IoT Gateway – Cung cấp sức mạnh cho IoT trong công nghiệp

Trong tình huống IoT ngày càng phát triển, các doanh nghiệp phải đối mặt với thách thức trong việc tích hợp vô số thiết bị và giao thức, nhiều thiết bị với các yêu cầu về sức mạnh và kết nối khác nhau. Sự kết hợp này cũng có thể bao gồm các công nghệ kế thừa.

IoT Gateway đang nổi lên như một thành phần thiết yếu trong việc xây dựng một hệ thống IoT mạnh mẽ và để cung cấp sức mạnh tính toán trong các nhu cầu xử lý tại biên. 

IoT Gateway là gì?

Trong truyền thông, mục đích chính của một gateway là cầu nối giữa các công nghệ truyền thông khác nhau. Các công nghệ này có thể khác nhau về cách kết nối, giao diện hoặc giao thức. Ví dụ: cổng internet tại nhà của bạn kết nối mạng cục bộ (LAN) với nhà cung cấp dịch vụ internet (ISP). Cổng này liên kết WAN của ISP thông qua các công nghệ như PPP hoặc HDLC với mạng LAN bằng giao thức TCP/IP.

IoT Gateway có cùng nguyên tắc kết nối thông tin với các công nghệ khác nhau. Nó tạo ra một cầu nối giữa các cảm biến hay thiết bị truyền động IoT với Internet. Cổng kết nối IoT tổng hợp tất cả dữ liệu, dịch các giao thức của cảm biến và xử lý dữ liệu trước khi gửi.

Các thiết bị IoT kết nối với IoT Gateway bằng cách sử dụng các truyền thông không dây tầm ngắn như Sub-GHz, Bluetooth LE, Zigbee, Z-wave, hay tầm dài như LoRaWAN, Sigfox, LTE, LTE-M, WiFi,… sau đó liên kết với Internet thông qua Ethernet LAN hoặc cáp quang WAN (HDLC/PPP).

IoT Gateway nắm được các giao thức truyền dữ liệu (MQTT, CoAP, AMQP, DDS, Websocket) và có thể dịch chúng sang giao thức mà hệ thống dữ liệu cần.[2] (Nguồn: lanner-america)

Các khối của một IoT Gateway

1. Khối Quản lý thiết bị (QLTB)

Khối QLTB của IoT Gateway có chức năng phát hiện, xác định và kết nối mạng các thiết bị mới theo thời gian thực. Khối QLTB giúp IoT Gateway tạo phiên bản ảo của một thiết bị sau khi phát hiện ra nó; cần có định nghĩa về thiết bị để tạo được phiên bản ảo. Định nghĩa có thể chứa phạm vi đo lường, vị trí của thiết bị và thông tin quản lý nguồn, danh sách các trạng thái lỗi, trạng thái lỗi và thông báo lỗi. Nếu định nghĩa của phiên bản ảo được suy ra từ thiết bị vật lý, nó sẽ được tải lên cơ sở dữ liệu thiết bị. Trình quản lý thiết bị sau đó sẽ tạo phiên bản ảo và chuyển tiếp nó đến khối runtime.

Phiên bản ảo giao tiếp với thiết bị trong thời gian chạy. Việc trao đổi dữ liệu dựa trên các sự kiện để giảm tải thông tin liên lạc. Tuy nhiên, các thiết bị trong công nghiệp 4.0 nên quản lý được ít nhất là trạng thái của thiết bị phải thiết lập được.

Giải pháp công nghiệp này cho phép kết nối với các thiết bị mới. Các thiết bị được liên hệ phải cung cấp dữ liệu mô tả chính chúng để được nhận dạng chính xác. IoT gateway tạo ra các phiên bản ảo dựa trên những dữ liệu này. Các phiên bản ảo thường xuyên được làm mới dựa trên các sự kiện tương ứng. Chức năng bổ sung cho phép quản lý các thiết bị ảo đang chạy. Điều này chứng tỏ khả năng bổ sung để cập nhật các phiên bản vật lý và ảo trong thời gian thực. Khối QLTB cung cấp thông tin bổ sung cho điểm truy cập dữ liệu của IoT gateway và điểm truy cập cung cấp thông tin đó cho các lớp cao hơn (ex: MES). Điểm truy cập cũng thu thập thông tin về cấu hình của các cá thế ảo và vật lý từ SCADA.

