Hướng dẫn về IoT và các hệ thống nhúng

Bài viết này sẽ cho bạn thấy được mối quan hệ giữa Internet Vạn Vật IoT và các hệ thống nhúng. Ngoài ra, chúng ta sẽ xem xét một số cân nhắc phần mềm quan trọng để phát triển các sản phẩm IoT.

IoT và các hệ thống nhúng

Các thiết bị IoT và hệ thống nhúng cho phép chúng xuất hiện mọi nơi . Mười năm trước hầu như không ai có điện thoại thông minh; Những tiến bộ và việc áp dụng các sản phẩm IoT đã cho phép hàng triệu thiết bị kết nối với internet và các dịch vụ đám mây, tất cả đều góp phần tạo nên cuộc cách mạng “thông minh” toàn cầu.

Khả năng kết nối đạt được thông qua công nghệ IoT đã giúp phát triển các thiết bị hàng ngày khiến chúng ta và thế giới xung quanh chúng ta kết nối với nhau hơn bao giờ hết. Cho dù đó là thiết bị tập thể dục cá nhân, hệ thống sưởi ấm tại nhà hay thiết bị y tế thì đều đã có sự áp dụng các giải pháp IoT vào các sản phẩm mới.

Hệ thống nhúng là gì?

Theo truyền thống, hệ thống nhúng là một hệ thống máy tính nhỏ nằm trong một hệ thống cơ khí hoặc điện tử. Một hệ thống máy tính nhúng sẽ có mục đích chuyên dụng, như máy theo dõi tim, bộ định tuyến internet gia đình, máy giặt hoặc xe đạp điện. Các hệ thống máy tính này sẽ có một hoặc nhiều bộ vi xử lý hoạt động như “bộ não” của thiết bị. Một thứ giống như điện thoại thông minh bao gồm nhiều hệ thống nhúng hoạt động cùng nhau.

Quan trong là không giống như một máy tính cá nhân, các hệ thống nhúng đang trực tiếp đáp trả các phản hồi và các sự kiện xảy ra trong thế giới thực.

Có một mục đích chuyên biệt là điều khác biệt giữa hệ thống nhúng với máy tính cá nhân.

Khi Phần mềm Bluefruit nói về phát triển phần mềm nhúng đối với các hệ thống nhúng có nghĩa là muốn nói đến toàn bộ phần mềm hoạt động cùng với chúng. Từ phần lõi và hệ thống khởi động đến trình điều khiển và từ hệ điều hành nhúng đến giao diện người dùng và còn hơn thế nữa.

Trong lịch sử, các hệ thống nhúng đã có một hạn chế là không có kết nối với các mạng rộng lớn hơn hoặc kết nối internet. Các hệ thống cũ ngày nay vẫn đang hoạt động kết nối với các hệ thống nhúng khác thông qua các tiêu chuẩn kết nối truyền thống, như tiêu chuẩn RS-232, được thiết kế ban đầu vào những năm 1960 và có tốc độ cũng như băng thông hạn chế.

Các thiết bị nhúng ngày nay được hưởng lợi từ các tiêu chuẩn giao thức kết nối nhanh hơn, có băng thông lớn hơn và cũng có thể sử dụng kết nối không dây. Hệ thống nhúng cũng phức tạp hơn nhiều.

Điều này thường xuyên được lặp lại, song các hệ thống nhúng và phần mềm nhúng đưa con người lên mặt trăng vào năm 1969 ít phức tạp hơn nhiều so với các hệ thống bạn có trên điện thoại thông minh ngày nay. Trong khi máy tính Apollo có khoảng 145.000 dòng mã, hệ điều hành điện thoại thông minh Android trung bình chạy tới 12-15 triệu dòng mã. (Trong khi đó, trung bình các dòng xe cao cấp với hệ thống chuông và còi có tới 100 triệu dòng mã).

