Internet vạn vật là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Internet vạn vật là gì?

Internet vạn vật (Internet of Things – IoT) là mạng lưới các thiết bị vật lý có khả năng thu thập và trao đổi dữ liệu qua mạng Internet mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người. Những thiết bị này có thể là cảm biến, bộ điều khiển, máy móc công nghiệp, thiết bị gia dụng, thậm chí cả phương tiện giao thông hoặc hạ tầng đô thị.

IoT được xem là một trong những trụ cột chính của chuyển đổi số, cho phép tạo ra môi trường thông minh trong mọi lĩnh vực từ công nghiệp, y tế, giáo dục đến nông nghiệp. Bằng cách kết nối dữ liệu từ thế giới thực với các hệ thống xử lý kỹ thuật số, IoT giúp tăng hiệu quả vận hành, giảm chi phí và tạo ra những dịch vụ hoàn toàn mới.

Đặc điểm nổi bật của Internet vạn vật là tính phân tán và khả năng kết nối mở rộng. Các thiết bị không cần phải giống nhau về cấu hình hoặc hãng sản xuất, nhưng vẫn có thể phối hợp hoạt động thông qua giao thức chung.

Khái niệm và nguồn gốc của Internet vạn vật

Khái niệm "Internet of Things" lần đầu tiên được sử dụng vào năm 1999 bởi Kevin Ashton – một nhà nghiên cứu tại Trung tâm Auto-ID của MIT – trong bối cảnh xây dựng hệ thống theo dõi sản phẩm bằng sóng vô tuyến RFID. Tuy nhiên, ý tưởng về việc kết nối máy móc với mạng từ xa đã manh nha từ trước đó, khi các kỹ sư bắt đầu lắp đặt cảm biến và thiết bị vi điều khiển vào các hệ thống công nghiệp trong thập niên 1980.

Ashton mô tả IoT là giải pháp để thu thập dữ liệu chính xác và liên tục từ thế giới vật lý, thay vì chỉ dựa vào những gì con người nhập vào hệ thống máy tính. Theo ông, việc gắn khả năng cảm biến vào các vật thể sẽ giúp tạo ra những chuỗi cung ứng thông minh và giảm thiểu lãng phí.

Một trong những ví dụ điển hình sớm nhất của IoT là máy bán nước ngọt Coca-Cola tại Carnegie Mellon University, được kết nối mạng nội bộ vào đầu những năm 1980. Thiết bị này cho phép người dùng kiểm tra tình trạng đồ uống trong máy từ xa – một nguyên mẫu sơ khai cho ý tưởng IoT hiện đại.

Các thành phần chính trong hệ sinh thái IoT

Một hệ thống IoT hoàn chỉnh bao gồm nhiều thành phần khác nhau, từ thiết bị vật lý đến phần mềm điều phối và nền tảng lưu trữ dữ liệu. Dưới đây là các thành phần cốt lõi cấu thành một hệ thống IoT:

• Thiết bị (Things): Bao gồm cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, chuyển động, camera, đồng hồ đo điện, robot, máy bay không người lái và thiết bị gia dụng thông minh.
• Giao thức truyền thông: Các công nghệ như Wi-Fi, Zigbee, LoRaWAN, NB-IoT, và Bluetooth giúp các thiết bị truyền tải dữ liệu về máy chủ hoặc nền tảng đám mây.
• Nền tảng xử lý dữ liệu: Là trung tâm phân tích, lưu trữ và xử lý các dữ liệu được thu thập từ thiết bị IoT, ví dụ như AWS IoT, Google Cloud IoT hoặc Microsoft Azure IoT Hub.
• Ứng dụng và giao diện: Là nơi người dùng tương tác với hệ thống thông qua ứng dụng web, di động hoặc API để theo dõi trạng thái và điều khiển thiết bị.

Một hệ thống IoT tiêu chuẩn có thể được biểu diễn dưới dạng bảng cấu trúc như sau:

Thành phần	Vai trò	Ví dụ
Thiết bị cảm biến	Thu thập dữ liệu từ môi trường	Cảm biến độ ẩm, nhiệt độ
Giao tiếp mạng	Chuyển dữ liệu đến nền tảng trung tâm	Wi-Fi, 5G, LoRa
Nền tảng IoT	Xử lý và phân tích dữ liệu	Azure IoT Hub
Ứng dụng người dùng	Hiển thị thông tin và điều khiển	App theo dõi năng lượng

Nguyên lý hoạt động của IoT

IoT vận hành dựa trên quy trình cơ bản gồm năm bước chính: thu thập dữ liệu, truyền dữ liệu, xử lý dữ liệu, đưa ra quyết định và phản hồi hành động. Mỗi thiết bị được lập trình để cảm biến các chỉ số vật lý, gửi dữ liệu đó qua mạng đến hệ thống xử lý trung tâm.

