Internet vạn vật cho chính quyền đô thị và thành phố thông minh
TS.Hồ Đức Chung
Tóm tắt nội dung
Ngày nay Internet vạn vật (IoT) không còn xa lạ đối với các nhà khoa học, hay những người yêu thích công nghệ hoặc thậm chí cụm từ này đã len lỏi đến từng nhà từng người dân. Tuy nhiên để hiểu Internet vạn vật là gì? Thì hầu hết mọi người hiểu rất mơ hồ thậm chí là chưa hiểu đúng ý nghĩa của nó và ứng dụng của nó vào đời sống thường ngày của chúng ta như thế nào.
IoT là sự mở rộng kết nối của Internet vào các thiết bị vật lý và các vật dụng thường ngày của con người như các thiết bị điện tử và những dạng khác như các cảm biến phần cứng của thiết bị. Những thiết bị này giao tiếp và tương tác với nhau qua Internet. Các thiết bị này sẽ được kiểm soát, theo dõi và điều khiển [1]. Trong tương lai, Internet vạn vật sẽ được phát triển một cách toàn diện và liền mạch ở hầu hết các hệ thống khác nhau và trong những hệ thống không đồng nhất. Trong khi đó, nó cũng cung cấp một không gian dữ liệu mở cho việc truy cập từ đó mang lại sự phát triển cực mạnh của các dịch vụ số thông qua mạng Internet.
Để xây dựng được kiến trúc chung cho IoT là một nhiệm vụ rất phức tạp bởi vì sự đa dạng cực kỳ phức tạp của các thiết bị, những lớp công nghệ liên kết và những dịch vụ mà nó có thể liên quan đến rất nhiều hệ thống khác nhau.
Trong bài viết này chủ yếu tập trung vào một hệ thống IoT cho đô thị, thật sự ra IoT đô thị ra đời nhằm thiết kế và xây dựng cho các thành phố thông minh trong tương lai. Mục tiêu của IoT cho thành phố thông minh là nhằm tận dụng các công nghệ truyền thông tiên tiến để hỗ trợ cho các dịch vụ giá trị được cộng vào và để điều hành thành phố thông minh. Ngoài ra, bài viết này sẽ mô tả và đưa ra một số giải pháp kỹ thuật tối ưu nhất để đạt được một đô thị và thành phố thông minh.
Giới thiệu
Internet vạn vật là một mô hình giao tiếp gần đây trở nên phổ biến trong tương lai không xa, trong đó những vật dụng của cuộc sống thường ngày sẽ được trang bị những vi điều khiển, truyền phát thông tin số và những giao thức dữ liệu phù hợp giúp chúng có thể giao tiếp một cách dễ dàng với những thiết bị khác và với cả người dùng, nó trở nên một phần không thể thiếu của Internet [2]. IoT vì thế có thể dễ dàng truy cập và tương tác với hầu hết các thiết bị như là đồ dùng gia đình, camera giám sát, các cảm biến giám sát, cơ cấu chấp hành và giao thông xe cộ,… IoT sẽ phát triển một lượng lớn các ứng dụng sử dụng số lượng rất lớn và đa dạng của dữ liệu được tạo ra bởi những vật dụng và thiết bị để tạo ra những dịch vụ mới cho cộng đồng, các công ty và hành chính công. Mô hình này thật sự ra đã ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như tự động trong nhà ở, tự động trong công nghiệp, hỗ trợ y tế, chăm sóc sức khỏe di động, hỗ trợ người già, quản lý năng lượng thông minh, lưới điện thông minh, ô tô, quản lý giao thông, và còn rất nhiều ứng dụng khác nữa [4].
Các dịch vụ cho thành phố thông minh
Theo như nghiên cứu của Pike Research về thành phố thông minh, thị trường thành phố thông minh được ước tính sẽ đạt hàng trăm tỷ đô vào năm 2020, với việc chi tiêu hàng năm đạt gần 16 tỷ đô. Thị trường này sẽ bùng nổ từ sự kết nối của ngành công nghiệp và dịch vụ quan trọng như: Chính quyền thông minh, di động thông minh, những tiện ích thông minh, tòa nhà thông minh và môi trường thông minh. Tuy nhiên, thị trường thành phố thông minh chưa thực sự được đẩy mạnh đầu tư, bởi vì các rào cản chính trị, kỹ thuật, công nghệ và tài chính.
