Internet of things là gì? Các nghiên cứu khoa học về IoT

Khái niệm Internet of Things (IoT)

Internet of Things (IoT) là mạng lưới các thiết bị vật lý có khả năng kết nối và trao đổi dữ liệu thông qua Internet. Các thiết bị này bao gồm cảm biến, máy móc, thiết bị gia dụng, xe cộ và nhiều đối tượng khác, được trang bị phần cứng tích hợp như vi điều khiển, mô-đun kết nối và phần mềm nhúng. Chúng thu thập thông tin từ môi trường và gửi về hệ thống trung tâm để xử lý, lưu trữ hoặc ra quyết định tự động.

Khái niệm IoT được đề xuất lần đầu bởi Kevin Ashton năm 1999 khi ông đang làm việc tại MIT. Ý tưởng ban đầu là dùng cảm biến để theo dõi chuỗi cung ứng. Đến nay, IoT đã phát triển vượt xa khỏi lĩnh vực hậu cần và trở thành công nghệ hạ tầng quan trọng trong chuyển đổi số. Sự bùng nổ của các thiết bị kết nối, cùng với sự phát triển của điện toán đám mây và trí tuệ nhân tạo, đã đưa IoT trở thành một thành phần cốt lõi của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư.

Các đặc điểm cốt lõi của IoT:

• Kết nối mọi thứ (things) với mạng Internet.
• Tự động thu thập và truyền dữ liệu thời gian thực.
• Khả năng phản hồi hoặc điều khiển từ xa.
• Đa dạng về loại thiết bị và môi trường triển khai.

Kiến trúc hệ thống IoT

Một hệ thống IoT điển hình được tổ chức thành ba lớp cơ bản, mỗi lớp đảm nhận một vai trò cụ thể trong quá trình vận hành toàn hệ thống. Lớp đầu tiên là lớp cảm nhận (Perception Layer), bao gồm các cảm biến và bộ thu nhận dữ liệu, thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin từ thế giới vật lý như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, chuyển động, hình ảnh hoặc âm thanh.

Lớp thứ hai là lớp mạng (Network Layer), có nhiệm vụ truyền dữ liệu từ các cảm biến đến trung tâm xử lý. Lớp này sử dụng các công nghệ truyền thông như Wi-Fi, Zigbee, Bluetooth, 4G/5G hoặc LoRaWAN tùy thuộc vào yêu cầu về băng thông và phạm vi. Dữ liệu có thể được gửi đến điện toán đám mây, máy chủ cục bộ hoặc thiết bị biên để phân tích.

Lớp cuối cùng là lớp ứng dụng (Application Layer), nơi dữ liệu được phân tích và sử dụng để đưa ra hành động. Lớp này là nơi người dùng tương tác với hệ thống, thông qua giao diện quản lý, báo cáo, hoặc cơ chế tự động hóa. Một số hệ thống có thể sử dụng kiến trúc mở rộng gồm 5 lớp, bổ sung thêm lớp xử lý (Processing Layer) và lớp kinh doanh (Business Layer) nhằm tối ưu việc tích hợp phân tích dữ liệu và ra quyết định.

Bảng sau minh họa cấu trúc kiến trúc 5 lớp:

Lớp	Chức năng	Ví dụ
Lớp cảm nhận	Thu thập dữ liệu từ thế giới thực	Cảm biến nhiệt độ, camera, RFID
Lớp mạng	Truyền dữ liệu giữa các thiết bị	Wi-Fi, 5G, LoRa
Lớp xử lý	Phân tích và lọc dữ liệu thu thập	Điện toán biên, gateway, AI
Lớp ứng dụng	Đưa ra hành động và hiển thị kết quả	Ứng dụng quản lý nhà thông minh
Lớp kinh doanh	Tối ưu hóa quy trình và tạo giá trị	Dashboard, phân tích xu hướng

Các công nghệ nền tảng cho IoT

Sự phát triển của IoT phụ thuộc vào sự hội tụ của nhiều công nghệ. Các thiết bị IoT hiện đại tích hợp hệ thống nhúng có khả năng xử lý tín hiệu, điều khiển cảm biến và duy trì kết nối mạng liên tục. Những tiến bộ trong ngành vi điện tử, vi xử lý tiết kiệm năng lượng, và pin công suất cao đã giúp mở rộng phạm vi ứng dụng của IoT trong điều kiện thực tế.

Các công nghệ chính hỗ trợ hệ sinh thái IoT bao gồm:

• Cảm biến và thiết bị nhúng: Cho phép thu thập dữ liệu chính xác.
• Hệ thống định vị: GPS, GLONASS, Galileo giúp xác định vị trí thiết bị.
• Điện toán đám mây và điện toán biên: Cung cấp hạ tầng xử lý và lưu trữ dữ liệu lớn.
• Trí tuệ nhân tạo: Học từ dữ liệu và đưa ra dự đoán tự động.
• Blockchain: Cải thiện tính minh bạch và bảo mật.