Quá trình xử lý có thể diễn ra tại đám mây (cloud computing) hoặc tại chính nơi thiết bị được đặt (edge computing). Dựa trên dữ liệu, hệ thống có thể tự động hóa hành động như điều chỉnh nhiệt độ, cảnh báo nguy hiểm, hoặc tối ưu quy trình sản xuất mà không cần can thiệp của con người.

Sơ đồ khái quát quy trình này:

• Thiết bị cảm biến: Phát hiện thay đổi trong môi trường vật lý.
• Giao tiếp mạng: Truyền dữ liệu đến máy chủ hoặc nền tảng đám mây.
• Xử lý và phân tích: Phân tích dữ liệu để nhận biết mẫu hình hoặc đưa ra dự báo.
• Hành động: Gửi lệnh điều khiển lại cho thiết bị hoặc cảnh báo người dùng.

Một ví dụ điển hình là hệ thống tưới tiêu thông minh: cảm biến độ ẩm đất phát hiện độ ẩm thấp, truyền dữ liệu lên nền tảng đám mây, hệ thống ra quyết định tưới nước và kích hoạt bơm tưới tự động.

Các công nghệ hỗ trợ IoT

Sự phát triển mạnh mẽ của Internet vạn vật phụ thuộc vào nhiều công nghệ nền tảng đóng vai trò hỗ trợ trong việc truyền dẫn, xử lý và phân tích dữ liệu. Những công nghệ này không chỉ đảm bảo tính kết nối mà còn tạo điều kiện để các thiết bị IoT hoạt động với hiệu suất cao, độ trễ thấp và mức tiêu thụ năng lượng tối ưu.

Trong số đó, những công nghệ chủ chốt bao gồm:

• Bluetooth Low Energy (BLE): Chuẩn truyền thông không dây tiết kiệm năng lượng, thường dùng trong thiết bị đeo và thiết bị theo dõi sức khỏe.
• LoRa và LoRaWAN: Giao thức truyền thông tầm xa, tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp với mạng cảm biến nông nghiệp hoặc giám sát môi trường.
• 5G và NB-IoT: Cung cấp băng thông cao và độ trễ cực thấp, cho phép hàng triệu thiết bị kết nối đồng thời trong không gian đô thị thông minh.
• Điện toán đám mây và điện toán biên (edge computing): Hỗ trợ lưu trữ, phân tích và ra quyết định trong thời gian thực.
• Trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (ML): Giúp phát hiện mẫu hình dữ liệu và tự động hóa hành vi dựa trên dữ liệu thu thập được.

Dưới đây là bảng tóm tắt vai trò của từng công nghệ:

Công nghệ	Ứng dụng điển hình	Đặc điểm nổi bật
BLE	Đồng hồ thông minh, cảm biến thể thao	Tiết kiệm pin, phạm vi ngắn
LoRaWAN	Nông nghiệp, đô thị thông minh	Phạm vi rộng, tốc độ thấp
5G/NB-IoT	Xe tự lái, giám sát giao thông	Độ trễ thấp, kết nối hàng loạt
AI/ML	Dự đoán lỗi thiết bị, phân tích ảnh	Tự động học và tối ưu hóa

Ứng dụng thực tế của IoT

IoT đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, tạo ra các hệ thống thông minh, nâng cao hiệu quả hoạt động, cải thiện chất lượng sống và mở ra cơ hội đổi mới sáng tạo.

• Nhà thông minh: Thiết bị như Google Nest, Amazon Echo cho phép điều khiển ánh sáng, nhiệt độ, khóa cửa bằng giọng nói hoặc từ xa qua điện thoại.
• Y tế: Thiết bị đeo theo dõi nhịp tim, huyết áp, lượng oxy trong máu. Các công ty như Medtronic và Fitbit đang tích hợp IoT để theo dõi bệnh nhân theo thời gian thực.
• Nông nghiệp thông minh: Cảm biến đo độ ẩm, pH đất và thời tiết giúp người nông dân quyết định thời điểm gieo trồng, tưới tiêu hiệu quả.
• Giao thông thông minh: Hệ thống đỗ xe tự động, đèn tín hiệu điều chỉnh linh hoạt, xe buýt định vị theo thời gian thực.
• Công nghiệp: Các cảm biến giúp giám sát tình trạng máy móc, dự đoán sự cố để bảo trì kịp thời (Industrial IoT – IIoT).

