Công nghệ kỹ thuật Internet vạn vật (IoT) hỗ trợ tích hợp hệ thống như thế nào?

Việc tích hợp hệ thống được thực hiện nhờ công nghệ kỹ thuật Internet vạn vật (IoT) , kết nối các cảm biến, bộ điều khiển, cổng kết nối, mạng lưới, nền tảng đám mây và phần mềm kinh doanh. Các kỹ sư lựa chọn phần cứng có thể giao tiếp với nhau, thống nhất cách thức thực hiện và sau đó chuyển đổi dữ liệu sang định dạng chuẩn tại các cổng kết nối. Các hệ thống MES, ERP và SCADA sau đó có thể sử dụng API để truy cập dữ liệu đó. Với kế hoạch này, sẽ không còn tình trạng thông tin bị phân tán. Các nhóm có thể xem được tình trạng hoạt động của thiết bị trong thời gian thực và hệ thống hỗ trợ bảo trì dự đoán. Tiếp theo, tôi sẽ trình bày về kiến ​​trúc, giao thức, các bước tích hợp, nhu cầu bảo mật và ứng dụng trong kinh doanh. Sau đó, tôi sẽ cho các bạn thấy cách thức giảng dạy các kỹ năng này tại Học viện ECR.

Kiến trúc công nghệ kỹ thuật IoT: Từ thiết bị đến hệ thống doanh nghiệp

Lớp Nhận thức: Cảm biến và Nhận dạng

Ở lớp nhận thức, các cảm biến và thẻ định danh (ID tag) chuyển đổi những gì đang diễn ra trong thế giới thực thành thông tin kỹ thuật số. Đây là nơi tất cả các hệ thống hoạt động cùng nhau bắt đầu. Cảm biến phát hiện các yếu tố như khoảng cách, ánh sáng, khí, nhiệt độ, âm thanh, áp suất, độ ẩm và trạng thái của thiết bị. Mã vạch và thẻ RFID theo dõi sự di chuyển của các vật thể. Lớp này không thể sửa chữa sau khi đã thiết lập, vì vậy hãy cẩn thận về vị trí đặt thiết bị giám sát và cách thiết lập chúng. Cả ISO/IEC 30141 và IEEE 2413 đều đặt ra các tiêu chuẩn về cách thức xây dựng thiết bị IoT. Và giờ đây, các kỹ sư từ các công ty khác nhau có thể giao tiếp với nhau bằng cùng một ngôn ngữ. Bạn sẽ không đưa ra những giả định sai lầm làm chậm quá trình tích hợp nếu bạn hiểu ý nghĩa của các thuật ngữ.

Cổng kết nối và điện toán biên

Tại hiện trường, có các cổng kết nối với mạng. Dữ liệu được thu thập từ cả các cảm biến và máy móc mới lẫn cũ. Các giao thức được thay đổi, và dữ liệu được sắp xếp theo cách mà mọi người đều có thể hiểu được. Việc thêm quá trình xử lý gần hoặc ngay trên cổng kết nối chính là chức năng của điện toán biên. Điều này cho phép hệ thống hoạt động nhanh chóng mà không cần phải truy cập và kết nối lại với đám mây. Khi mạng gặp sự cố, các thiết bị biên cũng có thể lưu trữ dữ liệu và gửi lại khi kết nối được khôi phục. Điều này đảm bảo rằng dữ liệu không bị mất. Cổng kết nối cho phép phần cứng từ các công ty khác nhau kết nối với một địa điểm duy nhất. Việc đưa dữ liệu lên đám mây trở nên dễ dàng hơn nhiều nhờ có thêm chức năng này trong quy trình.

Nền tảng đám mây và phần mềm doanh nghiệp

Dù được lưu trữ trên đám mây hay tại chỗ, các nền tảng đều có thể lưu trữ dữ liệu, cung cấp API, thực hiện phân tích và theo dõi người dùng. Bước cuối cùng là liên kết với phần mềm doanh nghiệp. SCADA, ERP, MES (hệ thống quản lý sản xuất) và CMMS (hệ thống quản lý bảo trì) đều là những hệ thống quan trọng. Nó hướng dẫn các nhóm cách chọn dữ liệu nào nên được di chuyển giữa các lớp và cách hệ thống doanh nghiệp và hệ thống điều khiển có thể chia sẻ dữ liệu. Tiêu chuẩn ISA-95 còn được gọi là IEC 62264. Khi cảnh báo rung động từ máy bơm kích hoạt lệnh làm việc CMMS, hệ thống IoT không chỉ đơn thuần là giám sát. Giờ đây, đó là việc được thực hiện hàng ngày.

