13 cách thức truyền dữ liệu trong IoT cho các kỹ sư điện

BKAII tổng hợp 13 cách thức truyền dữ liệu trong IoT cho các kỹ sư điện - tự động hóa tham khảo khi có nhu cầu thiết kế sản phẩm/giải pháp của mình. Đã nói đến IoT là nói đến truyền dữ liệu không dây, tùy thuộc vào khoảng cách địa lý, nguồn năng lượng nuôi thiết bị, tài chính,... mà các bạn lựa chọn cách thức sao cho hợp lý nhé! Bài viết được liệt kê khá chi tiết về các cách thức như: GPRS/3G, Zigbee, bluetoth, LoRa, Wifi,....

• 61 ý tưởng IoT khởi nghiệp giành cho các kỹ sư điện
•  IoE - internet of everything và sự khác biệt với IoT

1. Bluetooth

Một công nghệ giao tiếp truyền thông trong khoảng cách ngắn vô cùng quan trọng, đó là Bluetooth. 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, cho phép giao tiếp thiết bị với các smartphone - một "thế lực hùng hậu" hiện nay. 

Hiện nay, BLE - Bluetooth Low Energy - hoặc Bluethooth Smart 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. Thật tuyệt phải không các bạn?

Tuy nhiên, BLE  không thực sự được thiết kế cho các ứng dụng dùng để truyền file và sẽ phù hợp hơn cho khối dữ liệu nhỏ. Nó có một lợi thế vô cùng lớn trong bối cảnh hiện nay, smartphone đang là thiết bị không thể thiếu được của mỗi người. Theo Bluetooth SIG, hiện có hơn 90% điện thoại smartphone được nhúng Bluetooth, bao gồm các hệ điều hành IOS, Android và Window, và dự kiến đến năm 2018 sẽ là " Smart Ready".

Một số thông tin kỹ thuật về Bluetooth 4.2:

• Tần số: 2.4 GHz
• Phạm vi: 50-150m ( Smart / BLE)
• Dữ liệu truyền được: 1Mbps

2.  Zigbee 

• Zigbee - Các khái niệm cơ bản

Zigbee, giống như Bluetooth, là một loại truyền thông trong khoảng cách ngắn, hiện được sử dụng với số lượng lớn và thường được sử dụng trong công nghiệp. Điển hình, Zigbee Pro và Zigbee remote control (RF4CE) được thiết kế trên nền tảng giao thức IEEE802.15.4 - là một chuẩn giao thức truyền thông vật lý trong công nghiệp hoạt động ở 2.4Ghz thường được sử dụng trong các ứng dụng khoảng cách ngắn và dữ liệu truyền tin ít nhưng thường xuyên, được đánh giá phù hợp với các ứng dụng trong smarthome hoặc trong một khu vực đô thị/khu chung cư.

Zigbee / RF4CE có một lợi thế đáng kể trong các hệ thống phức tạp cần các điều kiện: tiêu thụ công suất thấp, tính bảo mật cao, khả năng mở rộng số lượng các node cao...ví dụ như yêu cầu của các ứng dụng M2M và IoT là điển hình. Phiên bản mới nhất của Zigbee là 3.0, trong đó điểm nổi bật là sự hợp nhất của các tiêu chuẩn Zigbee khác nhau thành một tiêu chuẩn duy nhất. Ví dụ, sản phẩm và kit phát triển của Zigbee của TI là CC2538SF53RTQT Zigbee System-On-Chip T và CC2538 Zigbee Development Kit.

• Standard: ZigBee 3.0 based on IEEE802.15.4

• Frequency: 2.4GHz

• Range: 10-100m

• Data Rates: 250kbps

3. Z-wave

Tương tự Zigbee, Z-Wave là chuẩn truyền thông không dây trong khoảng cách ngắn và tiêu thụ rất ít năng lượng. Dung lượng truyền tải với tốc độ 100kbit/s, quá đủ cho nhu cầu giao tiếp giữa các thiết bị trong các hệ thống IoT, M2M. Chuẩn kết nối Z-Wave và Zigbee cùng hoạt động với tần số 2.4GHz, và cùng được thiết kế với mức tiêu thụ năng lượng rất ít nên có thể sử dụng với các loại PIN di động.Zwave hoạt động ở tần số thấp hơn so với Zigbee/wifi, dao động trong các dải tần của 900Mhz, tùy theo quy định ở từng khu vực khác nhau.

