Khi Internet vạn vật (IoT) mở rộng, các doanh nghiệp phải đối mặt với thách thức tích hợp vô số thiết bị và giao thức với nhau, trong khi nhiều thiết bị lại có yêu cầu kết nối khác nhau. Sự kết hợp này cũng có thể bao gồm các công nghệ kế thừa. Và IoT gateway nổi lên như một thành phần thiết yếu trong việc xây dựng một IoT mạnh mẽ và để cung cấp sức mạnh tính toán trong các ứng dụng điện toán biên. Vậy IoT gateway là gì và cách thức hoạt động ra sao?
IoT gateway là gì?
IoT gateway còn gọi là Cổng IoT hay Cổng kết nối vạn vật, là một thiết bị vật lý hoặc chương trình phần mềm đóng vai trò là điểm kết nối giữa đám mây và bộ điều khiển, cảm biến và thiết bị thông minh. Tất cả dữ liệu di chuyển giữa các thiết bị IoT và đám mây đều đi qua cổng IoT, cổng này có thể là thiết bị phần cứng chuyên dụng hoặc chương trình phần mềm.
Trong lĩnh vực viễn thông, mục đích chính của “Cổng” là cho phép liên lạc giữa hai mạng với các công nghệ khác nhau, bao gồm các loại kết nối, giao diện hoặc giao thức. Cổng là điểm vào (và lối ra) cho tất cả dữ liệu mạng. Nói cách khác, cổng xử lý lưu lượng truy cập vào và ra.
Khi bạn đọc nội dung trực tuyến này, rất có thể bạn đã kết nối với một cổng Internet từ điện thoại di động hoặc máy tính của mình. Cổng Internet (hoặc bộ định tuyến) tại nhà kết nối Mạng cục bộ (LAN) với Nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) của bạn. Cổng này liên kết mạng WAN của ISP thông qua các công nghệ như PPP hoặc HDLC với mạng LAN của bạn hoạt động với TCP/IP.
IoT gateway tuân theo nguyên tắc giống như bộ định tuyến mạng: Nó tạo cầu nối giữa các thiết bị IoT khác nhau (và dữ liệu được tạo khổng lồ giữa chúng) và các mạng khác như Internet. Cổng IoT kết nối các loại thiết bị IoT khác nhau chạy các giao diện và giao thức khác với Internet. Cổng IoT cũng có thể được gọi là cổng thông minh hoặc tầng kiểm soát.
Phương thức hoạt động của IoT gateway
IoT gateway thực hiện các tác vụ sau:
a. IoT dịch các giao thức để thiết lập liên lạc
Các thiết bị IoT phân tán có thể kết nối với cổng IoT bằng giao tiếp không dây hoặc có dây. IoT có thể sử dụng các phương tiện truyền dẫn, bao gồm các chế độ truyền dẫn không dây tầm ngắn như Bluetooth LE, Zigbee, Z-wave hoặc tầm xa như LoRa, LTE, LTE-M, WiFi.
Cổng IoT sẽ nhận và gửi dữ liệu bằng một hoặc nhiều đường truyền này. Đối với lưu lượng truy cập ra, cổng IoT cũng có thể sử dụng WiFi, 4G hoặc 5G hoặc WAN sợi quang (HDLC/PPP) để chuyển tiếp dữ liệu lên Đám mây.
IoT gateway cũng có thể hiểu các chế độ và giao thức truyền dẫn như MQTT, CoAP, AMQP, DDS, Websocket và dịch chúng sang các giao thức khác mà hệ thống dữ liệu cần.
b. IoT gateway có thể xử lý trước dữ liệu thô do các thiết bị IoT thu thập.
Cổng IoT nhận một lượng lớn dữ liệu thô được phân phối từ các thiết bị IoT. Một số cổng IoT có thể tổng hợp, tương quan và đồng bộ hóa tất cả dữ liệu thô này để giảm khối lượng dữ liệu và do đó giảm độ trễ của mạng. Cổng IoT thiết lập giao tiếp với Đám mây (hoặc máy chủ cao cấp) và gửi dữ liệu “đã được xử lý trước” này. Quá trình này được gọi là tính toán biên.