Và không phải tất cả các hệ thống nhúng hỗ trợ IoT đều phức tạp như một chiếc ô tô. Nó có thể đơn giản như một thẻ hỗ trợ GPS mà bạn có thể gắn vào xe đạp của mình để giúp bạn định vị bằng điện thoại nếu xe đạp của bạn bị mất.

Hệ thống nhúng trong IoT là gì?

Một hệ thống nhúng trong IoT vẫn chỉ là một hệ thống nhúng. Điều làm cho nó khác biệt là nó có kết nối với internet, hoặc một mạng nội bộ khác như mạng gia đình, để thực hiện các chức năng vượt xa những gì đang xảy ra trên chính hệ thống. Điều này mở rộng phạm vi chức năng mà nếu không được kết nối sẽ không thể thực hiện được.

Ví dụ như một chiếc tủ lạnh thông minh có thể có các cảm biến bên trong tủ lạnh có thể phát hiện độ lạnh của thực phẩm. Thông qua kết nối của nó với internet (có thể là điện thoại thông minh/ hoặc ứng dụng web), nó có thể đặt hàng sản phẩm từ một cửa hàng khi giá của một mặt hàng nhất định giảm xuống một mức nhất định.

ARM, chủ sở hữu nhữn thiết kế đằng sau nhiều bộ vi xử lý chạy các thiết bị IoT, định nghĩa về các hệ thống nhúng trong IoT như thế này:

“Thiết bị IoT là những mảnh ghép của phần cứng, chẳng hạn như cảm biến, thiết bị truyền động, các tiện ích, thiết bị hoặc máy móc, được lập trình cho các ứng dụng nhất định và có thể truyền dữ liệu qua internet hoặc các mạng khác. Chúng có thể được nhúng vào các thiết bị di động khác, thiết bị công nghiệp, cảm biến môi trường, thiết bị y tế, v.v. ”

(Nguồn: ARM  )

Khi kết hợp với khả năng truyền dữ liệu qua internet, tất cả những cảm biến này, về cơ bản biến chúng thành một thiết bị IoT. Hệ thống nhúng trong IoT là một thiết bị nhúng có chức năng IoT được thêm vào đó. (Lưu ý rằng thiết bị Internet vạn vật công nghiệp (IIoT) không nhất thiết phải sử dụng Internet để truyền dữ liệu.)

Khi truyền dữ liệu, các thiết bị này có thể được kết nối với nhau và có khả năng tự đưa ra các quyết định “thông minh” hoặc giúp người dùng đưa ra quyết định thông minh hơn.

Chẳng hạn thiết bị theo dõi thể dục cá nhân kết nối với ứng dụng trên điện thoại thông minh. Trình theo dõi ghi lại hoạt động trong khi một ứng dụng trên điện thoại thông minh có thể theo dõi điều này dựa trên lượng calo tiêu thụ, vì vậy người dùng có thể quyết định xem họ có thể thưởng cho mình một chiếc bánh rán hay không.

Hoặc có thể là một máy bơm insulin “thông minh” (về mặt kỹ thuật, thiết bị Internet of Medical Things (IoMT)) theo dõi lượng đường của người dùng và giúp họ theo dõi lượng đường và mức insulin của mình thông qua ứng dụng trên điện thoại và cung cấp insulin khi cần thiết.

Điều quan trọng cần nhớ là:

Tất cả các thiết bị IoT đều có hệ thống nhúng, nhưng không phải tất cả các hệ thống nhúng đều là một phần của IoT.

Tầm quan trọng của hệ thống nhúng trong IoT

Hệ thống nhúng là một phần quan trọng của nền tảng đằng sau hệ sinh thái IoT. Ý nghĩa của hệ thống nhúng trong IoT là phần lớn IoT sẽ không tồn tại như chúng ta biết nếu không có các hệ thống nhúng giúp thiết bị hoạt động.

Mặc dù internet rất cần thiết trong việc truyền dữ liệu đến và đi từ các thiết bị IoT tới các dịch vụ trực tuyến (đám mây), nhưng các hệ thống nhúng sẽ cho phép gửi dữ liệu này thường được diễn giải ở cấp cục bộ.