Modun chẩn đoán cho phép quản lý các thiết bị vật lý, các phiên bản ảo trong IoT gateway để đảm bảo kiểm soát đáng tin cậy các thiết bị và việc truyền tải dữ liệu. Modun chẩn đoán cũng cho phép xác định vấn đề và gọi các sự kiện mô tả trạng thái quan trọng hoặc cảnh báo.

2. Khối Runtime

Khối Runtime hoạt động với các phiên bản ảo của các thiết bị vật lý trong khối quản lý. Khối Runtime chịu trách nhiệm tìm thiết bị mới và cập nhật các phiên bản ảo. Các phiên bản ảo có thể dễ dàng truy cập nhờ giao diện kết nối thống nhất của IoT gateway.

Trong trường hợp xảy ra lỗi trên thiết bị vật lý, bản sao ảo có thể tự liên kết với thiết bị vật lý dự phòng khác hoặc tự cấu hình lại. Chức năng của thiết bị lỗi được thay thế bằng chắc năng của thiết bị khác. Khối Runtime chạy một trình quản lý sự kiện để giữ cho các thiết bị vật lý và các phiên bản ảo đồng bộ hóa.

Khối QLTB và Runtime của IoT-Gateway.[3](Nguồn: researchgate)

Các chức năng chính của IoT gateway

Data forwarding – chuyển tiếp dữ liệu: Gateway có trách nhiệm chuyển tiếp dữ liệu từ các lớp công nghệ thấp đến các lớp cao hơn trong kiến trúc nhà máy.

Gateway management – quản lý cổng kết nối: Gateway là một yếu tố tích hợp quan trọng trong toàn bộ kiến trúc nhà máy. Một gateway không có kiểm soát và không quản lý được sẽ gây khó khăn trong việc triển khai hay mở rộng sau này.

Device management – quản lý thiết bị: cho phép cấu hình runtime của các thiết bị, cài đặt trạng thái, chế độ chức năng, xác nhận lỗi và nhiều thứ khác.

Data analysis – phân tích dữ liệu: IoT gateway giám sát và phân tích dữ liệu thời gian thực bằng cách sử dụng các thống kê và trí tuệ nhân tạo. Modun này hợp tác với device management để duy trì chất lượng dịch vụ, độ tin cậy và hoạt động lỗi. Các lỗi được phát hiện và các thiết bị lỗi được thay thế bằng các thiết bị dự phòng có sẵn. Phân tích dữ liệu với quản lý thiết bị cho phép hành vi tự cấu hình, thích ứng và mạnh mẽ liên quan đến lớp công nghệ được kết nối với cổng IoT. Mục tiêu là đạt được khả năng quản lý tự động các thiết bị mà không cần sự can thiệp của con người nhờ giao tiếp giữa máy với máy.

Diagnostics – Chẩn đoán:  IoT Gateway phát hiện lỗi và các sai phạm trong toàn bộ lớp công nghệ và trong chính cổng IoT.

Phân loại IoT Gateway

Dựa vào mục đích sử dụng, IoT Gateway được chia làm 2 loại: Out-of-box IoT Gateway và Raw IoT Gateway. Bảng so sánh 2 loại như sau:

Một vài sản phẩm IoT Gateways trên thị trường

1. Dell Edge Gateway 5100, Nhà sản xuất: Dell

Dell Edge Gateway 5100 là một Raw IoT Gateway. Được tạo ra cho mọi điều kiện: sự phát triển tiếp theo của Dell trong công nghệ IoT là tập trung vào các gateway thông minh  có khả năng hoạt động đáng tin cậy ở nhiệt độ khắc nghiệt và giúp kết nối các điểm cuối ngay cả trong môi trường khắc nghiệt nhất.

