Các kỹ sư điện tử và các nhà phát triển ứng dụng làm việc trên các sản phẩm Internet of Things (IoT) gần như đang có sự lúng túng về các lựa chọn giao thức iot kết nối cho các thiết bị.

Hiện đã có nhiều công nghệ truyền thông nổi tiếng như WiFi, Bluetooth, ZigBee,Z-Wave và 2G/3G/4G Cellular, nhưng cũng có một số tùy chọn mới xuất hiện như Thread – một giải pháp thay thế cho các ứng dụng tự động hóa tại nhà, hay các công nghệ truyền hình Whitespace được triển khai tại các thành phố lớn cho các trường hợp sử dụng dựa trên IoT ở phạm vi rộng. Tùy thuộc vào ứng dụng, vào các yếu tố như phạm vi hoạt động, yêu cầu truyền tải dữ liệu, yêu cầu về bảo mật, điện năng tiêu thụ cũng như tuổi thọ pin, cho phép chúng ta lựa chọn một hoặc một vài dạng công nghệ kết hợp. Chúng ta cùng xem lại các giao thức đã được cung cấp cho các nhà phát triển dưới đây.

Bluetooth

Một công nghệ truyền thông tầm ngắn phổ biến  hiện nay là Bluetooth, vốn đã trở nên rất phổ biến trong lĩnh vực máy tính và nhiều thị trường sản phẩm tiêu dùng. Với chuẩn Bluetooth Low-Energy (BLE) – hay còn được gắn mác là Bluetooth Smart, hiện đang là một giao thức quan trọng cho các ứng dụng IoT.

Bluetooth BLE không thực sự được thiết kế để truyền nhận file mà nó phù hợp với những dữ liệu nhỏ. Theo Bluetooth SIG, hơn 90% điện thoại thông minh hỗ trợ Bluetooth, bao gồm các mô hình dựa trên iOS, Android và Windows dự kiến sẽ là ‘Smart Ready’ vào năm 2018.

• Tiêu chuẩn: Bluetooth 4.2 core specification
• Tần số hoạt động: 2.4GHz (ISM)
• Tầm hoạt động: 50-150m (Smart/BLE)
• Tốc độ truyền dữ liệu: 1Mbps (Smart/BLE)

Zigbee

Công nghệ ZigBee được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4 của tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Tiêu chuẩn 802.15.4 này sử dụng tín hiệu radio có tần sóng ngắn, và cấu trúc của 802.15.4 có 2 tầng là tầng vật lý và tầng MAC (medicum Access Control). Công nghệ ZigBee vì thế cũng dùng sóng radio và có 2 tầng. Hơn thế nữa ZigBee còn thiết lập các tầng khác nhờ thế mà các thiết bị của các nhà sản xuất dù khác nhau nhưng cùng tiêu chuẩn có thể kết nối với nhau và vận hành trong vùng bảo mật của hệ thống.

ZigBee / RF4CE có các ưu điểm đáng kể trong các hệ thống phức tạp, cho phép vận hành công suất thấp, bảo mật cao, mạnh mẽ và khả năng mở rộng cao với số lượng các node nhiều . Ngoài ra, Zigbee cón có lợi thế sử dụng mạng điều khiển không dây và mạng cảm biến trong các ứng dụng M2M và IoT.

• Tiêu chuẩn: ZigBee 3.0 based on IEEE802.15.4
• Tần số hoạt động: 2.4GHz
• Tầm hoạt động: 10-100m
• Tốc độ truyền dữ liệu: 250kbps

Z-Wave

Z-Wave là một công nghệ truyền thông RF công suất thấp được thiết kế chủ yếu cho nhà tự động hóa, các sản phẩm như bộ điều khiển đèn và cảm biến trong số nhiều thiết bị khác. Z-Wave được tối ưu hóa cho việc truyền dữ liệu tin cậy với độ trễ thấp của các gói dữ liệu nhỏ, với tốc độ dữ liệu lên đến 100kbit/s. Z-Wave hoạt động ở băng tần 1GHz, không bị nhiễu bởi WiFi và các công nghệ không dây khác trong dải 2,4 GHz như Bluetooth hoặc ZigBee. Nó hỗ trợ mạng lưới lưới toàn phần mà không cần nút điều phối và có thể mở rộng, cho phép điều khiển tới 232 thiết bị. Z-Wave sử dụng một giao thức đơn giản hơn những giao thức khác, cho phép phát triển nhanh hơn và đơn giản hơn, nhưng chỉ có nhà sản xuất chip duy nhất cho nó là Sigma Designs, so với các công nghệ không dây khác có nhiều nhà sản xuất hơn như ZigBee, Bluetooth, v.v…

