10 Chuẩn truyền thông không dây phổ biến trong IoT

Truyền thông là yếu tố quyết định khi triển khai Internet of Things (IoT). Công nghệ không dây dần được ưu tiên sử dụng cho các ứng dụng IoT. Tùy thuộc vào khoảng cách địa lý, quy mô ứng dụng, nguồn nuôi thiết bị,… chúng ta có thể lựa chọn các kết nối phù hợp như: mạng di động 3G/4G/5G, ZigBee, Wifi, Bluetooth, NB-IoT, LiFi, hồng ngoại, RFID…

Mạng di động – GPRS/3G/4G/5G

Với các ứng dụng IoT/M2M yêu cầu khoảng cách truyền thông dài, hoặc không bị giới hạn bởi khoảng cách địa lý thì việc lựa chọn đường truyền dữ liệu thông qua mạng điện thoại di động GPRS/3G/4G(LTE) là một lựa chọn sáng suốt.

Mạng di động cung cấp giao tiếp băng thông rộng đáng tin cậy cho các ứng dụng truyền phát giọng nói và video. Tuy nhiên, chi phí vận hành và công suất tiêu thụ cao.

Đối với các ứng dụng hoạt động bằng pin như các mạng cảm biến, sử dụng mạng di động là không khả thi. Nhưng, chúng phù hợp tốt trong các ứng dụng quản lý đội xe, giám sát video trên đường cao tốc, thông tin giải trí trên xe, hệ thống không người lái, với vùng phủ sóng rộng khắp cả nước và băng thông cao.

Đặc biệt, thế hệ mạng di động tiếp theo 5G với tốc độ cao và độ trễ thấp được định vị là tương lai của các phương tiện tự trị. 5G cũng được cho là sẽ cho phép giám sát video thời gian thực vì an toàn công cộng, cung cấp dữ liệu sức khỏe di động theo thời gian thực và một số ứng dụng tự động hóa công nghiệp.

Narrowband IoT – NB-IoT

NB-IoT sử dụng truyền thông bán song công. Việc sử dụng truyền bán song công này – kết hợp với tốc độ dữ liệu thấp, sử dụng băng thông Tần số vô tuyến (RF) thấp hơn và một ăng-ten duy nhất.

NB-IoT giảm mức tiêu thụ điện năng của các module so với các module LTE Cat-1 thông thường, nhờ các tính năng như: chế độ tiết kiệm năng lượng (Power Savings Mode – PSM) và eDRX (Extended Discontinuous Reception), cũng như khả năng của NB-IoT để tối ưu hóa lượng năng lượng được sử dụng cho việc truyền dữ liệu. Điều này cho phép các nhà phát triển ứng dụng IoT xây dựng các thiết bị có thể hoạt động hơn 10 năm chỉ với việc chạy bằng pin.

Tại Việt Nam, Viettel là nhà mạng đầu tiên tại triển khai cung cấp dịch vụ sử dụng công nghệ NB-IoT.

6LoWPAN

6LoWPAN là tên viết tắt của IPv6 protocol over low-power wireless PANs ( tức là: sử dụng giao thức IPv6 trong các mạng PAN không dây công suất thấp). 6LoWPAN được phát triển bởi hiệp hội đặc trách kỹ thuật Internet IETF ( Internet Engineering Task Foce), cho phép truyền dữ liệu qua các giao thức IPv6 và IPv4 trong các mạng không dây công suất thấp với các cấu trúc mạng điểm – điểm ( P2P: point to point ) và dạng lưới ( mesh).

Tiêu chuẩn được đặt ra để quy định các đặc điểm của 6LoWPAN – cho phép sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT.

Điểm khác của 6LoWPAN so với Zigbee, Bluetooth là: Zigbee hay bluetooth là các giao thức ứng dụng, còn 6LoWPAN là giao thức mạng, cho phép quy định cơ chế đóng gói bản tin và nén header. Đặc biệt, IPv6 là sự kế thừa của IPv4 và cung cấp khoảng 5 x 1028 địa chỉ cho tất cả mọi đối tượng trên thế giới, cho phép mỗi đối tượng là một địa chỉ IP xác định để kết nối với Internet.

Được thiết kế để gửi các bản tin IPv6 qua mạng IEEE802.15.4 và các tiêu chuẩn IP mở rộng như: TCP, UDP, HTTP, COAP, MQTT và Websocket, là các tiêu chuẩn cung cấp nodes end-to-end, cho phép các router kết nối mạng tới các IP.