Dưới khía cạnh chính trị, trở ngại chủ yếu là quyền quyết định được phân chia cho các bên liên quan khác nhau. Một cách có thể loại bỏ rào cản này là thể chế hóa toàn bộ quá trình quyết định, tập trung hoạch định chiến lược và quản lý của thành phố thông minh lên một cơ quan chuyên sâu trong thành phố [5].
Về lĩnh vực kỹ thuật, hầu hết các vấn đề liên quan bao gồm sự không tương tác của những kỹ thuật bất đối xứng gần đây được sử dụng trong thành phố hay những đô thị phát triển. Riêng về mặt này, tầm nhìn IoT có thể trở thành một khối tòa nhà nhằm hiện thực hoá nền tảng ICT, vì thế không thể giải phóng được tiềm năng của tầm nhìn cho thành phố thông mình [6].
Cuối cùng là khía cạnh về tài chính, một mô hình kinh doanh rõ ràng và trong sạch vẫn còn là những vấn đề đáng quan tâm, mặc dù có một vài nỗ lực ban đầu gần đây [7]. Tình hình trở nên trầm trọng hơn bởi sự bất lợi kinh tế toàn cầu, được xác định bởi sự thu hẹp chung sự đầu tư vào dịch vụ công cộng. Tình trạng này ngăn cản tiềm năng rất lớn của thị trường thành phố thông minh đi vào hiện thực. Một cách có thể giải quyết bế tắc này đó là đầu tiên phát triển những dịch vụ kết hợp tiện ích xã hội với sự rất rõ ràng trong dòng tiền đầu tư, như là bãi đỗ xe thông minh, những tòa nhà thông minh, vì vậy sẽ có vai trò như là một xúc tác cho những dịch vụ giá trị khác được thêm vào sau này [8].
Phần tiếp trong phần này, sẽ giới thiệu tổng quan các dịch vụ có thể được ứng dụng trong mô hình IoT đô thị và cũng là phần quan tâm tiềm năng trong thành phố thông minh để tăng chất lượng dịch vụ cho cộng đồng nhằm mang lại lợi ích kinh tế cho chính quyền thành phố để giảm thiểu chi phí hoạt động [9]. Một số dịch vụ có thể được ứng dụng trong mô hình IoT đô thị như:
Quản lý rác thải: Quản lý rác thải là một vấn đề chính trong các thành phố hiện đại văn minh ngày nay, do chi phí của dịch vụ và vấn đề tồn trữ rác thải trong các bãi rác. Những giải phát ICT chuyên sâu cho vấn đề này có thể tạo ra kết quả về lợi ích kinh tế và sinh thái. Ví dụ như sử dụng những thùng chứa rác thải thông minh, có thể dò tìm mức độ tải trọng và cho phép việc tối ưu hóa những tuyến đường của xe thu gom rác, từ đó có thể giảm được chi phí thu gom rác thải và tăng chất lượng của việc tái chế rác thải.
Chất lượng không khí: Ủy ban Châu Âu chính thức thông qua một dự luật thiết lập năng lượng tái tạo 20 - 20 - 20 mục tiêu giảm thiểu sự biến đổi môi khí hậu cho thập kỷ kế tiếp. Những mục tiêu này nhằm giảm 20% lượng khí thải nhà kính vào năm 2020 so sánh với mức độ vào năm 1990, giảm 20% lượng tiêu thụ năng lượng thông qua tăng hiệu suất năng lượng vào năm 2020, và tăng 20% hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo vào năm 2020. Một đô thị IoT có thể cung cấp những phương tiện để kiểm soát chất lượng không khí trong những khu vực đông dân cư [10]. Từ đó chúng ta có thể nhận ra rằng những cảm biến chất lượng không khí và ô nhiễm sẽ được triển khai khắp thành phố và dữ liệu sẽ được công khai cho người dân.