Dell Edge Gateway 5100 [4] (Nguồn: Dell)

Tính năng nổi bật:

  • Ứng dụng trong nhiều môi trường công nghiệp;
  • Cải thiện thông tin chi tiết;
  • Tối đa hóa các phải pháp dữ liệu;
  • Phân tích trong tầm tay.

2. SIMATIC IOT2000, Nhà sản xuất: Siemens

SIMATIC IOT2000 là một Raw IoT Gateway. Với SIMATIC IOT2000, bạn có kết nối với máy móc và nhà máy của mình với công nghệ thông tin hoặc đám mây và do đó làm cho quá trình sản xuất của bạn phù hợp với công nghệ 4.0 – cho các quy trình hiệu quả, minh bạch và nhanh nhẹn.

SIMATIC IOT2000 [5] (Nguồn: Siemens)

Tính năng nổi bật:

  • Trích xuất dữ liệu;
  • Xử lý và lưu trữ dữ liệu;
  • Truyền dữ liệu.

3. UTX-3117, Nhà sản xuất: Advantech

Advantech UTX-2117 là một plug & out-of-box IoT Gateway để đơn giản hóa việc triển khai với đa kết nối, giải pháp nhiệt tối ưu hóa, đầu vào nguồn điện phạm vi rộng và tích hợp phần mềm IoT lý tưởng cho thành phố thông minh, bán lẻ thông minh, năng lượng thông minh và công nghiệp 4.0

UTX-3117 [6] (Nguồn: Advantech)

Tính năng nổi bật:

  • Cung cấp 2xCOM, 1xHDMI, 1xDisplayPort, 2xUSB3.0, TPM 2.0 và DCIN 12~24V;
  • Tích hợp khe cắm mở rộng 1xM.2 (ví dụ: modun Wifi), 1 khe cắm mở rộng Half-size Mini Pcle (ví dụ: Zigbee, modun hay mSATA) và 1 một khe mở rộng Full-size Mini Pcle (3G/LTE modun) với 5 ăn-ten;
  • Hỗ trợ 1 ổ cứng HDD hoặc SSD 2.5 inchs;
  • Tích hợp IoT SW: nền tảng phần mềm WISE-PaaS IoT,  AWS GreenGrass, Microsoft IoT Edge.

4. iConnector, Nhà sản xuất: Daviteq

STHC là một IoT Gateway thông minh, hay còn được biết là iConnector, một thành phần chính trong bất kỳ ứng dụng IoT nào. iConnector có vai trò kết nối những thứ trong thế giới thực như cảm biến, máy đo, máy móc,… với hệ thống máy chủ để ghi dữ liệu, phân tích dữ liệu, giám sát và điều khiển,.. iConnector hỗ trợ nhiều truyền thông công nghiệp như Modbus, EthernetIP, Profinet, Cclink, mạng cảm biến không dây,… Nó kết nối với hệ thống máy chủ qua mạng LAN/WAN như Ethernet, Wifi hoặc Cellular.

iConnector [7] (Nguồn: Daviteq)

Tính năng nổi bật:

  • Thiết bị 3 trong 1: iConnector là một thiết bị 3-in-1, bao gồm: Data logger + Logic Controller + Internet Gateway;
  • KHÔNG cần lập trình: không cần học bất kì ngôn ngữ lập trình nào, chỉ cần cầu hình từ xa bằng nền tảng Globiots;
  • Chỉ cần 2 bước để sử dụng: Chỉ cần cài đặt và cấu hình từ xa trên Globiots, sau đó bạn có thể bắt đầu sử dụng;
  • Đa dạng giao thức truyền thông:   hỗ trợ đa dạng giao thức như: Modbus, EthernetIP, Profinet, CCink,…

Ứng dụng

Hầu hết các hệ thống IoT cần một số cách kết nối những cảm biến hay thiết bị với đám mây để có thể gửi dữ liệu qua lại với nhau. Gateway hoạt động như cầu nối giữa cảm biến/thiết bị với đám mây. Các cảm biến/thiết bị “trò chuyện” với gateway và gateway sẽ mang thông tin đó “trò chuyện” với đám mây. Daviteq cung cấp một số gói giải pháp IoT sử dụng IoT Gateway vào các ứng dụng cho nhà máy thông minh, nông nghiệp thông minh, cơ sở quản lý thông minh,…