Các thiết bị IoT giao tiếp và kết nối với các hệ thống hiện có như thế nào?

Lựa chọn giao thức phù hợp với phạm vi, công suất và tốc độ dữ liệu.

Việc lựa chọn giao thức ảnh hưởng đến cả chi phí và tốc độ. Wi-Fi tốt cho các ứng dụng truyền tải dữ liệu lớn trong nhà, Bluetooth Low Energy tốt cho các thiết bị có phạm vi hoạt động ngắn, và Zigbee tạo ra các mạng lưới dạng lưới tiết kiệm năng lượng. LoRaWAN có thể truyền tải các mẩu dữ liệu nhỏ qua khoảng cách xa. Nó được điều hành bởi Liên minh LoRa. Mặt khác, NB-IoT sử dụng mạng điện thoại di động hoạt động với 3GPP. Mặc dù được tạo ra từ năm 1979, Modbus vẫn được sử dụng rất nhiều trong các nhà máy vì nhiều bộ điều khiển vẫn hoạt động với nó. Giao thức xuất bản-đăng ký MQTT, dựa trên OASIS, truyền dữ liệu giữa các nền tảng. Tiêu chuẩn OPC UA (IEC 62541) giúp dễ dàng gửi dữ liệu có cấu trúc trong môi trường công nghiệp. Nó cũng có mô hình bảo mật được tích hợp sẵn. Những yếu tố đầu tiên tôi xem xét là phạm vi, công suất, độ trễ, mật độ thiết bị và chi phí vận hành. Điều này là do không có một giao thức nào luôn hoạt động tốt nhất. Các nhóm thử nghiệm thiết bị vô tuyến ở Mỹ cũng nên đọc các quy tắc FCC Phần 15 đối với các thiết bị không có tiêu chuẩn này.

Từ yêu cầu đến phi công

Bạn nên xác định một vấn đề có thể đo lường được trước khi bắt đầu một dự án tích hợp. Trong trường hợp này, có thể sẽ giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến, cải thiện hiệu suất thiết bị tổng thể (OEE) hoặc giảm tiêu thụ năng lượng. Tiếp theo, hãy xem xét các camera IP, PLC, mạng lưới, chất lượng dữ liệu và phần mềm kinh doanh hiện có. Sau đó, hãy chọn cách thức và thời gian để liên kết các công cụ, cổng kết nối, thiết bị biên, đám mây và hệ thống kinh doanh. Trước khi sử dụng trên nhiều hơn một dây chuyền sản xuất hoặc tòa nhà, tôi nghĩ nên có một đợt chạy thử nghiệm. Các thử nghiệm thí điểm đảm bảo dữ liệu chính xác, cảnh báo hữu ích và cách thức kết nối hoạt động tốt. Chúng cũng giúp ước tính chi phí. Mọi việc sẽ diễn ra suôn sẻ hơn khi được thiết lập theo từng giai đoạn, và kết quả của mỗi giai đoạn sẽ ảnh hưởng đến giai đoạn tiếp theo.

Bảo mật được tích hợp vào mọi lớp.

Bảo mật không nên là vấn đề được xem xét sau cùng; nó cần được tích hợp ngay từ đầu. Rất nhiều thứ có thể nguy hiểm, chẳng hạn như API mở, thông tin xác thực yếu, phần mềm cũ và truy cập từ xa không được bảo vệ. Nhận dạng thiết bị, khởi động an toàn, cập nhật phần mềm có chữ ký, phân đoạn mạng, mã hóa, kiểm soát truy cập dựa trên vai trò, giám sát và sao lưu đều là một phần của hệ thống phòng thủ nhiều lớp. Các công ty sản xuất sản phẩm IoT cần tuân thủ NIST IR 8259 và NIST SP 800-82 để giữ an toàn cho hệ thống của họ. Trong phiên bản 3, họ được hướng dẫn cách giữ an toàn cho công nghệ đang hoạt động của mình. Đạo luật Cải thiện An ninh mạng IoT năm 2020 tại Hoa Kỳ yêu cầu NIST đưa ra các quy tắc cho các thiết bị IoT thuộc sở hữu của chính phủ. Nếu ai đó muốn mua một sản phẩm, họ nên hỏi người bán cách họ xử lý các sự cố, cập nhật và truy cập từ xa.

