Với việc ra mắt đồng hồ đếm thông minh, sự phổ biến rộng rãi của hệ thống chiếu sáng, hệ thống sưởi trung tâm thông minh và sự ra đời của các thiết lập âm thanh đa điểm, ngôi nhà tự động được dự đoán từ lâu dần dần trở thành hiện thực. Phần lớn bộ công cụ này có thể được điều khiển và giám sát từ xa và theo nghĩa đó, nó đã trở thành gương mặt đại diện của Internet of Things (IoT). Nhưng các nhà phân tích ngành công nghiệp mong đợi loT tiếp tục tăng trưởng nhanh chóng trong ít nhất một thập kỷ tới và 20 tỷ thiết bị được dự đoán kết nối vào năm 2020 sẽ không chỉ bao gồm các thiết bị gia dụng.
Ở đây, chúng ta nghiên cứu một nhân tố chính thúc đẩy cuộc cách mạng loT: cảm biến thế giới xung quanh chúng ta. Hãy cùng xem xét các lợi ích của nó và công nghệ đằng sau mạng cảm biến này.
Ứng dụng của cảm biến
Các báo cáo và hình ảnh trong bài viết này sẽ nêu bật một số ứng dụng cụ thể của mạng cảm biến và những lợi ích mà chúng cung cấp, nhưng trước hết hãy tìm hiểu lí do tại sao chúng ta muốn theo dõi thế giới xung quanh mình.
Mạng cảm biến cung cấp giám sát môi trường, mặc dù chúng ta đang sử dụng từ đó theo nghĩa rộng hơn nhiều so với mạng cảm biến đang được sử dụng phổ biến để giảm thiểu tác động tiêu cực của chúng ta lên Trái đất. Chắc chắn, có rất nhiều ứng dụng cảm biến liên quan đến việc cứu Địa Cầu như giám sát chất thải khí và nước từ các nhà máy, quản lý năng lượng và kiểm soát mức khí carbon dioxide trong khí quyển.
Cũng có các cảm biến môi trường khác được sử dụng để cung cấp các lợi ích liên quan đến an toàn công cộng, một số hỗ trợ việc quản lý cơ sở hạ tầng giao thông, một số khác liên quan đến nghiên cứu khoa học.
Chỉ cần một vài cổng để cung cấp mạng LoRaWAN toàn thành phố, theo bản đồ The Things Network mô tả ở Amsterdam
Trong lĩnh vực cơ sở hạ tầng giao thông, đường sắt là người dùng lớn của mạng cảm biến. Chúng có thể được sử dụng, ví dụ, để theo dõi các rung động có khả năng gây tổn hại trong cầu thông qua biến dạng của đường ray cho tới các chuyển động trong kè có thể chỉ ra nguy cơ sụp đổ.
Chuyển sang an toàn công cộng, một hệ thống được thiết kế tại Đại học California ở Berkeley sử dụng gia tốc kế trong điện thoại thông minh để phát hiện các rung động có thể chỉ ra giai đoạn đầu của một trận động đất. Bằng cách phân tích dữ liệu từ một số lượng lớn người dùng chọn tham gia dự án, một hình ảnh diện rộng có thể được xây dựng và cảnh báo cho những người trong khu vực bị ảnh hưởng.
Ngay cả nông nghiệp cũng tham gia vào với các trang trại thông minh giám sát đất đai và sức khỏe cây trồng, cung cấp chẩn đoán máy móc và thậm chí còn theo dõi các điều kiện bảo quản cây trồng và hành vi của động vật.
Dự án Binary Beer của trường đại học Wollongong đã sử dụng LoRaWAN để truyền tải các điều kiện môi trường và mức độ đầy của thùng tới nhà sản xuất bia trong thời gian thực
Cảm biến không nhất thiết bị giới hạn ở việc không di chuyển được. Ví dụ, chúng ta có thể tưởng tượng các tổ chức sử dụng cảm biến để theo dõi các hạm đội xe hoặc máy móc di động. Một ứng dụng mới được phát triển tại Đại học Wollongong ở New South Wales, Australia liên quan đến các cảm biến lắp vào thùng bia được gọi là dự án Binary Beer, sử dụng LoRaWAN để truyền tải các mức độ đầy và điều kiện môi trường của thùng tới nhà sản xuất bia trong thời gian thực.
Nhỏ, rẻ và tiết kiệm
Trong lĩnh vực nhà tự động hóa, kích thước thực sự không phải là một vấn đề và chi phí là một cái gì đó mà người tiêu dùng chúng ta biết mình sẽ phải chấp nhận. Với cảm biến, mọi thứ sẽ khác một chút. Chúng ta có thể hạnh phúc về bộ điều nhiệt Hive gắn trên tường phòng khách hoặc Amazon Echo trên bàn cà phê, nhưng nếu bạn muốn theo dõi bất cứ thứ gì và mọi thứ trong nhà - và một số chuyên gia dự đoán chính xác điều đó – việc có rất nhiều hộp nhỏ một cách thừa thãi trong mỗi phòng chắc chắn là một bước quá xa.