Gói IoT cho nhiệt độ và độ ẩm sử dụng công nghệ IoT và Sub-GHz giám sát sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm không khí, được ứng dụng cho: văn phòng, nhà xưởng; kho nguyên liệu, kho sản phẩm; cửa hàng dược phẩm, cửa hàng bán lẻ; trung tâm dữ liệu – phòng máy chủ; vườn thực vật, nhà kính;… Ứng dụng này mang lại những lợi ích cho người sử dụng như: có thể giám sát nhiệt độ và độ ẩm ở mọi nơi, mọi lúc; xác định nhiệt độ và độ ẩm bất thường kịp thời; đảm bảo chất lượng hàng hóa lưu kho; tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường đối với hàng hóa lưu trữ;…

Gói IoT giám sát độ ẩm và nhiệt độ [8].(Nguồn: Daviteq)

Gói IoT cho thiết bị đo năng lượng được sử dụng cho giám sát năng lượng điện, hoặc có thể mở rộng quản lý các nguồn năng lượng khác như: nước, hơi nước, khí nén, nhiên liệu, khí công nghiệp và khí làm lạnh. Nó được áp dụng cho: nhà máy, nhà kho, máy móc; tòa nhà thương mại, nhà ở; bệnh viện-phòng khám; trung tâm dữ liệu-phòng máy chủ; trạm BTS, các cửa hàng bán lẻ-siêu thị; điện lưới, năng lượng mặt trời sử dụng cho trang trại, nhà ở; kho lạnh, vườn cây trồng, nhà kính, tàu thủy;… Nó mang lại những lợi ích cho người dùng: giúp giám sát năng lượng mọi lúc, mọi nơi; tính toán chính xác năng lượng riêng; tạo điều kiện để tiết kiệm năng lượng; giảm thời gian ngừng sản xuất;…

Gói IoT cho giám sát năng lượng [9].(Nguồn: Daviteq)

Giải pháp IoT cho nhà kính ứng dụng công nghệ không dây IoT và Sub-GHz để giám sát các thông số môi trường của nhà kính, nhà lưới, nhà che bóng trong ứng dụng nông nghiệp thông minh. Hệ thống sử dụng iConnector IoT Gateway để thu thập dữ liệu từ các cảm biến môi trường không dây Sub-GHz và truyền dữ liệu đến máy chủ tiền đề hoặc máy chủ đám mây từ xa để lưu trữ, phân tích, báo cáo, cảnh báo, giám sát và quản lý điều kiện môi trường trong nhà. Gói giải pháp này hiển thị và tự động điều khiển tại chỗ như một tùy chọn và được mở rộng để giám sát các thông số khác trong nhà, đảm bảo điều kiện môi trường tối ưu để giữ cho cây trồng khỏe mạnh và phát triển tốt. Với gói giải pháp này, người dùng có thể xác định và xử lý kịp thời các nguyên nhân dẫn đến tình trạng môi trường bất thường cũng như tiết kiệm thời gian, nhân lực và các nguồn lực khác. Hơn nữa, gói giám sát từ xa, tự động, liên tục, ở bất kì đâu, bất kì lúc nào tạo sự yên tâm và tối ưu hóa lợi tức đầu tư nhà kính cho người dùng.

Gói giải pháp IoT cho nhà kính. [10] (Nguồn: Daviteq)

LỜI KẾT

IoT gateway là một thành phần không thể thiếu trong bất cứ 1 hệ thống IoT nào trong nhà máy công nghiệp. Tuy nhiên việc chọn lựa chủng loại IoT gateway nào phù hợp với nhu cầu hiện tại của nhà máy và nhu cầu mở rộng trong tương lai là vấn đề không hề dễ dàng. Để biết thêm chi tiết và tư vấn cặn kẽ hơn, quý khách có thể liên hệ với chúng tôi qua email info@daviteq.com

 

Tham khảo trích dẫn: