5G và các thách thức trong thiết kế hệ thống IoT công nghiệp

Đại dịch Covid-19 đặt ra nhiều thách thức lớn cần được giải quyết trong các tiêu chuẩn chuỗi cung ứng toàn cầu trong bối cảnh thế giới đang phải kiểm soát một sự kiện hy hữu chỉ xảy ra một lần trong hàng trăm năm. Những thách thức này đang khiến nhiều nhà thiết kế hệ thống phải thay đổi trọng tâm từ các ứng dụng sinh trắc học cá nhân và phương tiện tự hành sang các yêu cầu cụ thể của hàng nghìn quy trình và máy móc trong môi trường công nghiệp, mỗi quy trình hoạt động liên tục 24 giờ mỗi ngày, 7 ngày mỗi tuần, 365 ngày mỗi năm (24/7/365) trên phạm vi toàn thế giới.

XEM THÊM: Keysight Technologies: Dự đoán xu hướng công nghệ năm 2021

Khác với không gian IoT rộng lớn hơn, thường được đặc trưng bởi một tập hợp nhiều giải pháp để giải quyết các vấn đề, phân khúc IoT công nghiệp (IIoT) tập trung vào những lĩnh vực ứng dụng được xác định cụ thể, bao gồm cả hoạt động theo dõi tài sản thông minh, công tác bảo trì mang tính dự báo và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Mỗi loại quy trình đều đặt ra những thách thức riêng cho các nhà thiết kế hệ thống, nhưng tất cả đều đòi hỏi một nền tảng bảo mật vững chắc. Trong khi đó, những thách thức mới đã xuất hiện cùng với sự bùng nổ của việc ứng dụng các công nghệ không tiếp xúc do đòi hỏi của đại dịch cùng sự xuất hiện của các cơ hội thị trường mới, từ công nghệ 5G cho đến giám sát môi trường.

So sánh các thách thức của IoT và IIoT

Trong khi quyền riêng tư cá nhân có ý nghĩa quan trọng đối với các ứng dụng của người tiêu dùng như theo dõi sinh trắc học bằng công nghệ thiết bị IoT đeo trên người, các giải pháp IIoT lại không được sử dụng để giám sát các bảng màu giấy vệ sinh nằm trong hầm hàng của tàu vận chuyển container. Mỗi loại công nghệ IIoT có các mục tiêu chức năng khác, nói chung là rõ ràng hơn.

Ví dụ, mục tiêu của hoạt động theo dõi tài sản thông minh là duy trì hành trình an toàn cho hàng hóa được vận chuyển bằng bất kỳ phương thức nào, ở bất cứ đâu trên hành tinh (Hình 1). Khái niệm này có ý nghĩa quan trọng đối với hệ thống luật pháp và giờ giờ đây, cũng có ý nghĩa quan trọng đối với chuỗi cung ứng toàn cầu.

Hình 1. Chức năng theo dõi tài sản thông minh tạo ra một chuỗi hành trình an toàn cho hàng hóa đang được vận chuyển

Đối với các hệ thống bảo trì mang tính dự báo, người dùng bắt buộc phải biết khi nào thì một thiết bị nào đó có thể bắt đầu gặp sự cố trước khi sự cố đó thực sự xảy ra. Một ví dụ điển hình là các công ty bảo trì hệ thống HVAC (Hệ thống Sưởi ấm, Thông khí và Điều hòa) tại các thành phố lớn. Họ luôn duy trì hoạt động của đội xe dịch vụ ở trạng thái sẵn sàng 24/7, nhằm đạt được thời gian đáp ứng tối ưu (Hình 2). Mô hình Bảo trì mang tính dự báo sẽ làm giảm số lượng các lỗi nghiêm trọng đòi hỏi phải được xử lý ngay lập tức.

Hình 2. Bảo trì mang tính dự báo giúp giảm thiểu các lỗi nghiêm trọng của hệ thống IIoT

Ngoài ra còn có một yêu cầu khác đối với các hệ thống tối ưu hóa quy trình. Chúng không chỉ tối ưu hóa các phần riêng biệt của quy trình sản phẩm để cung cấp thông tin bao quát hơn về toàn bộ quy trình. Điều đó có thể sẽ yêu cầu các node và cảm biến ở biên mạng không trực tiếp nằm trong các vòng điều khiển mà thay vào đó, được bố trí để quan sát và phát hiện các quy luật mới có lẽ vẫn còn chưa rõ ràng nhưng có thể còn được tiếp tục tối ưu hóa hơn nữa.