Điều tương tự cũng áp dụng khi chúng ta xây dựng cảm biến ngoài trời, nhưng vì một lý do khác. Có vẻ như rất khó để tin rằng các cảm biến đủ lớn để hiển nhiên rõ ràng sẽ không trở thành nạn nhân của kẻ trộm và những kẻ phá hoại. Vì vậy, khi nói đến cảm biến, kích thước nhỏ là cách giải quyết duy nhất.
Tiếp theo là chi phí và, một lần nữa, càng ít càng tốt. Với 20 tỷ thiết bị được kết nối vào năm 2020 – khoảng ba thiết bị / người - có vẻ như khó có thể tin rằng chi phí hơn một vài pound sẽ bền vững. Xét cho cùng, ba cảm biến với mức 100 đô la mỗi cái sẽ đại diện từ 5% đến 10% thu nhập hàng năm của một đất nước thuộc châu Phi và châu Á, bao gồm một số quốc gia đông dân cư. Trừ khi một số lượng lớn chỉ giới hạn ở phần giàu có của thế giới, nếu không cảm biến sẽ phải cực kỳ rẻ.
Mạng cảm biến đã được sử dụng để cung cấp cảnh báo lở tuyết nhằm giảm thiểu tác động của con người đối với các sự kiện thảm họa này
Yêu cầu cuối cùng là cảm biến sẽ phải có thời lượng pin rất dài. Nếu số lượng lớn các cảm biến cần sạc pin hoặc thay thế mỗi tháng, đó chắc chắn sẽ là một nhiệm vụ nghiêm trọng. Và nếu điều đó đúng với các cảm biến trong nhà, văn phòng hoặc nhà máy, chúng ta có thể tưởng tượng ra vấn đề khi cài đặt cảm biến, ví dụ, ở độ cao trong dãy Alps để cảnh báo lở tuyết. Kéo dài tuổi thọ pin có thể đạt được bằng nhiều cách, với nhiều cách - chẳng hạn như sử dụng bộ vi xử lý hiệu quả cao - đã quen thuộc trong mọi lĩnh vực của máy tính.
Tuy nhiên, trong trường hợp các cảm biến từ xa, chu kỳ nhiệm vụ và liên lạc hiệu quả sẽ được phát huy. Giảm năng lượng bằng cách giảm chu kỳ nhiệm vụ liên quan đến việc đảm bảo rằng phần cứng ngủ đông trong hầu hết thời gian, chỉ thức dậy trong một thời gian ngắn để thực hiện các phép đo và truyền dữ liệu đó lên internet. Nhiều người trong chúng ta sẽ nhận thức được tác động của Bluetooth trên thời lượng pin của điện thoại và điều này minh họa liên lạc hiệu quả là yếu tố then chốt trong các cảm biến IoT. Do đó, cần chú ý cẩn thận trong việc lựa chọn một tiêu chuẩn liên lạc đặc biệt tiết kiệm. Tất nhiên, việc sử dụng pin lớn hơn cũng sẽ cải thiện tuổi thọ pin, nhưng nó sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến kích thước và chi phí.
Kết nối
Cách rõ ràng nhất mà một cảm biến có thể gửi dữ liệu của nó lên internet là thông qua Wi-Fi, và nó chắc chắn là giải pháp tốt nhất trong nhiều trường hợp. Tuy nhiên, khi các cảm biến có xu hướng di chuyển từ các tòa nhà ra ngoài trời, nơi truy cập Wi-Fi có thể không khả dụng, các giải pháp khác được yêu cầu.
Một giải pháp là triển khai một mạng lưới mạng. Trong sắp xếp này, các nút cảm biến (một nút cảm biến thường là một bảng mạch máy tính đơn nhỏ với một hoặc nhiều cảm biến gắn vào nó) chuyển tiếp dữ liệu từ nút này đến nút khác cho đến khi dữ liệu đó đến được nút có kết nối với đám mây. Về lý thuyết, các tiêu chuẩn khác nhau, bao gồm cả Wi-Fi, có thể được sử dụng để chuyển tiếp dữ liệu giữa các nút mặc dù ZigBee là một lựa chọn đặc biệt phổ biến. Mặc dù tốc độ dữ liệu của nó thấp hơn so với Wi-Fi hoặc thậm chí là Bluetooth, nhưng các cảm biến thông thường không cần phải truyền tải nhiều dữ liệu và ZigBee có lợi thế không thể phủ nhận khi tiêu thụ điện năng rất thấp.
Mạng lưới Calderdale Flood cho phép kiểm soát mực nước trong thung lũng và các ngọn đồi xung quanh trong thời gian thực thông qua giao diện web
Tuy nhiên, ít nhất một nút trong mạng lưới có kết nối với internet, và đây cũng là trường hợp khi các cảm biến từ xa không có hàng xóm lân cận. Chúng ta sẽ có một số giải pháp tùy chọn. Mạng điện thoại di động rõ ràng là một giải pháp khả thi, mặc dù nó không phải là không hạn chế. Ngay cả ở Anh, các mạng di động không phổ biến như chúng ta nghĩ, và không khó để tìm địa điểm, đặc biệt là ở các vùng nông thôn, không có phủ sóng mạng.