Ưu điểm của Z-Wave là tiêu thụ năng lượng cực ít và độ mở ( open platform) cực cao. Hiện nay, Z-Wave được ứng dụng chủ yếu trong ứng dụng smarthome. Đặc biệt, mỗi thiết bị Z-Wave trong hệ thống là một thiết bị có thể vừa thu và vừa phát sóng nên tính ổn định hệ thống được nâng cao.

Đặc biệt, Z-Wave đã được nhiều nhà sản xuất thiết bị tích hợp vào, đây là một công nghệ đang được chú ý và các nhà sản xuất đang tập trung nhiều hơn vào nó.

Thông số kỹ thuật cơ bản:

• Standard: Z-Wave Alliance ZAD12837 / ITU-T G.9959
• Frequency: 900MHz (ISM)
• Range: 30m
• Data Rates: 9.6/40/100kbit/s

4. 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.

  • Standard: RFC6282.
  • Frequency: (adapted and used over a variety of other networking media including Bluetooth Smart (2.4GHz) or ZigBee or low-power RF (sub-1GHz).
  • Range: N/A.
  • Data Rates: N/A
    
    
• 5. Thread
• Thread là một giao thức IP mới, dựa trên nền tảng mạng IPv6 được thiết kế riêng cho mảng tự động hóa trong các tòa nhà và nhà. Nó không phải là một giao thức được yêu thích để ứng dụng trong các bài toán IoT như Zigbee hay Bluetooth. 

• 

  Được ra mắt vào giữa năm 2014 bởi Theard Group, giao thức Thread dựa trên các tiêu chuẩn khác nhau, bao gồm IEEE802.15.4, IPv6 và 6LoWPAN, và cung cấp một giải pháp dựa trên nền tảng IP cho các ứng dụng IoT. Được thiết kế để làm việc với các sản phẩm chip của Freescale và Silicon Labs ( vốn hỗ trợ chuẩn IEÊ802.15.4), đặc biệt có khả năng xử lý lên đến 250 nút với độ xác thực và tính mã hóa cao. Với một bản phần mềm upgrade đơn giản, cho phép người dùng có thể chạy Theard trên các thiết bị hỗ trợ IEEE802.15.4 hiện nay.

  • Tiêu chuẩn: Theard, dựa trên IEEE802.15.4 và 6LowPAN. 
  • Tần số: 2.4GHz (ISM). 
  • Phạm vi: N / A
• 6. Wifi.

  

  Wifi  (là viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11) là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, cũng giống như điện thoại di đông, truyền hình và radio. Kết nôi Wifi thường là sự lựa chọn hàng đầu của rất nhiều kỹ sư giải pháp bởi tính thông dụng và kinh tế của hệ thống wifi và mạng LAN với mô hình kết nối trong một phạm vi địa lý có giới hạn. 

  Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác. Nó có thể chuyển và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại. Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz. Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình. Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn.

  Hiện nay, đa số các thiết bị wifi đều tuân theo chuẩn 802.11n, được phát ở tần số 2.4Ghz và đạt tốc độ xử lý tối đa 300Megabit/giây

  • Standard: Based on 802.11n (most common usage in homes today)
  • Frequencies: 2.4GHz and 5GHz bands
  • Range: Approximately 50m
  • Data Rates: 600 Mbps maximum, but 150-200Mbps is more typical, depending on channel frequency used and number of antennas (latest 802.11-ac standard should offer 500Mbps to 1Gbps)
  7. Cellular 

  

   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/LTE là một lựa chọn sáng suốt. Tất nhiên, đối với các kỹ sư thiết kế giải pháp,ai cũng hiểu rằng, truyền dữ liệu đi xa thì sẽ tốn năng lượng tương ứng. Và yếu tố tiêu hao năng lượng dễ được chấp nhận trong bài toán này. 
  

  Hiện nay, các thiết bị/các điểm đầu cuối trong công nghiệp đều được hỗ trợ tích hợp các cổng giao tiếp vật lý theo chuẩn như: RS232 , RS485, RS422 hay Ethernet. Các phương tiện truyền thông qua mạng di động đều hỗ trợ đầu vào là các cổng Serial hay Ethernet nên việc tích hợp giải pháp truyền thông không dây không còn khó khăn hay bị giới hạn bởi yếu tố khách quan nào khác.

                                        > > > Tổng quan về giao tiếp RS232

                                    > > > Sự khác nhau giữa RS232 và RS485

  • Standard: GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G)
  • Frequencies: 900/1800/1900/2100MHz
  • Range: 35km max for GSM; 200km max for HSPA
  • Data Rates (typical download): 35-170kps (GPRS), 120-384kbps (EDGE), 384Kbps-2Mbps (UMTS), 600kbps-10Mbps (HSPA), 3-10Mbps (LTE) 
• 8. NFC

  Đây là một giao thức truyền thông tương đối "lạ" đối với các kỹ sư giải pháp / thiết kế.