Dữ liệu mà hệ thống nhúng đang diễn giải có thể đến từ các ứng dụng trên điện thoại thông minh, dịch vụ đám mây và các máy tính lân cận khác. Tuy nhiên,vấn đề quan trọng là máy chủ của các cảm biến phải nhập dữ liệu thực tế theo thời gian thực. Sau đó, các hệ thống nhúng sẽ quyết định xem dữ liệu này có đủ quan trọng để được truyền qua bất kỳ kết nối nào mà thiết bị IoT có hay không.

Cảm biến trong hệ thống nhúng và IoT

Trước khi điện thoại thông minh ra đời, cảm biến là một phần chính trong các hệ thống nhúng, giúp chúng ghi lại và phản hồi các sự kiện xảy ra trong thế giới vật lý. Các cảm biến là một phần quan trọng của các hệ thống nhúng, hỗ trợ nhiều hệ thống hoạt động đưa ra quyết định.

Các loại sự kiện trong thế giới vật chất mà cảm biến có thể theo dõi bao gồm:

• Hoá chất
• Điện từ (ánh sáng nhìn thấy, sóng vô tuyến, tia cực tím, tia hồng ngoại, v.v.)
• Nhiệt độ
• Độ ẩm
• Chuyển động hoặc tăng tốc
• Lực hoặc áp lực
• Điện
• Sóng âm

Bản thân các cảm biến không thông minh; chúng cần được kết nối với một hệ thống nhúng để xử lí dữ liệu đến từ chúng.

Ví dụ vòng đeo tay thông minh có thể giao tiếp với một ứng dụng điện thoại thông minh qua Bluetooth và sau đó ứng dụng đó sẽ giao tiếp với một dịch vụ đám mây thông qua internet. Nó có thể hoạt động như thế này:

1. Cảm biến gia tốc trong dây đeo theo dõi bước chân do người đeo thực hiện.
2. Dây đeo (là một hệ thống nhúng) được lập trình để giao tiếp với một ứng dụng điện thoại thông minh một cách thường xuyên và cho biết người đeo nó đã thực hiện bao nhiêu bước.
3. Sau đó dữ liệu được ứng dụng điện thoại này gửi qua Bluetooth, tiếp theo dữ liệu đó sẽ được gửi qua internet tới một dịch vụ đám mây (một ứng dụng trực tuyến có cơ sở dữ liệu), nơi dữ liệu thể thao của người đeo thiết bị được lưu trữ và theo dõi.
4. Tùy thuộc vào dữ liệu của dịch vụ đám mây, các gợi ý sẽ được đưa ra thường xuyên dựa trên dữ liệu đó và được truyền trở lại qua internet vào thiết bị được đeo và trở lại ứng dụng.

Điều này sẽ không thực hiện được nếu không có các cảm biến của dây đeo cũng hệ thống nhúng đã giúp phân tích và truyền dữ liệu đó.

Không có hệ thống nhúng, không có IoT

Nếu không có hệ thống nhúng trong IoT thì bạn sẽ không có Internet Vạn Vật mà chúng ta có ngày hôm nay hoặc trong tương lai.

Phần mềm đứng đằng sau mọi thứ trong sơ đồ này, cho dù nó kiểm soát một phần hay giúp giao tiếp rộng rãi với toàn bộ hệ thống.

Phần mềm nhúng đóng một vai trò trong hệ thống nhúng, cho phép nó hoạt động và giao tiếp bên ngoài hệ thống.

Nếu bạn đang quan tâm đến các khoá học liên quan đến công nghệ IoT, vui lòng tìm hiểu tại đây để được hướng dẫn chi tiết về khoá học Lập Trình Nhúng IoT Cùng Lumi – Cam kết đầu ra tại FUNiX.

Đọc thêm: Lợi ích kinh doanh của IoT

Nguyễn Hải Nam

Dịch từ bài: Your guide to IoT and embedded systems