Khái niệm đằng sau IoT rất phức tạp và để các yếu tố trong IoT kết hợp hoàn hảo với nhau, tất cả phải là một phần của cấu trúc được suy nghĩ kỹ lưỡng. Đây chính là kiến trúc IoT.

Từ sự cường điệu đến thực tế của IoT

Điều đầu tiên xuất hiện trong đầu nhiều người khi nghe về IoT, có lẽ là một máy làm cà phê thông minh biết chính xác loại cà phê bạn sẽ cần vào buổi sáng trước khi bạn thức dậy. Hoặc tốt hơn nữa là một chiếc xe tự lái chạy qua những con đường có hỗ trợ IoT mà không cần tài xế.

Cách nhìn đầy hy vọng nhưng ngây thơ đó không quá xa vời với thực tế nhưng IoT không chỉ về tự động hóa nhà và đô thị. Trong thực tế nó là viết tắt của rất nhiều điều. Thật vậy IoT có sức mạnh thay đổi và cải thiện cuộc sống hàng ngày của chúng ta cùng với cách chúng ta hoạt động như một xã hội, nó cũng có thể biến đổi cách thức kinh doanh và cách chúng ta nhận thức mọi khía cạnh của thế giới.

Tại sao lại cần kiến trúc IoT vững chắc

Khi nói về IoT, người ta chú ý nhiều đến tiềm năng của nó. Ngập tràn những tin tức về những gì IoT có thể làm và cách nó làm cho cuộc sống của chúng ta tốt hơn. Nhưng dường như những điều đó đã không biến thành hiện thực nhanh như chúng ta mong muốn. Sự thay đổi lớn không hề xảy ra, mà nó xảy ra nhỏ giọt và chậm rãi chứ không phải là những bước nhảy vọt. Lý do cho điều này khá đơn giản, nhưng nhiều người không thể thấy được: đó là sự đa dạng của các hệ thống IoT kìm hãm tiến trình và cản trở mọi thứ kết nối.

Sự phân mảnh là một trong hai thách thức lớn nhất cho IoT (cái còn lại là bảo mật). Sự phân mảnh là cốt lõi của IoT do sự đa dạng của những thứ mà nó nhắm đến. Việc đưa bất kỳ hệ thống IoT nào hoạt động đòi hỏi phải khai thác tất cả các tài nguyên, phần cứng, phần mềm và hệ thống, sau đó kết hợp tất cả lại thành một khối duy nhất tạo thành một giải pháp tích hợp, đáng tin cậy và hiệu quả về chi phí. Nói một cách đơn giản, mọi giải pháp IoT đều cần một kiến ​​trúc IoT vững chắc để có thể phục vụ mục đích của nó. Hiệu quả và khả năng ứng dụng của hệ thống phần lớn phụ thuộc vào chất lượng của cơ sở hạ tầng.

Khối kiến ​​trúc IoT

Dù mỗi hệ thống IoT khác nhau nhưng nền tảng cho kiến ​​trúc IoT cũng như luồng xử lý dữ liệu chung của chúng gần như giống nhau. Lớp thứ nhất của khối kiến trúc bao gồm các vật được kết nối với Internet, nhờ các cảm biến nhúng có thể cảm nhận được môi trường xung quanh và thu thập thông tin sau đó được chuyển đến các IoT gateway. Lớp thứ hai là các hệ thống thu thập dữ liệu IoT và các gateway thu thập khối lượng lớn dữ liệu chưa được xử lý, chuyển đổi thành luồng kỹ thuật số, lọc và xử lý trước để sẵn sàng phân tích. Lớp thứ ba là các thiết bị chịu trách nhiệm xử lý và phân tích dữ liệu nâng cao. Lớp này cũng là nơi có thể có các công nghệ trực quan hóa và máy học. Sau đó, dữ liệu được chuyển đến các trung tâm dữ liệu đám mây hoặc cài đặt cục bộ. Đây là nơi dữ liệu được lưu trữ, quản lý và phân tích chuyên sâu để có thể hành động.

Dưới đây là mô tả chi tiết bốn lớp kiến ​​trúc IoT:

Cảm biến và bộ điều khiển

Là nền tảng cho mọi hệ thống IoT, các thiết bị được kết nối có trách nhiệm cung cấp dữ liệu. Để nhận các thông số vật lý bên ngoài hoặc bên trong chính đối tượng, các thiết bị cần có các cảm biến. Cảm biến có thể được nhúng trong các thiết bị hoặc nằm độc lập để đo lường và thu thập dữ liệu từ xa. Ví dụ, các cảm biến nông nghiệp có nhiệm vụ đo các thông số như nhiệt độ và độ ẩm của không khí và đất, độ pH của đất…