Bên cạnh đó, các công nghệ hỗ trợ như mạng thế hệ mới (5G), chuẩn truyền thông tốc độ cao, và các nền tảng phát triển phần mềm mã nguồn mở (như Node-RED, ThingsBoard) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc mở rộng quy mô và độ tin cậy của các hệ thống IoT trong thực tế.

Giao thức truyền thông trong IoT

Các thiết bị IoT thường sử dụng giao thức nhẹ, tiết kiệm băng thông và năng lượng để truyền dữ liệu trong môi trường hạn chế. Một số giao thức được tối ưu hóa cho mạng thiết bị có cấu hình thấp, chẳng hạn như MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), CoAP (Constrained Application Protocol), và AMQP (Advanced Message Queuing Protocol).

MQTT là giao thức phổ biến nhất trong IoT vì tính nhẹ, dễ triển khai và hiệu quả khi hoạt động trên mạng không ổn định. Nó sử dụng mô hình publish-subscribe, cho phép các thiết bị gửi và nhận thông điệp thông qua một môi giới (broker) trung gian. CoAP được thiết kế cho mạng constrained và hoạt động tốt với các thiết bị có bộ nhớ nhỏ, hỗ trợ cả mô hình RESTful như HTTP.

So sánh một số giao thức truyền thông:

Giao thức	Mô hình	Ưu điểm	Nhược điểm
MQTT	Publish/Subscribe	Nhẹ, ổn định, dễ triển khai	Phụ thuộc vào broker trung gian
CoAP	Client/Server	Tối ưu cho thiết bị hạn chế	Hạn chế chức năng hơn HTTP
AMQP	Message Broker	Bảo mật và đáng tin cậy	Nặng hơn MQTT

Việc lựa chọn giao thức phù hợp phụ thuộc vào loại ứng dụng, độ ổn định mạng, mức tiêu thụ năng lượng và yêu cầu bảo mật của hệ thống IoT cụ thể.

Ứng dụng của IoT trong đời sống và công nghiệp

Internet of Things đang chuyển đổi cách chúng ta sống, làm việc và quản lý hệ thống. Nhờ khả năng kết nối vạn vật, IoT đã thâm nhập vào hầu hết các lĩnh vực, từ gia đình đến y tế, từ thành phố đến nhà máy. Các ứng dụng IoT giúp tăng hiệu quả vận hành, giảm chi phí, nâng cao trải nghiệm người dùng và hỗ trợ ra quyết định dựa trên dữ liệu theo thời gian thực.

Trong đời sống cá nhân, IoT được triển khai phổ biến trong nhà thông minh với các thiết bị như:

• Đèn chiếu sáng tự động.
• Máy điều hòa điều khiển từ xa.
• Hệ thống camera an ninh và khóa cửa thông minh.
• Thiết bị đo năng lượng điện nước theo thời gian thực.

Trong công nghiệp, IoT đóng vai trò then chốt trong xây dựng nhà máy thông minh (smart factory) thuộc mô hình công nghiệp 4.0. Các cảm biến được gắn vào máy móc để giám sát tình trạng hoạt động, dự đoán hỏng hóc và tối ưu hóa quy trình. Trong y tế, thiết bị IoT hỗ trợ theo dõi sức khỏe bệnh nhân từ xa, giảm tải cho bệnh viện và tăng khả năng đáp ứng khẩn cấp.

Bảng sau tóm tắt một số ứng dụng phổ biến của IoT:

Lĩnh vực	Ứng dụng	Lợi ích
Nhà ở	Hệ thống đèn, rèm, điều hòa thông minh	Tiện nghi, tiết kiệm điện
Y tế	Đồng hồ theo dõi nhịp tim, huyết áp	Chẩn đoán sớm, theo dõi liên tục
Nông nghiệp	Hệ thống tưới tự động dựa trên độ ẩm đất	Tiết kiệm nước, tăng năng suất
Giao thông	Hệ thống quản lý bãi đỗ xe, định vị xe	Giảm tắc nghẽn, tối ưu lộ trình
Sản xuất	Giám sát dây chuyền, bảo trì dự đoán	Giảm thời gian chết, tăng năng suất

Thách thức của IoT

Dù mang lại nhiều lợi ích, IoT vẫn gặp phải các vấn đề kỹ thuật và xã hội nghiêm trọng. Thách thức lớn nhất là bảo mật – một mạng lưới hàng tỷ thiết bị đồng thời là một mạng lưới hàng tỷ điểm có thể bị tấn công. Việc bảo vệ dữ liệu cá nhân và đảm bảo tính riêng tư là vấn đề then chốt.

