Các nền tảng mở chuyên dùng phục vụ nghiên cứu IoT hiện nay

Trên thị trường hiện nay có nhiều lựa chọn các thiết bị kết nối IoT phục vụ việc nghiên cứu, phát triển. Các nhà phát triển có thể lựa chọn các bo mạch điều khiển, bo mạch hệ thống (SOC), bo mạch đơn (SCB) và bo mạch chủ có hỗ trợ Smart Bluetooth, WiFi, Zigbee và Lora.

Đối với người mới bắt đầu nghiên cứu, việc chọn thiết bị luôn là một vấn đề khó. Dưới đây giới thiệu 5 bộ Kit được phát triển chuyên dùng cho những nghiên cứu ban đầu về IoT trên thế giới.

1) Arduino

Arduino là một bo mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn [4]. Phần cứng bao gồm một bo mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8 bit, hoặc ARM Atmel 32-bit (Hình 1). Những model hiện  tại được trang bị gồm 1 cổng giao  tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều bo mạch mở rộng khác nhau.

Hình 1: Kit phát triển Arduino

Arduino được đông đảo cộng đồng tham gia và hỗ trợ. Trình biên dịch Arduino IDE mở, có thể phát triển cũng là một lý do khiến bộ kít này được ưa dùng. Với các câu lệnh đơn giản dựa trên ngôn ngữ lập trình C quen thuộc, Arduino Uno được cả người mới bắt đầu và các chuyên gia yêu thích.

Là một trong những phiên bản phát triển vi điều khiển đầu tiên, Arduino Uno R3 có thiết kế đơn giản nhưng vẫn tạo môi trường nghiên cứu và phát triển mạnh. Bộ kít này được cấu tạo dựa trên chip ATmega328P có 14 chân I/O Digital và 6 đầu vào Analog. Mặc dù chỉ có 32 KB bộ nhớ Flash, nhưng nó có thể xử lý logic phức tạp và hoạt động khá mạnh mẽ.

2) Raspberry Pi

Raspberry Pi là nền tảng phổ biến nhất được sử dụng bởi các nhà phát triển [5]. Phiên bản Raspberry Pi 3 gần đây đã được tích hợp WiFi và Bluetooth và trở thành một chiếc máy tính gọn nhẹ và độc lập. Dựa trên một Bo mạch BCM2837 SoC với bộ vi xử lý 64-bit ARM Cortex-A53 1,2 GHz và RAM 1GB, Raspberry Pi 3 là một nền tảng mạnh mẽ. Raspberry Pi 3 được trang bị 2.4 GHz WiFi 802.11n và Bluetooth 4.1, ngoài ra còn có cổng Ethernet 10/100 và cổng HDMI giúp dễ dàng kết nối các nguồn A/V (Hình 2).

Hình 2: IoT Kit Raspberry Pi

Raspberry Pi chạy trên hệ điều hành Debian Linux được gọi là Raspbian, mang lại trải nghiệm người dùng tuyệt vời. Đối với các nhà phát triển, nó cung cấp một môi trường mạnh mẽ để cài đặt nhiều gói bao gồm Node.js, LAMP stack, Java, Python và nhiều hơn nữa. Với 4 cổng USB và 40 chân GPIO, nhiều thiết bị ngoại vi và phụ kiện với Pi có thể được kết nối. Có những sản phẩm của bên thứ ba giúp kết nối các Arduino khác với Pi. Với giá khoảng 35 USD, Raspberry Pi 3 chắc chắn là nền tảng điện toán giá cả phải chăng và mạnh nhất.

3) Intel Edison

Intel được tin tưởng để cung cấp các máy tính đơn lẻ mạnh mẽ nhất cho các dự án IoT [6]. Intel Edison là một CPU lõi kép hiệu năng cao với một bộ vi điều khiển đơn lõi có thể hỗ trợ thu thập dữ liệu phức tạp. Nó có tích hợp Wi-Fi, hỗ trợ Bluetooth® 4.0, bộ nhớ 1GB DDR và 4GB, đã được chứng nhận tại 68 quốc gia (Hình 3).

Edison có hai đặc tính đặc biệt - một là tương thích với Arduino và hai là có kích thước nhỏ hơn để dễ dàng tích hợp vào sản phẩm. Intel Edison có 2 chân đầu vào/ra tín hiệu Digital, bao gồm 4 chân như đầu ra PWM. 6 đầu vào Analog, một UART (Rx / Tx), và một pin I2C. Edison chạy trên một hệ điều hành nhúng Linux có tên là Yocto. Đây là một trong số ít hệ điều hành được Microsoft, AWS và IBM cho phép kết nối đám mây.