Một số hệ sinh thái IoT lớn hiện nay bao gồm:

• Amazon AWS IoT
• Microsoft Azure IoT Hub
• Google Cloud IoT

Lợi ích và tiềm năng của IoT

Internet vạn vật mang lại lợi ích thiết thực cho doanh nghiệp, chính phủ và người dân. Trong công nghiệp, IoT giúp giảm thiểu thời gian chết của thiết bị, tối ưu hóa dây chuyền sản xuất và cải thiện chất lượng sản phẩm. Trong lĩnh vực dân dụng, IoT giúp tiết kiệm năng lượng, nâng cao an ninh và tăng trải nghiệm người dùng.

Về mặt vĩ mô, IoT là động lực thúc đẩy mô hình thành phố thông minh, nơi các hệ thống hạ tầng (giao thông, nước, rác thải, chiếu sáng) được tự động hóa và vận hành theo dữ liệu thời gian thực. Đây là yếu tố cốt lõi của Cách mạng công nghiệp lần thứ tư (Industry 4.0).

Theo một báo cáo của Statista, số lượng thiết bị kết nối toàn cầu sẽ vượt 25 tỷ vào năm 2030, cho thấy tiềm năng khổng lồ mà IoT mang lại trong cả quy mô và ứng dụng.

Những thách thức và rủi ro

Dù IoT mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại không ít thách thức liên quan đến kỹ thuật, bảo mật và pháp lý. Các thiết bị IoT thường dễ bị tấn công vì thiếu cơ chế bảo mật mạnh, nhất là các thiết bị giá rẻ.

• Bảo mật và quyền riêng tư: Nhiều thiết bị thu thập dữ liệu cá nhân nhạy cảm nhưng không mã hóa hoặc bảo vệ đủ mạnh. Cuộc tấn công Mirai botnet năm 2016 đã khai thác hàng triệu thiết bị IoT không được bảo mật.
• Chuẩn hóa: Sự đa dạng của thiết bị và giao thức khiến việc tích hợp hệ thống gặp khó khăn. Thiếu tiêu chuẩn chung gây ra rào cản tương thích giữa thiết bị các hãng.
• Chi phí và tiêu hao năng lượng: Việc triển khai diện rộng các thiết bị IoT có thể tiêu tốn năng lượng và chi phí vận hành đáng kể nếu không được tối ưu.

Xu hướng phát triển tương lai

IoT đang chuyển dần từ giai đoạn thử nghiệm sang giai đoạn triển khai quy mô lớn. Xu hướng tích hợp AI, điện toán biên và blockchain vào hệ sinh thái IoT đang ngày càng rõ rệt. Những công nghệ này hứa hẹn giải quyết các vấn đề về độ trễ, bảo mật và khả năng mở rộng.

• AIoT (AI + IoT): Tạo ra các thiết bị có khả năng học hỏi và thích nghi thông minh với môi trường.
• Blockchain: Cung cấp cơ chế xác thực và bảo mật phi tập trung cho mạng lưới thiết bị IoT.
• Chuẩn hóa toàn cầu: Các tổ chức như ISO/IEC JTC 1/SC 41 đang xây dựng tiêu chuẩn chung cho thiết bị và giao thức IoT.

Các doanh nghiệp và chính phủ cần chuẩn bị cơ sở hạ tầng, chính sách và nguồn nhân lực phù hợp để tận dụng tối đa làn sóng công nghệ IoT trong tương lai.

Tài liệu tham khảo

1. Ashton, K. (2009). That ‘Internet of Things’ Thing. RFID Journal. https://www.rfidjournal.com/that-internet-of-things-thing
2. Gartner. (2023). What is the Internet of Things? https://www.gartner.com/en/information-technology/glossary/internet-of-things
3. IEEE Internet of Things Journal. https://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentIssue.jsp?punumber=6488907
4. Statista. (2024). Number of connected devices worldwide. https://www.statista.com/statistics/802690/worldwide-connected-devices-by-access-technology/
5. World Economic Forum. (2022). Fourth Industrial Revolution. https://www.weforum.org/agenda/2022/01/fourth-industrial-revolution-what-it-means/
6. Cloudflare. (2023). Mirai Botnet. https://www.cloudflare.com/learning/ddos/ddos-attack-tools/mirai-botnet/
7. ISO/IEC JTC 1/SC 41. (2024). Internet of Things and Digital Twin. https://www.iso.org/committee/5988551.html