Các tính năng cơ bản và nâng cao của IoT gateway
Không phải tất cả các cổng IoT đều được xây dựng với các khả năng giống nhau và cho các ứng dụng giống nhau, nhưng chúng (ít nhất) phải có các tính năng cơ bản sau. Các ứng dụng hỗ trợ IoT phức tạp và đầy thách thức có thể yêu cầu các cổng IoT tiên tiến, chẳng hạn như cổng IoT công nghiệp.
a. Các tính năng cơ bản:
– Truyền thông có dây và không dây: Cổng IoT cung cấp thông tin liên lạc cho nhiều thiết bị với các loại truyền dẫn khác nhau, chẳng hạn như LoRA, WiFi, Cellular, Ethernet,…
– Cổng IoT tăng cường bảo mật: Cổng IoT tách biệt mạng, chúng tách biệt các miền OT và CNTT trong môi trường công nghiệp hoặc mạng IoT và Internet công cộng trong khi vẫn cung cấp thông tin liên lạc.
– Xử lý lưu lượng truy cập ra và vào: Cổng IoT xử lý lưu lượng truy cập ra để gửi dữ liệu IoT lên đám mây và lưu lượng truy cập vào để quản lý và cấu hình thiết bị IoT.
b. Các tính năng tiên tiến:
– Một số cổng IoT có thể thực hiện tính toán biên: Điện toán biên cho phép các cổng IoT xử lý trước (tổng hợp, loại bỏ trùng lặp hoặc tóm tắt) dữ liệu thô trước khi gửi lên đám mây.
– Cổng IoT nâng cao cung cấp nhiều giao diện hơn cho I/O: Cổng IoT công nghiệp có thể đi kèm với các giao diện nối tiếp, USB, HDMI, SPI, ModBus và nhiều giao diện khác.
– Khả năng hoạt động bền bỉ môi trường đầy thách thức: Các thiết bị IoT gateway bền bỉ như cổng IoT công nghiệp được thiết kế cho các môi trường công nghiệp phức tạp và đầy thách thức. Các thiết bị này có thể chịu được nhiệt độ cao, độ rung, độ ẩm, sốc,…
– Phần mềm tùy chỉnh: một số cổng IoT đi kèm với chương trình cơ sở có thể tùy chỉnh để thiết bị có thể thích ứng với các ứng dụng cụ thể. Chẳng hạn như các bản cập nhật Firmware Over The Air (FOTA) cho phép cập nhật qua mạng không dây.
– Xử lý nâng cao lưu lượng truy cập: IoT gateway có thể được sử dụng để cung cấp thêm thông tin và khả năng hỗ trợ cho mạng IoT. Ví dụ, hỗ trợ các dịch vụ với điện toán ngoại tuyến, quản lý thời gian thực hoặc đóng vai trò là bộ đệm, bộ đệm và thiết bị phát trực tuyến dữ liệu.
Lợi ích của việc sử dụng IoT gateway là gì?
a. Xử lý trước dữ liệu ở biên để cải thiện thời gian phản hồi
Cổng IoT có thể làm được nhiều việc hơn ngoài việc định tuyến lưu lượng. Cổng IoT nâng cao có thể xử lý trước dữ liệu cục bộ trước khi gửi lên đám mây. Nó có thể cung cấp các khả năng thông minh dựa trên phần mềm cục bộ, được gọi là điện toán biên. Thiết bị sử dụng “sức mạnh cục bộ” này để xử lý một lượng lớn dữ liệu thô do IoT tạo ra.