LoRa

LoRa (Long Range Radio) được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012, là một công nghệ không dây dùng để truyền dữ liệu tầm xa, năng lượng thấp và an toàn cho các ứng dụng M2M và IoT. LoRa được sử dụng để kết nối không dây các cảm biến, gateway, máy móc, thiết bị, động vật, con người, … với đám mây.

Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như mạng cảm biến trong đó các nút cảm biến có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động với pin trong thời gian dài trước khi cần thay pin.

Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơn nữa LoRa không cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu Lora có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh.

Công nghệ LoRa hoạt động ở các dải tần khác nhau ở các vùng khác nhau: Ở Hoa Kỳ, nó hoạt động ở băng tần 915 MHz, ở châu Âu, nó hoạt động ở băng tần 868 MHz và ở châu Á, nó hoạt động ở dải tần 865 đến 867 MHz, 920 đến 923 MHz.

Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau. Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho 1 chirprate)

Bluetooth và BLE

Bluetooth là công nghệ giao tiếp truyền thông trong khoảng cách ngắn. Hiện nay, bluetooth xuất hiện hầu hết ở các thiết bị như máy tính, điện thoại/ smartphone,….và nó được dự kiến là chìa khóa cho các sản phẩm IoT đặc biệt.

BLE – Bluetooth Low Energy là một giao thức được sử dụng đáng kể cho các ứng dụng IoT. Quan trọng hơn, cùng với một khoảng cách truyền tương tự như Bluetooth, BLE được thiết kế để tiêu thụ công suất ít hơn rất nhiều.

Các thiết bị hỗ trợ BLE hầu hết được sử dụng cùng với các thiết bị điện tử; thường là điện thoại thông minh; hoạt động như một trung tâm để truyền dữ liệu lên đám mây. Ngày nay, BLE được tích hợp rộng rãi trong các thiết bị đeo tay thể dục và y tế cũng như các thiết bị nhà thông minh, theo đó dữ liệu được truyền đạt và hiển thị thuận tiện trên điện thoại thông minh.

Zigbee

ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá nhân PAN (Personal Area Network). Giao thức này được tạo ra nhằm phục vụ cho những ứng dụng yêu cầu giá thành và công suất thấp nhưng phải có khả năng linh động trong phạm vi rộng.

Zigbee sẽ hoạt động ở một trong ba tần chính là:

• Dải 868 – 868.8 MHz (châu Âu): chỉ một kênh tín hiệu, trong dải này tốc độ truyền là 20kb/s.
• Dải 902 – 928 MHz (Mỹ, Canada, Úc): có 10 kênh tín hiệu từ 1 – 10 với tốc độ truyền thường là 40kb/s.
• Dải 2.4 – 2.4835 GHz (hầu hết các nước khác trên thế giới): 16 kênh tín hiệu từ 11 – 26 với tốc độ truyền 250 kb/s.

Do phạm vi vật lý ngắn (thường <100m), Zigbee phù hợp nhất cho các ứng dụng IoT tầm trung với sự phân bố các nút gần nhau. Thông thường, Zigbee là sự bổ sung hoàn hảo cho Wi-Fi cho các ứng dụng Smart Home khác nhau như chiếu sáng thông minh, điều khiển HVAC, bảo mật và quản lý năng lượng,…

Wifi

Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống như điện thoại di động, truyền hình và radio. Tên gọi 802.11 bắt nguồn từ viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Viện này tạo ra nhiều chuẩn cho nhiều giao thức kỹ thuật khác nhau, và nó sử dụng một hệ thống số nhằm phân loại chúng; 6 chuẩn thông dụng của WiFi hiện nay là 802.11a/b/g/n/ac/ad.

Tất cả các chuẩn WiFi trên Việt Nam đều có sử dụng. Tuy nhiên, chuẩn WiFi đang được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là 802.11g và 802.11n. Nhưng được sử dụng nhiều nhất vẫn là 802.11n, hoạt động ở 2 dải tần 2.4GHz và 5GHz

Ngoại trừ một số ứng dụng như bảng hiệu kỹ thuật số và camera an ninh trong nhà, Wi-Fi thường không phải là giải pháp khả thi để kết nối các thiết bị IoT vì những hạn chế trong phạm vi phủ sóng và tiêu thụ điện năng. Thay vào đó, công nghệ có thể hoạt động như một mạng back-end để giảm tải dữ liệu tổng hợp từ một trung tâm IoT trung tâm lên đám mây, đặc biệt là trong các ngôi nhà thông minh. Vấn đề bảo mật cũng là trở ngại trong việc áp dụng nó trong các ứng dụng công nghiệp.