  

  Vậy, NFC là gì?

  NFC (Near-Field Communications) là công nghệ kết nối không dây trong phạm vi tầm ngắn trong khoảng cách 4 cm. Công nghệ này sử dụng cảm ứng từ trường để thực hiện kết nối giữa các thiết bị (smartphone, tablet, loa, tai nghe …) khi có sự tiếp xúc trực tiếp (chạm).

  NFC dùng để làm gì?

  Khi hai thiết bị đều có kết nối NFC, bạn có thể chạm chúng vào nhau để kích hoạt tính năng này và nhanh chóng truyền tập tin gồm danh bạ, nhạc, hình ảnh, video, ứng dụng hoặc địa chỉ website... Ở các nước phát triển, NFC còn được xem là chiếc ví điện tử khi có thể thanh toán trực tuyến, tiện lợi và nhanh chóng. 

  Ngoài việc giúp truyền tải dữ liệu như trên thì NFC còn mở rộng với những công dụng ví dụ như bạn đến quán café có một thẻ NFC để trên bàn, trong thẻ này đã cài đặt sẵn wifi, thông tin của quán…lúc này bạn lấy chiếc điện thoại chạm vào NFC này thì máy sẽ bật tất cả tính năng được cài sẵn trong thẻ đó mà không cần phải nhờ gọi nhân viên. Hoặc tiên tiến hơn thì sau này có thể khi mua đồ trong siêu thị lớn thì quẹt NFC của điện thoại để thanh toán tiền luôn.

  • Standard: ISO/IEC 18000-3
  • Frequency: 13.56MHz (ISM)
  • Range: 10cm
  • Data Rates: 100–420kbps
  9. Sigfox
  Sigfox là hệ thống giống như mạng di động, sử dụng công nghệ Ultra Band ( UNB) để kết nối các thiết bị từ xa. Mục tiêu của công nghệ là sử dụng trong các ứng dụng truyền thông với tốc độ thấp, khoảng cách truyền xa và mức tiêu thụ năng lượng cực thấp. Ngoài ra, nó đòi hỏi yêu cầu về antenna thấp hơn so với mạng di động GSM/CDMA. Sigfox sử dụng các dải tần ISM được sử dụng miễn phí mà không cần phải được cấp phép để truyền dữ liệu.

•  

  Ý tưởng ra đời của Sigfox được hình thành từ nhu cầu: Đối với các ứng dụng M2M sử dụng nguồn bằng Pin và chỉ đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu thấp thì phạm vi truyền của Wifi lại quá ngắn, còn với mạng di động thì lại quá đắt đỏ và tốn năng lượng. Với công nghệ UNB, và được thiết kế để chỉ xử lý đường truyền dữ liệu từ 10 đến 1000 bit trên giây, giúp chỉ tiêu thụ mức năng lượng 50 microwatts so với 5000 microwatts của việc dùng mạng điện thoại di động. Hay đơn giản, với một cục pin 2,5Ah thì với công nghệ Sigfox cho phép bạn dùng tới 25 năm thay vì 0,2 năm nếu dùng truyền thông qua mạng điện thoại di động.

  Các tính năng/thông số kỹ thuật của công nghệ Sigfox

  Specification/feature	SIGFOX Support
  Frequency	Unlicensed ISM Band 868 MHz(Europe)  915 MHz(USA)
  Range	30 to 50 Km (Rural areas) 3 to 10 Km (Urban areas)
  Throughput	100 bps
  Payload size to be transmitted	Very less(about 12 bytes)
  Power consumption	Very less, for example, energy meter in SIGFOX will consume 50 microwatts while in GSM cellular system it consumes 5000 microwatts
  Stand by time for 2.5Ah battery	It takes 20 years in SIGFOX, while GSM cellular takes very less about 0 to 2 years
  uplink/downlink	supports mono as well as bi-directional communication
  Frequency Hopping	Supported
  Security/Privacy	SIGFOX employs various techniques to support this

  10. Neul

  