IoT gateway sử dụng điện toán biên để tổng hợp, loại bỏ trùng lặp và tóm tắt những khối lượng dữ liệu lớn này, đồng thời giảm tình trạng quá tải dữ liệu thô. Việc không phải gửi dữ liệu lớn giúp cải thiện thời gian phản hồi của mạng, giảm nhu cầu sử dụng thêm băng thông và cuối cùng là giảm chi phí truyền tải.
b. Tăng cường bảo mật mạng hỗ trợ IoT
Hệ sinh thái IoT phát triển nhanh đến mức các tổ chức tiêu chuẩn hóa không thể theo kịp. Hiện tại đang thiếu các tiêu chuẩn sản xuất, đặc biệt là về an ninh. Mặc dù nhiều tổ chức khác nhau đã làm việc trên các tiêu chuẩn IoT, nhưng nó vẫn đang tiếp diễn.
Các thiết bị IoT đi kèm với bảo mật kém, bao gồm mật khẩu mặc định yếu, dịch vụ mạng không an toàn, giao diện không an toàn, thiếu cơ chế cập nhật,.. IoT gateway cung cấp tuyến phòng thủ đầu tiên cho các thiết bị có khả năng không an toàn trước Internet.
Tất cả các thiết bị IoT phải sử dụng cổng IoT để giao tiếp, khiến nó trở thành một loại thiết bị proxy. Chẳng hạn, Cổng IoT công nghiệp cần thiết cho Bảo mật ICS/OT. Ngoài ra, một số cổng IoT đi kèm với các cơ chế bảo mật như TPM 2.0 để đảm bảo mã hóa toàn bộ nhanh chóng.
c. Cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng trên các thiết bị IoT
Hầu hết thời gian, các thành phố thông minh, nhà máy hoặc trang trại sử dụng các ứng dụng có cảm biến IoT (hoặc bộ truyền động) được triển khai từ xa. Điều này đòi hỏi các IoT như vậy cần phải có tính tự chủ cao về năng lượng.
Họ cần những chiếc radio hiệu quả và mạnh mẽ để gửi dữ liệu đến các tháp di động hoặc vệ tinh, một quá trình tiêu thụ lượng điện năng lớn. Các ứng dụng như thế này thường không thành công vì các thiết bị IoT như vậy có thời lượng pin hạn chế và chúng cũng không hỗ trợ công nghệ vô tuyến ngốn năng lượng như LTE hoặc WiFi.
Tuy nhiên, một cổng IoT gần đó được kết nối với lưới điện có thể đóng vai trò là cầu nối để rút ngắn các phạm vi tín hiệu đó và quản lý tất cả hoạt động giao tiếp của cảm biến. Một số cổng IoT cũng có thể cung cấp khả năng PoE (Cấp nguồn qua Ethernet) để sử dụng cáp mạng để cấp nguồn cho thiết bị.
d. IoT gateway chịu được môi trường khắc nghiệt và công nghiệp
Mặc dù cổng IoT thương mại sẽ cung cấp tất cả các lợi ích trên, nhưng cổng IoT thương mại không giống với cổng IoT công nghiệp. Cổng IoT công nghiệp (IIoT) cung cấp tất cả các lợi ích trên, ngoài ra chúng còn có khả năng hoạt động bền bỉ trong điều kiện công nghiệp và môi trường khắc nghiệt.
Các IoT gateway công nghiệp được thiết kế với công nghệ tản nhiệt thụ động bằng chất liệu cứng cáp và thường tuân thủ các tiêu chuẩn IP67 hoặc MIL-STD-810G. Các cổng IIoT như vậy có thể chịu được môi trường khắc nghiệt về nhiệt độ, độ ẩm, độ rung, sốc, bức xạ, nước, bụi và thậm chí cả các vụ nổ.
IoT gateway mang lại nhiều lợi ích cũng như đóng vai trò quan trọng góp phần thúc đẩy sự phát triển các ứng dụng IoT. Quý khách có nhu cầu tìm hiểu thêm về các sản phẩm IoT gateway vui lòng liên hệ với Adtech thông qua mục “Chat trực tuyến” ngay góc phải bên dưới màn hình. Adtech tự hào là đơn vị uy tín cung cấp các thiết bị Iot gateway từ các thương hiệu hàng đầu thế giới. Đội ngũ nhân viên tư vấn của Adtech luôn sẵn sàng giải đáp mọi thắc mắc của Quý khách 24/7.