Ngoài ra, hệ sinh thái IoT thiếu chuẩn hóa, khiến việc tích hợp giữa các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất trở nên phức tạp. Nhiều thiết bị có vòng đời ngắn, thiếu khả năng cập nhật phần mềm, tạo nên các lỗ hổng bảo mật tồn tại lâu dài. Vấn đề năng lượng cũng là một trở ngại: nhiều cảm biến phải hoạt động lâu dài trong môi trường không có nguồn điện cố định.

Một số thách thức điển hình:

1. Bảo mật không đầy đủ (authentication, encryption).
2. Không tương thích giữa giao thức thiết bị.
3. Khó quản lý dữ liệu lớn và phân tán.
4. Thiếu nguồn năng lượng và hiệu suất năng lượng thấp.

Bảo mật trong hệ thống IoT

Việc xây dựng một hệ thống IoT an toàn cần được triển khai từ thiết kế phần cứng, phần mềm đến quy trình vận hành. Thiết bị IoT phải có cơ chế xác thực mạnh, mã hóa dữ liệu truyền đi và khả năng cập nhật firmware từ xa để vá lỗ hổng. Các giải pháp giám sát an ninh mạng, phát hiện hành vi bất thường và ngăn chặn tấn công cũng đóng vai trò quan trọng.

Các chiến lược bảo mật được khuyến nghị:

• Mã hóa dữ liệu đầu-cuối bằng chuẩn AES, TLS.
• Sử dụng các cơ chế xác thực dựa trên chứng chỉ số (PKI).
• Thiết lập chính sách phân quyền truy cập nghiêm ngặt.
• Thường xuyên cập nhật phần mềm và vá lỗi tự động.

Theo tài liệu NIST SP 800-213, bảo mật phải là yếu tố mặc định khi phát triển thiết bị IoT, không thể được thêm vào sau khi thiết bị đã triển khai.

Điện toán biên (Edge computing) và IoT

Điện toán biên là mô hình xử lý dữ liệu tại hoặc gần nơi dữ liệu được tạo ra, thay vì gửi toàn bộ lên đám mây. Trong hệ thống IoT, điện toán biên giúp giảm độ trễ, tiết kiệm băng thông và nâng cao độ tin cậy trong trường hợp mạng Internet không ổn định.

Các thiết bị biên như gateway, router công nghiệp, hoặc module AI tích hợp có thể xử lý một phần hoặc toàn bộ dữ liệu cục bộ, sau đó chỉ gửi dữ liệu đã xử lý lên hệ thống trung tâm. Điều này giúp phản hồi gần như tức thời trong các ứng dụng như giám sát an toàn, xe tự hành, và điều khiển máy móc tự động.

Lợi ích nổi bật của edge computing trong IoT:

• Xử lý thời gian thực không phụ thuộc vào Internet.
• Giảm chi phí truyền tải và lưu trữ dữ liệu lớn.
• Cải thiện bảo mật bằng cách giữ dữ liệu tại nguồn.

Triển vọng và xu hướng phát triển của IoT

IoT đang phát triển nhanh chóng với tốc độ kết nối thiết bị ngày càng cao. Theo dự báo của IDC, đến năm 2025 sẽ có hơn 41 tỷ thiết bị IoT hoạt động toàn cầu. Cùng với đó là sự chuyển dịch từ IoT truyền thống sang các hệ thống AIoT – tích hợp trí tuệ nhân tạo để tăng cường khả năng xử lý và tự động hóa.

Một số xu hướng nổi bật:

• Thiết bị IoT tích hợp AI tại biên.
• Các mô hình “as-a-service” như IoTaaS (IoT-as-a-Service).
• Chuỗi cung ứng thông minh với theo dõi thời gian thực.
• Thiết bị IoT tự cung cấp năng lượng bằng năng lượng mặt trời hoặc rung động.

IoT sẽ tiếp tục là nền tảng quan trọng trong hạ tầng kỹ thuật số của xã hội, đóng vai trò trung tâm trong chuyển đổi số, tự động hóa quy trình, và phát triển các dịch vụ cá nhân hóa thông minh hơn.

Tài liệu tham khảo

1. IoT Analytics. What is IoT? https://iot-analytics.com/internet-of-things-definition/
2. ScienceDirect. IoT Architecture. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352864817301496
3. NIST. IoT Cybersecurity Guidance. https://www.nist.gov/news-events/news/2020/05/nist-releases-draft-guidance-iot-device-cybersecurity
4. HiveMQ Blog. MQTT Essentials. https://www.hivemq.com/blog/mqtt-essentials/
5. McKinsey & Company. The value of digitizing the physical world. https://www.mckinsey.com/business-functions/mckinsey-digital/our-insights/the-internet-of-things-the-value-of-digitizing-the-physical-world
6. ENISA. Security of IoT. https://www.enisa.europa.eu/publications/good-practices-for-security-of-iot
7. Gartner. Edge Computing Glossary. https://www.gartner.com/en/information-technology/glossary/edge-computing
8. IDC. Future of IoT. https://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=prUS50009823