XEM THÊM: Phát triển nhà máy số: Tâm điểm của cuộc Cách mạng công nghiệp 4.0

Có nhiều lựa chọn về thiết bị dành cho mỗi ứng dụng này, từ các MCU 8-bit với kiểu dáng rất nhỏ gọn và MCU dựa trên ARM® Cortex có mức độ tích hợp cao, tiêu thụ điện năng thấp cho đến các nền tảng RISC V/ FPGA với khả năng tiếp cận một khu vực rộng lớn của các ứng dụng node IIoT. Các bộ vi điều khiển ngày nay ngày càng đạt được mức độ tích hợp analog cao hơn nhằm làm giảm số lượng linh kiện bên ngoài và phạm vi thiết kế tổng thể. Chúng cũng được các môi trường IDE hỗ trợ và các môi trường này thường được cung cấp miễn phí, bao gồm các dịch vụ đa nền tảng cũng như các công cụ lập trình/ gỡ lỗi phần cứng. Một số công cụ này có thể cung cấp chức năng phân tích công suất thời gian thực cùng với các chức năng phân tích logic cơ bản.

Các nhà thiết kế cũng có thể chọn các mô-đun không dây đã được chứng nhận trước, nhưng môi trường công nghiệp có xu hướng phụ thuộc nhiều hơn vào các kết nối có dây cố định, thường là qua Ethernet. Để triển khai các kết nối này, nhu cầu về các sản phẩm hỗ trợ IEEE® 1588 PTP để truyền dữ liệu từ node này sang node khác với tốc độ cao, kịp thời và trong môi trường có dự phòng ngày càng cao. Các công ty hàng đầu trong thị trường nhà cung cấp Dịch vụ IoT như Google, Amazon Web Services và Microsoft Azure cũng đã hợp tác với các công ty bán dẫn như Microchip để phát triển các bộ công cụ đánh giá có chi phí thấp để cho phép kết nối nhanh chóng và an toàn với môi trường điện toán đám mây.

Một yếu tố quan trọng khác là các vi mạch bảo mật có quy mô từ các node nhỏ ở biên mạng dựa trên MCU cho đến các mô-đun đầy đủ tính năng phù hợp với các nền tảng dựa trên PC và Máy chủ. Các thiết bị cơ bản có sẵn với các chứng chỉ gốc tin cậy được đăng ký với các nhà cung cấp dịch vụ web lớn qua đó mang đến một trải nghiệm liền mạch bằng cách sử dụng bộ công cụ IoT để kết nối với môi trường điện toán đám mây.

Các nhà thiết kế hệ thống cần những thiết bị này để duy trì toàn bộ quá trình kiểm soát cho cả các ứng dụng node biên mạng cũng như là các kênh dữ liệu mà họ sử dụng.

Việc bảo vệ ứng dụng node biên mạng phải được thực hiện thông qua các chức năng khởi động an toàn, bảo mật qua giao diện vô tuyến (OTA) hoặc cập nhật kênh vật lý, chống giả mạo và xáo trộn địa chỉ bộ nhớ dữ liệu. Điều đó có thể được thực hiện bên trong các MCU và MPU hiện đại hoặc bằng cách ghép nối MCU / MPU với các IC phần tử bảo mật đồng hành với khả năng cho phép sử dụng cơ chế xác thực dựa trên khóa để xác thực các giao dịch trong hệ thống. Việc kết hợp các tính năng này đảm bảo rằng Image phần mềm đang thực thi được bảo vệ trước sự lây nhiễm mã độc hoặc hoạt động sao chép của các tác nhân trái phép bên ngoài. Việc bổ sung thêm các IC phần tử an toàn góp phần mở rộng chuỗi tin cậy cho các cảm biến và bộ chấp hành (actuator) được kết nối với node biên mạng, qua đó loại bỏ nguy cơ giả mạo phần cứng.
Các nhà cung cấp chip bán dẫn cũng đã bắt đầu cung cấp các dịch vụ lập trình nội bộ nhằm đảm bảo sự quan tâm tối đa đến vấn đề bảo mật trong quá trình nghiệm thu chứng chỉ gốc và khóa mã hóa. Điều đó được thực hiện theo các tiêu chuẩn được các nhà cung cấp dịch vụ web lớn chấp nhận.

Một điều cũng có ý nghĩa quan trọng là bảo vệ kênh dữ liệu thông qua các chứng chỉ tin cậy gốc có thể truy vết được. Điều đó cho phép kết nối an toàn với môi trường điện toán đám mây cũng như truyền thông điệp bảo mật trong chính kênh an toàn đó. Thông thường, thực hiện việc xoay khóa mã hóa là một phương pháp bảo mật tiêu chuẩn. Các IC phần tử bảo mật không bao giờ được để lộ khóa cá nhân ở bên ngoài thiết bị an toàn, và điều đó giúp cho giúp việc triển khai trở nên dễ dàng hơn.

Đây là những thách thức cơ bản mà mọi nhà thiết kế hệ thống IIoT phải đối mặt. Những thách thức mới đã xuất hiện trong thời gian đầu áp dụng các giải pháp như thiết bị cảm ứng mà đại dịch và các ứng dụng đang ở trong nhiều giai đoạn triển khai khác nhau, bao gồm cả các dịch vụ 5G và hệ thống giám sát môi trường, vv... đòi hỏi.