LIFI

LIFI là một công nghệ không dây sử dụng các bóng đèn LED để truyền dữ liệu với tốc độ nhanh hơn Wifi tới 100 lần. Như vậy, với bóng đèn LED với chức năng thắp sáng, giờ có thêm chức năng truyền dữ liệu tốc độ cao.

Li-Fi sử dụng dải tần ánh sáng mà mắt người nhìn thấy được để làm phương tiện truyền dữ liệu. Tuy vậy, người dùng không thể sử dụng bất kỳ nguồn ánh sáng đèn điện nào mà phải cần một nguồn sáng riêng để điều biến tín hiệu, tạo thành luồng dữ liệu. Hiện thời, tính năng này chỉ thực hiện được với các bóng đèn LED đạt chuẩn, có tích hợp một chip đặc biệt và có thêm một bộ nhận tín hiệu ánh sáng đặc biệt để có thể giải mã được tín hiệu ánh sáng truyền đi từ đèn LED.

Li-Fi truyền dữ liệu với tốc độ 1GB mỗi giây, nhanh hơn 100 lần so với WiFi thông thường. Bằng cách sử dụng phổ hồng ngoại và phổ ánh sáng khả kiến, Li-Fi có kích thước gấp khoảng 2600 lần so với toàn bộ phổ tần số vô tuyến 300GHz.

Với chip xử lý Li-Fi, đèn LED trở thành điểm truy cập mạng. Luồng dữ liệu nhị phân được cung cấp từ Internet hoặc máy chủ thông qua phương tiện tốc độ cao và router, sau đó tới đèn. Các router LED sau đó điều chỉnh đầu ra để nhúng dữ liệu vào ánh sáng. Thiết bị của bạn sẽ cần một bộ thu quang hoặc một dongle cắm vào cổng USB, để truy cập Li-Fi.

Tia hồng ngoại

Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng mà mắt thường có thể nhìn thấy. Thông thường, mắt chúng ta có thể nhìn thấy 7 màu của ánh sáng từ tím đến đỏ, trong đó ánh sáng đỏ có bước sóng lớn nhất là 700nm. Do đó, tia hồng ngoại sẽ có bước sóng vào khoảng 700 nm đến 1 mm và được chia làm 3 loại theo chiều dài bước sóng.

Tia hồng ngoại được ứng dụng khá phổ biến trong y học, được chứng minh có khả năng điều trị nhiều căn bệnh như: ung thư, viêm dạ dày, viêm gan, viêm tuyến tiền liệt,… Ngoài ra, tia hồng ngoại còn giúp làm dịu các vết thương do bỏng lạnh hoặc bỏng nóng gây ra, có tác dụng làm đẹp da,…

Các cảm biến hồng ngoại ở nhiều nơi công cộng như sân bay, bệnh viện,… giúp nhận biết người và các đồ vật di chuyển xung quanh, cũng như phát hiện những vật thể lạ có trong vali của hành khách.

Bộ điều khiển hồng ngoại được dùng nhiều trong các ứng dụng Smart Home, điều khiển điều hòa, chiếu sáng, tivi thông minh,…

RFID

RFID (Radio Frequency Identification) là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến. Công nghệ này cho phép nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio, từ đó có thể giám sát, quản lý hoặc lưu vết từng đối tượng. Một hệ thống RFID thường bao gồm 2 thành phần chính là thẻ tag (chip RFID chứa thông tin) và đầu đọc (reader) đọc các thông tin trên chip.

Cho đến bây giờ, công nghệ đã tạo điều kiện cho một cuộc cách mạng lớn trong bán lẻ và hậu cần. Bằng cách gắn thẻ RFID vào các sản phẩm và thiết bị khác nhau, doanh nghiệp có thể theo dõi hàng tồn kho và tài sản theo thời gian thực – cho phép lập kế hoạch sản xuất và tồn kho tốt hơn cũng như quản lý chuỗi cung ứng được tối ưu hóa.

Kết luận

Mỗi loại công nghệ có ưu nhược điểm riêng tùy theo nhu cầu sử dụng và quy mô mà được lựa chọn sao cho phù hợp mục đích và yêu cầu sử dụng khác nhau. Hy vọng bài viết này sẽ giúp bạn có được những thông tin thật bổ ích.