiệu quả về chi phí cho các doanh nghiệp kết nối một số lượng lớn thiết bị. Mặc dù chi phí trả trước có thể cao, nhưng tính linh hoạt được cung cấp cho các doanh nghiệp đang phát triển có thể dẫn đến giá trị tốt hơn trong dài hạn. Tuy nhiên, nếu công ty của bạn đặt mục tiêu Automation – IoT một bộ phận một cách đáng tin cậy và an toàn (Ví dụ những giải pháp cần truyền tải dữ liệu tốc độ cao và chính xác) thì Automation – IoT có dây có thể có ý nghĩa kinh doanh tốt do tính trung thực của nó. Hãy nhớ rằng mạng có dây càng lớn thì việc cài đặt, bảo trì và quản lý càng đắt.