Khai thác trải nghiệm không tiếp xúc

Đại dịch Covid19 toàn cầu cho thấy mức độ phổ biến của tiếp xúc của con người trên các nút và màn hình cảm ứng. Lượng nước rửa tay được sử dụng để giảm thiểu phơi nhiễm đã nêu bật nhu cầu điều khiển không tiếp xúc. Cả IoT và IIoT đều được kỳ vọng là sẽ dẫn đầu trào lưu thay đổi hướng tới các thiết bị thông minh không tiếp xúc.

XEM THÊM: PolarFire SoC FPGA - Giải pháp xử lý hình ảnh nhúng thông minh trong IIoT

Mặc dù đã có sẵn bộ điều khiển cảm ứng trọn gói cũng như các giải pháp và thiết bị MCU tích hợp công nghệ nhận dạng cử chỉ 3D, thách thức chính vẫn liên quan đến việc đảm bảo được sự cân bằng phù hợp giữa khả năng triệt nhiễu với độ nhạy cảm ứng trong môi trường có độ nhiễu điện từ cao như các nhà máy công nghiệp. Việc bổ sung sức mạnh tính toán với mức tiêu thụ nguồn và chi phí thấp cho các cảm biến cục bộ này nâng cao độ chính xác trong nhận biết cảm ứng và giảm tải trên mạng IoT đồng thời nâng cao khả năng tự sửa lỗi. Các lớp phủ chủ động hoặc thụ động của các lớp đệm cảm biến cũng như việc kết hợp cảm biến quang với cảm biến điện dung góp phần nâng cao độ chính xác của các hệ thống này.

Việc có tới hàng tỷ node trên mạng Internet, mỗi nút đều tạo ra các gói dữ liệu nhỏ, là một tình huống định tuyến trong trường hợp xấu nhất. Đảm bảo độ cân bằng tối ưu giữa trí thông minh của node biên mạng và sự phụ thuộc vào kết nối đám mây liên tục sẽ là một thách thức trong một thời gian. Cơ sở hạ tầng cần thiết để điều khiển tất cả các gói tin nhỏ này một cách hợp lý theo một số phương thức xác định gây ra một thách thức rất khác về định tuyến so với việc phát trực tuyến một bộ phim. Các nhà cung cấp đám mây IoT lớn đã xây dựng cấu trúc xương sống trong mạng riêng của mình để giải quyết vấn đề về độ trễ và độ tin cậy trong định tuyến, gây nhiều áp lực hơn cho các nhà cung cấp địa phương trong việc cung cấp được cùng một chất lượng dịch vụ (QoS). Điều may mắn là, độ trễ 100 mili giây trong thời gian phản hồi của giải pháp bảo mật gia đình không phải là vấn đề cần được giải quyết.

Điều hướng các khu vực tăng trưởng mới về IIoT

Việc triển khai nghệ 5G một cách rộng rãi công mang đến các cơ hội kinh doanh mới về IIoT nhưng cũng tiếp tục làm chậm lại một số khía cạnh tăng trưởng của lĩnh vực này vì các nhà cung cấp di động đã đưa ra những lời hứa nhưng lại không thực hiện những cam kết về sự sẵn sàng của băng thông và phạm vi phủ sóng.

Công nghệ 5G mang đến các cơ hội mới cho IIoT

Giờ đây, vùng phủ sóng NB-IoT và LTE-M phù hợp đang bắt đầu có mức độ sẵn sàng cao hơn, vì vậy việc phân vùng một cách thích hợp giữa hai công nghệ tương hỗ này sẽ quyết định một số xu hướng trong ngành công nghiệp bán dẫn khi người dùng cần phải đưa ra sự lựa chọn về cân bằng hiệu suất của hai công nghệ này. Những bảng đánh giá kết hợp nhiều loại MCU và chipset RF khác nhau đang bắt đầu xuất hiện trên web khi mà trong một số trường hợp, các tô-pô RF mới này cạnh tranh với việc triển khai LoRa.

Một cơ hội tăng trưởng thú vị khác là giám sát môi trường ngoài các trạm quan trắc thời tiết thông thường. Vụ cháy rừng ở California cùng với mối quan tâm hiện nay đến mức CO2 trong nhà sau đại dịch Covid19 đã làm tăng độ phức tạp của việc giám sát chất lượng không khí. Nhu cầu đo lường mức độ ô nhiễm không khí một cách chính xác và tin cậy là một thách thức ngày càng lớn trên thị trường cảm biến. Một điều dễ nhận thấy trong vụ cháy rừng năm ngoái là sự sai lệch về chỉ số chất lượng không khí giữa các mạng lưới cảm biến đo lường khác nhau tại cùng một vị trí. Đó là do việc sử dụng các phương pháp đo khác nhau tại các cảm biến và cách thức trình bày dữ liệu (Đơn vị đo, Loại hạt). Như họ đã nói, tiêu chuẩn là sản phẩm tuyệt vời và mọi người nên sử dụng.

Bob Martin, Kỹ sư cấp cao về Ứng dụng, Bộ phận kinh doanh MCU8, Microchip Technology

Theo Tạp chí Điện tử và Ứng dụng