Hơn nữa, ngay cả trong các khu vực nằm trong vùng phủ sóng, việc truyền tín hiệu đến mạng điện thoại di động đòi hỏi tiêu tốn điện năng, điều này không lý tưởng cho các thiết bị cần hoạt động trong nhiều tháng hoặc nhiều năm mà không cần thay pin.
Một giải pháp mới nhất có khả năng khắc phục những nhược điểm này là mạng diện rộng, thường được gọi là WAN. Chúng ta cùng xem xét cụ thể The Things Network và tiêu chuẩn liên lạc LoRaWAN nền tảng của nó dưới đây.
The Things Network
LoRaWAN là viết tắt của “Long Range Wide Area Network”- Mạng diện rộng với phạm vi dài. Bằng cách sử dụng tần số 866MHz - thấp hơn nhiều so với các tín hiệu 2.4GHz hoặc 5.8GHz được sử dụng bởi Wi-Fi, Bluetooth và ZigBee hoặc tần số cao tương tự được sử dụng bởi mạng điện thoại di động - Tín hiệu LoRaWAN có tổn thất trong đường truyền thấp hơn và ít hơn bị ảnh hưởng bởi các tòa nhà hoặc đồi núi.
Kết quả là nó cung cấp một phạm vi tối đa 15km trong không gian mở rộng, có thể ngắn hơn một chút trong các khu vực xây dựng. Một ưu điểm lớn khác là nó rất hiệu quả. Mặc dù đây là tin tốt nhưng không giống như mạng di động, mạng LoRaWAN thương mại không được cung cấp và đó là lý do tại sao The Things Network xuất hiện.
Nghiên cứu rùa biển xanh ở Tây Phi là một trong những ứng dụng của The Things Network
Wienke Giezeman, Giám đốc điều hành và đồng sáng lập của The Things Network, đã trình bày những lợi thế mà hệ thống cung cấp chưa từng có sẵn cho các ứng dụng cảm biến trực tuyến trước đó.
"The Things Network là một mạng lưới Internet of Things hợp tác toàn cầu cho phép tất cả các thành viên đưa mạng lưới của họ vào hoạt động cùng nhau như một internet lớn", ông nói.
Có lẽ sự khác biệt chính giữa sáng kiến cảm biến này và các sáng kiến trước đó là nó là một dự án cộng đồng không phụ thuộc vào bất kỳ mạng của doanh nghiệp nào.
"Bất kỳ ai cũng có thể xây dựng các ứng dụng mà không cần sự cho phép của các công ty lớn hay chính phủ", ông nói thêm. Hơn nữa, người dùng đóng góp các cổng để tải dữ liệu từ các nút cảm biến LoRaWAN lên internet.
Việc áp dụng một công nghệ mới và dự đoán số liệu thống kê tăng trưởng thường là một thước đo thành công và The Things Network chắc chắn rất tốt về mặt này.
"Trong hai năm, chúng tôi đã phát triển lên 35.000 nhà phát triển và 3.500 cổng tại hơn 60 quốc gia", Giezeman nói. "Công nghệ đang trong giai đoạn tăng trưởng và các nhà phát triển đang tìm cách tận dụng công nghệ. Và nhiều người đã thành công. Chúng tôi hy vọng sẽ phát triển lên một triệu cổng trong năm năm tới."
Thông thường, loại tăng trưởng này phụ thuộc vào việc giảm giá lớn nhưng các cổng LoRaWAN khá đắt: cổng mạng chính thức của Things Network có giá 249 bảng, trong khi đó bạn chỉ tốn 25 bảng cho một điểm truy cập Wi-Fi rẻ.
Tuy nhiên, Giezeman không cho rằng đây là một công nghệ đắt tiền. Ông giải thích: “Một cổng đơn có thể có tầm hoạt động khoảng 10km và hỗ trợ 10.000 thiết bị. Và vì The Things Network cho phép tất cả các cổng này hoạt động cùng nhau, chi phí cho mỗi cảm biến thấp hơn các công nghệ khác.
Dù vậy, Giezeman cũng thừa nhận rằng ông mong đợi giá cổng sẽ giảm đáng kể và quan trọng hơn, ông dự đoán sự sụt giảm lớn trong chi phí của các nút cảm biến.
Dù thế này đi nữa, công nghệ WAN chi phí thấp chắc chắn sẽ là động lực chính trong sự phát triển của Internet of Things.
The Things Network đang được sử dụng để quan sát chất lượng không khí, chỉ dẫn về chỗ đậu xe thông minh, theo dõi loài rùa biển xanh đang gặp nguy hiểm, quản lý năng lượng và giám sát hoạt động radio. Các ứng dụng trong tương lai chắc chắn sẽ chỉ bị giới hạn bởi trí tưởng tượng của chúng ta.