• Tiêu chuẩn: Z-Wave Alliance ZAD12837 / ITU-T G.9959
• Tần số hoạt động: 900MHz (ISM)
• Tầm hoạt động: 30m
• Tốc độ truyền dữ liệu: 9.6/40/100kbit/s

6LowPAN

6LoWPAN là tên viết tắt của IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks (tức là: sử dụng giao thức IPv6 trong các mạng PAN không dây công suất thấp). Đây là giao thức mạng hay còn gọi là lớp thích nghi cho phép truyền tải các gói tin IPv6 thông qua giao thức vô tuyến IEEE  802.15.4.

Thay vì là một giao thức ứng dụng như Bluetooth hoặc ZigBee, 6LowPAN là một giao thức mạng, cho phép quy định cơ chế đóng gói khối tin và nén header. Tiêu chuẩn này tự do hơn trong dải tần số, và lớp vật lý cũng có thể được sử dụng trên nhiều nền tảng truyền thông, bao gồm Ethernet, Wi-Fi, 802.15.4, sub 1GHz ISM. Đặc biệt với giao thức IPv6 (Internet Protocol version 6), một thứ rất quan trọng trong những năm gần đây cho phép hệ thống IoT hoạt động. IPv6 là sự kế thừa cho IPv4, nó cung cấp khoảng 5 x 1028 địa chỉ cho tất cả mọi người trên thế giới, cho phép bất kỳ đối tượng hoặc thiết bị nhúng trên thế giới có địa chỉ IP riêng khi kết nối với Internet. Ngoài ra, IPv6 còn cung cấp cơ chế truyền tải cơ bản để tạo ra các hệ thống điều khiển phức tạp và liên lạc với các thiết bị một cách hiệu quả về chi phí thông qua mạng không dây công suất thấp.

• Tiêu chuẩn: RFC6282
• Tần số hoạt động: (thích nghi và được sử dụng trên nhiều phương tiện truyền thông mạng khác nhau bao gồm Bluetooth Smart (2.4GHz) hoặc ZigBee hoặc công suất RF thấp (sub-1GHz)

Wifi

Kết nối WiFi thường là sự lựa chọn hiển nhiên đối với nhiều nhà phát triển, đặc biệt là tính phổ biến của WiFi trong môi trường gia đình bên trong mạng LAN.

Hiện tại, chuẩn WiFi phổ biến nhất được sử dụng trong nhà và nhiều doanh nghiệp là 802.11n, chuẩn WiFi này cung cấp truyền thông trong phạm vi hàng trăm megabit/giây, rất tốt cho việc truyền file, bù lại có thể sẽ kém cho nhiều ứng dụng IoT.

• Tiêu chuẩn: Dựa trên 802.11n (sử dụng phổ biến nhất trong nhà ngày nay)
• Tần số hoạt động: 2.4GHz và 5GHz bands
• Tầm hoạt động: ~50m
• Tốc độ truyền dữ liệu: Tối đa 600 Mbps, nhưng phổ biến là 150-200Mbps, còn tùy thuộc vào tần số kênh được sử dụng và số ăng-ten (chuẩn 802.11-ac mới nhất nên cung cấp tốc độ 500Mbps đến 1Gbps)

Cellular

Bất kỳ ứng dụng IoT nào có yêu cầu hoạt động ở các khoảng cách dài hơn, có thể tận dụng khả năng truyền thông di động mạng GSM/3G/4G. Cellular cho khả năng gửi lượng dữ liệu cao, đặc biệt là 4G, tuy nhiên chi phí cũng như mức tiêu thụ năng lượng sẽ là quá cao đối với nhiều ứng dụng. Giao thức này có thể lý tưởng cho các dự án truyền nhận dữ liệu băng thông thấp dựa trên các cảm biến, mà các cảm biến này truyền đi một lượng nhỏ dữ liệu thông qua Internet. Một sản phẩm chủ chốt trong lĩnh vực này có thể kể đến là các sản phẩm của SparqEE, với chi phí thấp và sử dụng với các nền tảng Raspberry Pi và Arduino.