Ứng dụng IoT trong công nghiệp và cách đo lường kết quả

Nhà máy thông minh và bảo trì dự đoán

Công nghệ kỹ thuật Internet vạn vật (IoT) được liên kết với nhau để báo cáo các sự cố, chu kỳ và số lượng sản phẩm được sản xuất trong một nhà máy thông minh. Dữ liệu đó giúp phân tích hiệu suất thiết bị tổng thể (OEE), theo dõi chất lượng và thiết lập cảnh báo thời gian ngừng hoạt động. Trong bảo trì dự đoán, các chỉ số về độ rung, nhiệt độ, áp suất và dòng điện được sử dụng cùng nhau để tìm ra các máy móc hoạt động bất thường trước khi chúng bị hỏng. Điều này không thể chỉ thực hiện bằng cảm biến. Cảnh báo cần được gửi đến nhân viên bảo trì để có thể lập lệnh sửa chữa. Việc tích hợp giúp điều này trở nên khả thi. Nhiều người sử dụng nó để theo dõi nhiệt độ và độ rung của máy CNC mọi lúc. Nó giữ cho việc phân tích gần với máy móc nhờ điện toán biên.

Khả năng hiển thị tài sản và giám sát năng lượng

Việc sử dụng các công cụ RFID, GPS, Bluetooth, mạng di động và LoRaWAN giúp dễ dàng giám sát trong sân bãi, tòa nhà và dọc đường. Đó là lý do tại sao việc lập kế hoạch chuỗi cung ứng lạnh rất quan trọng: nó cho thấy mọi thứ được kết nối với nhau như thế nào. GPS và các cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm giúp bảo quản thuốc và thực phẩm dễ hư hỏng. Ngay cả khi mạng bị gián đoạn trong quá trình vận chuyển, việc ghi nhật ký lưu trữ và chuyển tiếp vẫn sẽ lưu giữ hồ sơ. Vì lợi ích của năng lượng và môi trường, các yếu tố như khí đốt, nước, điện, khí thải và khí nén đều được giám sát. Mạng lưới dạng lưới và các cảm biến tầm xa được sử dụng tại các địa điểm tiện ích để kết nối với thiết bị ở xa. Các bước thực hiện đều giống nhau: thu thập dữ liệu, liên kết dữ liệu với hệ thống kinh doanh, làm sạch dữ liệu và liên kết với các hệ thống khác.

Đo lường kết quả

Khi đánh giá một dự án IoT, tôi xem xét cả khía cạnh kỹ thuật và kinh doanh. Một số ví dụ về các chỉ số kỹ thuật là tốc độ kết nối, hiệu quả truyền dữ liệu, tính khả dụng của hệ thống, độ trễ của cảnh báo, độ chính xác của dữ liệu và chi phí của đám mây hoặc mạng. Về mặt vận hành, việc sử dụng thiết bị hiệu quả hơn, thời gian kiểm tra ngắn hơn, ít thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch hơn và phản hồi bảo trì nhanh hơn đều là những điều có thể thực hiện được. Các nhóm nên xem xét dữ liệu thử nghiệm và sau khi triển khai thường xuyên để tìm ra các cảnh báo sai, dữ liệu bị thiếu và những nơi mà công việc mất quá nhiều thời gian. Di chuyển cảm biến, thay đổi quy tắc cảnh báo và thiết kế lại bảng điều khiển đều là những cách để cải thiện mọi thứ theo thời gian trước khi được triển khai rộng rãi hơn.