  Tương tự Sigfox và hoạt động ở băng tần 1Ghz, với mục tiêu cung cấp một mạng không dây có chi phí thấp với các đặc trưng tiêu biểu: độ mở rộng cao, phủ sóng cao và tiêu thụ năng lượng cực thấp. Neul sử dụng chip Iceni, mà trong truyền thông sử dụng "the white space radio" để truy cập vào băng tần UHF chất lượng cao hiện đang có sẵn do sự chuyển đổi từ kỹ thuật ti vi tương tự sang kỹ thuật số. Công nghệ truyền thông được gọi là "Weightless", tức là một công nghệ mạng không dây phủ trên diện rộng, được thiết kế cho các ứng dụng Iot, cạnh tranh trực tiếp với các giải pháp đang có sẵn như GPRS, 3G, CDMA và LTE WAN. Tốc độ truyền dữ liệu có thể dao động từ vài bits trên giây tới 100kbps trên cùng một liên kết, và đặc biệt là với công nghệ này, thiết bị có thể tiêu thụ công suất rất nhỏ, từ 20 tới 30mA từ pin 2xÂ, tức là có thể sử dụng đươc từ 10 đến 15 năm với cục pin. 

  Thông số kỹ thuật

  Tiêu chuẩn: Neul

  Dải tần: 900MHz (ISM), 458MHz (UK), 470-790MHz (White Space)

  Khoảng cách: 10Km

  Tốc độ truyền: từ vài bps tới 100kbps

  11. 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. Công ty Velmenni đã có vài dự án thí điểm, trong đó có 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 tới. 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 cách nay 4 năm. 

  

   

  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.

  

  Kỹ thuật điều biến ánh sáng không ảnh hưởng gì đến sức khỏe con người, nhất là về mắt. Giáo sư Haas giới thiệu công nghệ này tại diễn đàn TED Global hồi năm 2011, cho rằng chúng ta thậm chí có thể giảm độ sáng của đèn thật thấp đến mức gần như là tắt, nhưng tín hiệu truyền dữ liệu vẫn hoạt động như thường. 

  Năm 2011, Haas đã trình diễn mẫu thiết bị của ông trên bục diễn thuyết của TED. Từ đó, ông đồng sáng lập ra công ty khởi nghiệp pureLiFi và sản xuất được hai sản phẩm truyền dữ liệu bằng ánh sáng. Nếu Li-Fi được ứng dụng rộng rãi, công nghệ này có thể giải quyết được một số rắc rối mà Wi-Fi gặp phải hiện nay. Ngoài tốc độ kết nối, sóng radio phải có đủ dải tần để nhiều thiết bị cùng kết nối một lúc. Với Li-Fi thì không gặp khó khăn này vì dải tần ánh sáng lớn hơn gấp 10.000 lần so với dải tần radio.

  Trong khi Li-Fi tỏ ra đầy tiềm năng nhưng nó cũng có những hạn chế nhất định, quan trọng nhất là ánh sáng không thể đi xuyên tường được như sóng radio, nghĩa là thiết bị phải ở đâu nhìn thấy được. Hơn nữa, để chắn sóng Li-Fi, người dùng đơn giản chỉ cần bịt bóng đèn lại là dữ liệu gặp rắc rối ngay lập tức. Li-Fi cũng không hoạt động được ngoài trời nắng vì ánh sáng đèn LED không thể sáng hơn được ánh mặt trời.

  12. LoRa

  LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012. Với công nghệ này, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu. Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như sensor network trong đó các sensor node có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động với battery trong thời gian dài trước khi cần thay pin.

  • Zigbee - Các khái niệm cơ bản

  

  Module LoRa được BKAII chụp thực tế

  Nguyên lý hoạt động của LoRa ra sao?

  LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum. Có thể hiểu nôm na nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (cái này gọi là chipped); sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi.

  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.

  Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới:

  • 430MHz cho châu Á
  • 780MHz cho Trung Quốc
  • 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu
  • 915MHz cho USA

  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)

  Các khái niệm SpreadingFactor, CodingRate sẽ được giới thiệu ở phần tiếp theo. Ở đây chúng ta chỉ tập trung vào các dữ liệu trong 1 radio packet của LoRa, bao gồm:

  • Preamble: Là chuỗi binary để bộ nhận detect được tín hiệu của LoRa packet trong không khí
  • Header: chứa thông tin về size của Payload cũng như có PayloadCRC  hay không. Giá trị của Header cũng được check CRC kèm theo
  • Payload: là dữ liệu ứng dụng truyền qua LoRa
  • Payload: giá trị CRC của Payload. Nếu có PayloadCRC, LoRa chip sẽ tự kiểm tra dữ liệu trong Payload và báo lên nếu CRC OK hay không
  >> Xem tiếp: 
  • IoT - Internet Of Thing: 5 giao thức dùng để "nói chuyện" mà bạn cần biết
  • 9 điểm khác biệt giữa IoT và M2M mà các kỹ sư điện cần biết