• Tiêu chuẩn: GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G)
• Tần số hoạt động: 900/1800/1900/2100MHz
• Tầm hoạt động: Tối đa 35 km cho GSM; Tối đa 200km cho HSPA
• Tốc độ truyền dữ liệu: 35-170kps (GPRS), 120-384kbps (EDGE), 384Kbps-2Mbps (UMTS), 600kbps-10Mbps (HSPA), 3-10Mbps (LTE)

NFC

NFC (Near Field Communication) là một công nghệ cho phép tương tác hai chiều đơn giản và an toàn giữa các thiết bị điện tử, đặc biệt áp dụng cho điện thoại thông minh. Nó cho phép người dùng thực hiện các giao dịch thanh toán không tiếp xúc, truy cập nội dung số và kết nối các thiết bị điện tử với nhau. Về cơ bản nó mở rộng khả năng của công nghệ thẻ không tiếp xúc và cho phép các thiết bị chia sẻ thông tin ở khoảng cách nhỏ hơn 4cm.

• Tiêu chuẩn: ISO/IEC 18000-3
• Tần số hoạt động: 13.56MHz (ISM)
• Tầm hoạt động: 10cm
• Tốc độ truyền dữ liệu: 100–420kbps

 

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.

• Tiêu chuẩn: Sigfox
• Tần số hoạt động: 900MHz
• Tầm hoạt động: 30-50km (môi trường nông thôn), 3-10km (môi trường đô thị)
• Tốc độ truyền dữ liệu: 10-1000bps

Neul

Tương tự như khái niệm Sigfox và hoạt động trong băng tần 1GHz, Neul đã đẩy mạnh các lát rất nhỏ của quang phổ TV White Space để cung cấp khả năng mở rộng cao, vùng phủ sóng cao, công suất thấp và mạng không dây chi phí thấp. Các hệ thống dựa trên chip Iceni, sử dụng “Đài không gian trắng” (the white space radio) để truy cập vào băng tần UHF chất lượng cao, hiện có sẵn do sự chuyển đổi tương tự qua truyền hình kỹ thuật số. Công nghệ truyền thông được gọi là Trọng tâm (Weightless), tức là một công nghệ mạng không dây diện rộng được thiết kế cho IoT, phần lớn cạnh tranh với các giải pháp WAN hiện có, GPRS, 3G, CDMA và LTE. Tốc độ dữ liệu có thể dao động từ một vài bit mỗi giây lên đến 100kbps trên cùng một liên kết, các thiết bị có thể tiêu thụ năng lượng rất ít khoảng 20 đến 30mA từ pin 2xAA, có nghĩa có thể sử dụng 10 đến 15 năm với chỉ một cục pin này.

• Tiêu chuẩn: Neul
• Tần số hoạt động: 900MHz (ISM), 458MHz (UK), 470-790MHz (White Space)
• Tầm hoạt động: 10km
• Tốc độ truyền dữ liệu: Một vài bps đến 100kbps

LoRaWAN

Tương tự một số đặc điểm của Sigfox và Neul, LoRaWAN nhắm đến các ứng dụng mạng diện rộng (WAN) và được thiết kế để cung cấp mạng WAN công suất thấp. Cung cấp các tính năng đặc biệt cần thiết để hỗ trợ giao tiếp hai chiều di động an toàn trong IoT, M2M, SmartCity và các ứng dụng công nghiệp. Nó tối ưu hóa tiêu thụ điện năng thấp và hỗ trợ các mạng lớn với hàng triệu thiết bị, tốc độ dữ liệu dao động từ 0.3 kbps đến 50 kbps.

• Tiêu chuẩn: LoRaWAN
• Tần số hoạt động: Nhiều loại
• Tầm hoạt động: 2-5km (môi trường đô thị), 15km (môi trường ngoại ô)
• Tốc độ truyền dữ liệu: 0.3-50 kbps.

(Nguồn devlog.vn – Devlog via rs-online)