So sánh các giải pháp, chi phí và đối tác

Sản phẩm có sẵn, sản phẩm đặt làm riêng hoặc sản phẩm kết hợp

Các loại công trình khác nhau không phải lúc nào cũng phù hợp với nhau. Một nền tảng có sẵn có thể được thiết lập nhanh hơn cho các nhu cầu giám sát đơn giản. Kỹ thuật tùy chỉnh có thể hữu ích khi bạn cần quản lý dữ liệu một cách chặt chẽ, có quy trình làm việc khó hiểu hoặc có các tác vụ cần được thực hiện ở nhiều nơi. Phương pháp kết hợp cho phép bạn sử dụng cả thiết bị doanh nghiệp và dịch vụ đám mây. Nó cũng cho phép bạn tạo giao diện hoặc kết nối riêng hoạt động với các dịch vụ đám mây. Điện toán biên rất tốt để theo dõi mọi thứ gần nơi làm việc và với độ trễ thấp. Mặt khác, nền tảng đám mây tốt hơn để tập trung dữ liệu ở một nơi và xem những gì đang xảy ra ở nhiều địa điểm. Khi tìm kiếm lựa chọn tốt nhất, đừng chỉ nhìn vào giá cả. Bạn cũng nên nghĩ đến khả năng tương thích với các ứng dụng khác, API, hỗ trợ, quản lý vòng đời và tổng chi phí sở hữu.

Những yếu tố nào ảnh hưởng đến chi phí dự án?

Chi phí IoT không chỉ bao gồm phần cứng. Bạn cần dành ngân sách cho các khoản như cảm biến, cổng kết nối, bộ điều khiển, thiết lập, kết nối, lưu trữ đám mây, phần mềm, dịch vụ kỹ thuật, bảo trì, cập nhật bảo mật và hỗ trợ kỹ thuật. Chi phí có thể tăng hoặc giảm tùy thuộc vào số lượng tài sản, cảm biến, cơ sở vật chất, điểm dữ liệu, điều kiện mạng, độ khó tích hợp và các yêu cầu tuân thủ. Việc đưa ra một mức giá chung cho tất cả các hệ thống thường không hữu ích. Tôi khuyên người mua nên yêu cầu báo giá dựa trên dự án, trong đó nêu rõ phạm vi, các giả định, sản phẩm bàn giao và chi phí phát sinh. Bằng cách này, người mua có thể so sánh hai nhà cung cấp một cách công bằng.

Lựa chọn đối tác kỹ thuật

Đối với một dự án, việc lựa chọn đối tác phù hợp sẽ phụ thuộc vào nhu cầu của dự án, chẳng hạn như phần mềm, cảm biến, cổng kết nối, hỗ trợ kỹ thuật, phát triển tùy chỉnh hoặc một giải pháp hoàn chỉnh. Nếu bạn muốn mua một sản phẩm hoặc dịch vụ nào đó, bạn nên tìm hiểu xem công ty đó có bao nhiêu kinh nghiệm với các giao thức công nghiệp, thiết bị cũ, thiết kế điện toán đám mây biên, bảo mật và triển khai trên nhiều địa điểm. Đây là một số điều bạn nên xem xét: các dự án tham khảo, thỏa thuận mức dịch vụ, kế hoạch thí điểm và tài liệu bảo mật. Một đối tác mạnh sẽ giúp bổ sung các thiết bị, địa điểm, giao thức và API mới khi hệ thống phát triển. Quan trọng không kém gì sản phẩm là những người làm việc trên chúng. Bởi vì một nhóm biết cách tích hợp có thể duy trì hoạt động của hệ thống và bổ sung thêm các tính năng sau khi nó được đưa vào sử dụng.

Nâng cao kỹ năng tích hợp thông qua khóa học Kỹ thuật IoT của ECR Academy.

Chương trình giảng dạy, tiêu chuẩn và đội ngũ giảng viên

Con người xây dựng các hệ thống hoạt động cùng nhau, vì vậy đào tạo rất quan trọng. Công nghệ Kỹ thuật Internet vạn vật (IoT) tại ECR sử dụng mô hình Nhận thức, Kết nối và Ứng dụng để giảng dạy công nghệ cảm biến, phát triển hệ thống nhúng, mạng cảm biến không dây và nhận dạng IoT tại học viện. Trước khi bắt đầu học tập dựa trên dự án, bạn cần quyết định sản phẩm cần gì và sẽ được lắp ráp như thế nào. Sau đó, bạn xây dựng các mô-đun, kết nối chúng với hệ thống và sử dụng chúng. Những người đến từ Mỹ và các quốc gia khác giảng dạy các môn học nâng cao có thể tham gia lớp học này. Các kỹ sư kinh doanh và chuyên gia đại học cùng nhau giảng dạy, vì vậy sinh viên học được cả lý thuyết và cách mọi thứ hoạt động trong thế giới thực. Mỗi năm, ECR đào tạo và kiểm tra khoảng 500,000 người đến từ Trung Quốc và 28 quốc gia khác. Học viện được thành lập từ năm 2010.