Hình 3: Intel Edison

4) ESP8266

ESP8266 là một WiFi SOC (System on a Chip - Hệ thống mạch tích hợp) (Hình 4) được phát triển bởi Espressif Systems. ESP8266 được tích hợp với đầy đủ các tính năng về Internet với kích thước rất nhỏ gọn với mức giá rất rẻ (chỉ 2 USD). Đây là sự lựa chọn tuyệt vời cho những ai triển khai dự án IoT, thiết bị cầm tay, mobile…

Hình 4: Kit phát triển ESP8266 (NodeMCU)

ESP8266 là dòng chip công suất thấp và là một wifi SOC nên cần rất ít linh kiện ngoài. Cấu tạo bởi CPU Tensilica Xtensa LX106, gồm 64 KiB instruction RAM, 96 KiB data RAM. Bộ nhớ QSPI flash ngoài - 512 KiB - 4 MiB* (có thể lên tới 16 MiB). Ngoài ra, bộ kít này còn được tích hợp WiFi IEEE 802.11b/g/n. ESP8266 có 16 chân GPIO, có tích hợp giao tiếp SPI và I2C, 1 cổng UART và 1 chân Analog 10bit. Hiện tại có hai ngôn ngữ có thể lập trình cho ESP8266, sử dụng trực tiếp phần mềm IDE của Arduino để lập trình với bộ thư viện riêng hoặc sử dụng phần mềm node MCU.

5) Adafruit Flora

Adafruit Flora là một nền tảng điện tử dựa trên cơ sở Arduino phổ biến nhất [7]. Kích thước nhỏ bé của Flora làm cho nó trở thành sự lựa chọn lý tưởng cho nhiều sản phẩm. Phiên bản mới nhất của Flora được trang bị đèn LED siêu nhỏ, USB và Neopixel để dễ lập trình và thử nghiệm (Hình 5).

Hình 5: Adafruit Flora

Adafruit Flora dựa trên bộ vi điều khiển Atmega 32u4, cho phép kết hợp Arduino Mega và Leonardo. Có một đầu cắm phân cực tích hợp 2 cổng JST với bảo vệ Schottky diode để sử dụng với các bộ pin bên ngoài từ 3,5 đến 9 VDC. Đánh chú ý là là có thể sử dụng trình Aduino IDE quen thuộc để lập trình Flora.

Kết luận

Việc lựa chọn những thiết bị phần cứng cũng như phần mềm để xây dựng một bộ Kít phục vụ nghiên cứu, đào tạo về IoT là vô cùng quan trọng. Với phần cứng mở, phù hợp với các tiêu chuẩn kết nối mở rộng và dễ dàng tích hợp trong IoT, Arduino đi kèm đó là kit ESP8266 do hỗ trợ tốt kết nối không dây, có giá thành thấp và phổ biến là lựa chọn tốt cho nghiên cứu thử nghiệm IoT.

Các nền tảng mở như Arduino, Raspberry Pi, Intel Edison, ESP8266…đang là những nền tảng chuyên dụng trong việc đào tạo nguồn nhân lực trong giai đoạn bắt đầu nghiên cứu với IoT không chỉ tại Việt Nam mà còn trên thế giới. Với mạng cảm biến không dây đang được triển khai rộng khắp trong các hệ thống IoT, 3 nền tảng phần cứng đáng để chọn là ESP8266 với ưu điểm hỗ trợ kết nối Wifi, Arduino với ưu điểm đơn giản, nhiều thư viện, hỗ trợ phần mềm rất tốt, thông qua Arduino IDE, hỗ trợ làm việc với Bluethooth, Zigbee, LoRa và cuối cùng là Raspberry Pi với nhiệm vụ làm đầu não cho hệ thống đào tạo với hệ điều hành linux đi kèm với sự hỗ trợ nhiều giao thức kết nối và phần cứng mở như hiện nay.

Tài liệu tham khảo

[1]. Erik Brynjolfsson & Andrew Mcafee, “The Second Machine Age – Work, Progress,and Prosperity in a Time of Brilliant Technologies”, 2014

[2].  Daniel  Kellmereit  &  Daniel  Obodovski,  “The  Silent  Intelligence:  The  Internet  of Things”, 2014

[3]. Jinbao Zhang & Dr. Junfeng Yang & Dr. Maiga Chang, “ICT in Education in Global Context”, 2015

[4]. Arduino : https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction

[5]. Raspberry Pi : https://www.raspberrypi.org

[6]. Intel : https://software.intel.com/en-us/iot/hardware/discontinued

[7]. Adafruit : https://www.adafruit.com/product/2471

[8]. Đề tài Nghiên cứu xây dựng hệ thống phục vụ nghiên cứu phát triển, đào tạo về IoT dùng cho các cơ ở nghiên cứu, đào tạo về ICT ở Việt Nam, Bộ TT&TT, Mã số: ĐT.026/17, 2017

Nguyễn Bích Lan