Một yếu tố không thể thiếu của lớp này là bộ truyền động. Phối hợp chặt chẽ với cảm biến, bộ truyền động có thể biến đổi dữ liệu được tạo bởi các đối tượng thông minh thành hành động vật lý. Hãy tưởng tượng một hệ thống tưới nước thông minh với tất cả các cảm biến cần thiết. Dựa trên đầu vào được cung cấp bởi các cảm biến, hệ thống sẽ phân tích tình huống trong thời gian thực và ra lệnh cho các bộ truyền động mở các van nước được chọn nằm ở những nơi có độ ẩm đất thấp hơn giá trị cài đặt. Các van được mở cho đến khi các cảm biến báo cáo rằng các giá trị được khôi phục về mặc định. Rõ ràng, tất cả những điều này xảy ra mà không có sự can thiệp của con người.

Điều quan trọng nữa là các đối tượng được kết nối không chỉ có khả năng giao tiếp hai chiều với các gateway hoặc hệ thống thu thập dữ liệu tương ứng mà còn có thể nhận ra và nói chuyện với nhau để thu thập và chia sẻ thông tin và cộng tác trong thời gian thực. Tuy nhiên do các thiết bị sử dụng pin và hoạt động bằng pin, việc đạt được điều này không phải là dễ dàng vì việc giao tiếp như vậy đòi hỏi nhiều sức mạnh tính toán và tiêu tốn năng lượng và băng thông. Do đó, một kiến trúc vững chắc chỉ có thể quản lý thiết bị hiệu quả khi nó sử dụng các giao thức truyền thông phù hợp, an toàn và nhẹ.

Gateway và thu thập dữ liệu

Mặc dù lớp này hoạt động gần với các cảm biến và bộ truyền động trên các thiết bị nhất định, nhưng nó vẫn là một lớp kiến trúc IoT riêng biệt vì nó rất quan trọng đối với các quy trình thu thập, lọc và chuyển sang cơ sở hạ tầng cạnh và nền tảng đám mây . Là trung gian giữa những vật được kết nối với đám mây, các gateway và hệ thống thu thập dữ liệu là điểm kết nối liên kết các lớp còn lại với nhau.

Các gateway hỗ trợ giao tiếp giữa các cảm biến và phần còn lại của hệ thống bằng cách chuyển đổi dữ liệu cảm biến thành các định dạng dễ chuyển đổi và sử dụng cho các thành phần khác trong hệ thống. Hơn nữa, gateway có thể kiểm soát, lọc và chọn dữ liệu để giảm thiểu khối lượng thông tin cần chuyển lên đám mây. Điều này ảnh hưởng tích cực đến chi phí truyền mạng và thời gian phản hồi. Do đó, các gateway là nơi để xử lý trước dữ liệu cảm biến cục bộ trước khi được nén thành các gói dữ liệu để xử lý tiếp.

Một khía cạnh khác mà các gateway hỗ trợ là an ninh. Do các gateway có trách nhiệm quản lý luồng thông tin theo cả hai hướng, với sự trợ giúp của các công cụ mã hóa và bảo mật thích hợp, chúng có thể ngăn chặn rò rỉ dữ liệu đám mây IoT cũng như giảm nguy cơ tấn công bên ngoài vào các thiết bị IoT.

Phân tích

Mặc dù không phải là thành phần có ở mọi kiến ​​trúc IoT, các thiết bị phân tích có thể mang lại lợi ích đáng kể cho các dự án IoT quy mô lớn. Trước khả năng tiếp cận và tốc độ truyền dữ liệu hạn chế của nền tảng đám mây IoT, các hệ thống phân tích có thể cung cấp thời gian phản hồi nhanh hơn và linh hoạt hơn trong việc xử lý và phân tích dữ liệu IoT. 

Trung tâm dữ liệu / Nền tảng đám mây

Nếu cảm biến là tế bào thần kinh và gateway là xương sống của IoT, thì đám mây là bộ não trong IoT. Trung tâm dữ liệu hoặc đám mây có tác dụng lưu trữ, xử lý và phân tích khối lượng dữ liệu khổng lồ để hiểu sâu hơn bằng cách sử dụng các công cụ phân tích dữ liệu mạnh và các cơ chế học máy.

Điện toán đám mây đã được sử dụng ngày càng nhiều (đặc biệt là trong kiến trúc IoT công nghiệp) trong nhiều năm qua. Điện toán đám mây góp phần tăng tốc độ sản xuất, giảm thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến và tiêu thụ năng lượng và nhiều lợi ích kinh doanh khác.

Nếu được trang bị các ứng dụng người dùng phù hợp, đám mây sẽ giúp con người tương tác với hệ thống, kiểm soát và giám sát và đưa ra quyết định sáng suốt trên cơ sở báo cáo và dữ liệu được xem trong thời gian thực.