Nền tảng học tập dựa trên trình duyệt

Trong đào tạo IoT, việc có được phần cứng thường khó khăn vì việc khắc phục sự cố trên các thiết bị thực cần không gian phòng thí nghiệm và các công cụ. Dựa trên HTML5 và WebGL, Nền tảng Giảng dạy và Phát triển Trực tuyến IoT bao gồm một trình duyệt và một máy chủ. Học viên có thể sử dụng trình duyệt web để thiết kế, kiểm tra và thiết lập các hệ thống IoT. Bạn có thể sử dụng các mô-đun để mô phỏng dữ liệu cảm biến, thiết lập mạng không dây, lập trình trong các hệ thống nhúng, tạo logic điều khiển truy cập đám mây và thực hiện các thay đổi thời gian thực đối với các cảnh và thiết bị. Với thư viện tích hợp các mô hình thiết bị và giao thức truyền thông, các tài nguyên phần cứng được chuyển đổi thành tài nguyên ảo. Vì nền tảng này là một dịch vụ đám mây SaaS, nó có thể được sử dụng trên PC, máy tính bảng và điện thoại. Bạn không cần môi trường phát triển cục bộ hoặc phần cứng để người học thực hành trên các lớp nhận thức, mạng và ứng dụng.

Kỹ năng người học xây dựng và lộ trình nghề nghiệp

Những việc này được học viên thực hiện ở cả ba cấp độ.

• Nhận thức và điều khiển: Người học thu thập và xử lý dữ liệu từ các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, cảm biến ánh sáng, cảm biến khí, siêu âm và hồng ngoại, lập trình đầu đọc RFID tần số cao, áp dụng mã hóa EPC và viết chương trình mã vạch và mã QR. Họ cũng cài đặt hệ thống thu thập dữ liệu, phát triển, thử nghiệm và bảo trì các thiết bị nhận thức, phân tích lỗi và xây dựng hệ thống kết hợp đa cảm biến.
• Mạng và truyền thông: Người học sẽ phát triển với bộ giao thức Z-Stack và áp dụng các thông số kỹ thuật ZigBee, đóng gói và phân tích các gói dữ liệu, định tuyến và chuyển tiếp gói, và thực hiện truyền thông đơn hướng, đa hướng và phát sóng. Họ cũng sẽ cấu hình quyền truy cập thiết bị, xây dựng các ứng dụng truyền thông bus không dây, phát triển các giao thức mạng cảm biến và thiết lập cấu hình mạng cho mạng cảm biến.
• Ứng dụng và tích hợp: Người học xây dựng các ứng dụng trên nền tảng IoT, thiết bị biên và thiết bị đầu cuối di động, xử lý dữ liệu để điều khiển thiết bị, cũng như phát triển, kiểm thử và triển khai các ứng dụng IoT. Mô-đun giới thiệu cũng bao gồm các công nghệ bảo mật IoT và các phương pháp tích hợp hệ thống, còn mô-đun nhúng bao gồm trình điều khiển cổng I/O và UART, quản lý tác vụ và quản lý ngắt.

Người có những kỹ năng này có thể làm việc với vai trò kỹ sư triển khai IoT, kỹ sư tích hợp hệ thống IoT, kỹ sư hỗ trợ kỹ thuật IoT hoặc kỹ sư phát triển hệ thống nhúng IoT.

Kết luận

Việc tích hợp hệ thống được thực hiện nhờ công nghệ kỹ thuật Internet vạn vật (IoT) , liên kết các cảm biến, cổng kết nối, mạng lưới, điện toán biên, nền tảng đám mây và phần mềm kinh doanh bằng cách sử dụng các mô hình dữ liệu và giao thức chung. Để tích hợp hoạt động, cần có kiến ​​trúc phân lớp, lựa chọn giao thức dựa trên phạm vi, công suất và độ trễ, một quy trình bắt đầu từ các yêu cầu và có giai đoạn thử nghiệm, và bảo mật được tích hợp vào mọi lớp. Trong thế giới kinh doanh, các bước tương tự được sử dụng cho các hoạt động như bảo trì dự đoán, theo dõi tài sản và giám sát việc sử dụng năng lượng. Cả số liệu kỹ thuật và số liệu hoạt động đều có thể được sử dụng để xác nhận kết quả. Bạn có thể giảm thiểu rủi ro của dự án bằng cách xem xét các tùy chọn có sẵn, tùy chỉnh và kết hợp, tìm hiểu những yếu tố ảnh hưởng đến chi phí và đảm bảo rằng các đối tác có đủ năng lực. Vì các kỹ sư lành nghề thực hiện mọi bước, nên việc hiểu biết về cảm biến, mạng lưới, phát triển ứng dụng và tích hợp sẽ giúp công nghệ hoạt động hiệu quả trong thực tế.

FAQ

1. Công nghệ kỹ thuật IoT bao gồm những gì?

Mạng không dây, cổng kết nối, nền tảng, phát triển ứng dụng, cảm biến, thiết bị nhúng, bảo mật và các cách kết nối hệ thống là một số vấn đề được đề cập đến.

2. Có một giao thức tối ưu duy nhất cho mọi dự án IoT không?

Chúng tôi không tin điều đó. NB-IoT, MQTT, OPC UA, Wi-Fi và Zigbee đều có phạm vi, công suất, độ trễ và nhu cầu dữ liệu khác nhau, vì vậy các nhóm so sánh chúng với những gì dự án cần.

3. Điện toán biên và điện toán đám mây khác nhau như thế nào?

Nó xử lý dữ liệu ngay tại thiết bị để phản hồi nhanh chóng và lưu trữ các chỉ số trong trường hợp mất điện. Bạn có thể quản lý người dùng, phân tích dữ liệu và xem hoạt động của nhiều địa điểm khác nhau từ một nơi duy nhất thông qua nền tảng đám mây.

4. Người mới bắt đầu có thể học tích hợp hệ thống IoT trực tuyến được không?

Đúng vậy. Khóa học tại ECR bắt đầu từ những kiến ​​thức cơ bản về IoT và tiến dần đến từng bước một. Không cần sử dụng phần cứng thực tế, nền tảng mô phỏng dựa trên trình duyệt cho phép sinh viên làm việc trên các lớp ứng dụng, mạng và nhận thức.

5. Nền tảng học tập được triển khai như thế nào?

Đây là một dịch vụ đám mây SaaS hoạt động hiệu quả. Sinh viên học lập trình, thiết lập thiết bị và sửa lỗi trên trình duyệt.

Lên kế hoạch cho khóa đào tạo tích hợp hệ thống IoT của bạn với ECR Academy.

Trường ECR có thể giúp bạn sắp xếp khóa đào tạo IoT cho một nhóm, một đội hoặc toàn trường. Khi tham gia các khóa học về công nghệ kỹ thuật Internet vạn vật (IoT) của chúng tôi , bạn sẽ học hỏi thông qua các dự án, bài giảng được hướng dẫn bởi các kỹ sư doanh nghiệp cấp cao và các chuyên gia từ trường, cùng với nền tảng dựa trên trình duyệt để thiết kế, mô phỏng và triển khai. Bạn có thể gửi email đến ecr2008@enteredu.com nêu rõ mục tiêu và thời hạn hoàn thành, hoặc truy cập enteredu.com để tìm hiểu thêm.

dự án

1. ISO/IEC 30141, Internet vạn vật (IoT) — Kiến trúc tham chiếu, 2018

2. IEEE 2413, Tiêu chuẩn về khung kiến ​​trúc cho Internet vạn vật (IoT), 2019

3. NIST IR 8259, Các hoạt động an ninh mạng cơ bản dành cho nhà sản xuất thiết bị IoT, 2020

4. NIST SP 800-82 Phiên bản 3, Hướng dẫn về An ninh Công nghệ Vận hành (OT), 2023

5. OASIS, MQTT Phiên bản 5.0, 2019

6. IEC 62541-1, Kiến trúc thống nhất OPC — Phần 1: Tổng quan và Khái niệm, 2020