Kiểm soát ô nhiễm tiếng ồn: Tiếng ồn có thể được xem như một dạng của sự ô nhiễm âm thanh nhiều như carbon oxide (CO) trong không khí. Trong trường hợp này chính quyền thành phố sẵn sàng ban hành những luật đặc biệt để giảm thiểu lượng tiếng ồn trong trung tâm thành phố ở những giờ đặc biệt. Một đô thị IoT có thể cung cấp một dịch vụ giám sát tiếng ồn để đo lường tiếng ồn sản sinh ra ở những thời gian bất kỳ trong những nơi đáp ứng được dịch vụ [11]. Bên cạnh việc xây dựng bản đồ không gian thời gian của ô nhiễm tiếng ồn trong một khu vực cũng có thể được sử dụng để thực thi an ninh công cộng, bằng những thuật toán dò tìm âm thanh có thể nhận biết tiếng ồn, ví dụ như tiếng ồn của những mảnh kiếng vỡ hoặc tiếng khi nói chuyện. Dịch vụ này vì thế có thể cải thiện lẫn sự yên tĩnh của các đêm trong thành phố và kể cả niềm tin của những chủ sở hữu công cộng, mặc dù sự lắp đặt các bộ dò âm thanh hoặc microphone môi trường thì còn gây tranh cãi vì rõ ràng là vấn đề riêng tư cho loại kiểm soát này.
Ùn tắc giao thông: Cùng với sự kiểm soát chất lượng không khí và âm thanh một dịch vụ thành phố thông minh có thể được hoạt động đô thị IoT bao gồm cả sự kiểm soát ùn tắc (tắc nghẽn) giao thông trong thành phố. Thậm chí hệ thống kiểm soát giao thông dựa trên camera luôn sẵn sàng và triển khai trong nhiều thành phố, thông tin trải rộng năng lượng thấp cung cấp một nguồn dày đặc thông tin. Kiểm soát giao thông có thể được thực hiện bởi việc sử dụng cảm biến và cài đặt hệ thống định vị toàn cầu (GPS) trên những chiếc xe hiện đại [12], và cũng đáp ứng được sự kết nối của những cảm biến chất lượng không khí và âm thanh suốt quảng đường xe chạy. Thông tin này đóng vai trò rất quan trọng cho cư dân và chính quyền thành phố để có những kế hoạch cao hơn và tốt hơn cho những tuyến đường thông suốt đi vào trung tâm thành phố.
Ngoài những dịch vụ được nêu trên để tạo nên một đô thì IoT chúng ta cũng cần phải rất quan tâm đến nhưng dịch vụ như sau: Sự tiêu thụ năng lượng của thành phố, hệ thống đỗ xe thông minh, hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh và cuối cùng là tính phù hợp của những tòa nhà công cộng đối với thành phố thông minh.
Kiến trúc đô thị IoT
Những đặc tính chính cho cho một kiến trúc đô thị thông minh là khả năng tích hợp những công nghệ khác nhau với những cơ sở hạ tầng truyền thông hiện có để hỗ trợ tiến trình phát triển của IoT với sự kết nối đến các thiết bị khác và sự thực hiện những dịch vụ và các chức năng mới. Một khía cạnh quan trọng khác là sự cần thiết để dữ liệu được thu thập và tiếp cận một cách dễ dàng cho chính quyền và người dân nhằm tăng khả năng phản hồi của chính quyền cho những vấn đề của thành phố, thúc đẩy sự nhận thức và sự tham gia của cộng đồng vào những vấn đề công cộng [7].
Trong phần còn lại của phần này, bài viết sẽ mô tả những thành phần khác nhau của một hệ thống IoT đô thị, được mô tả trong Hình 1.
Hình 1. Khái niệm của một mạng IoT đô thị dựa trên phương pháp tiếp cận dịch vụ web
Phương pháp tiếp cận dịch vụ web cho việc thiết kế những dịch vụ của IoT, yêu cầu triển khai những lớp giao thức phù hợp trong những nhân tố khác nhau của mạng lưới được mô tả trong giao thức như Hình 1, bên cạnh những nhân tố chính của kiến trúc mạng.
Phương pháp tiếp cận web cho kiến trúc dịch vụ IoT
Mặc dù có rất nhiều tiêu chuẩn khác nhau cho IoT và đang đấu tranh để trở thành một tiêu chuẩn tham chiếu IoT đô thị. Trong phần này bài viết sẽ đặc biệt tập trung vào những tiêu chuẩn IETF (Internet Engineering Task Force), bởi vì chúng là nguồn mở và miễn phí dựa vào những thực hành và kinh nghiệm tốt nhất trên Internet và có một cộng đồng đông đảo hỗ trợ. Những tiêu chuẩn IETF cho IoT luôn đi theo một kiến trúc dịch vụ web cho các dịch vụ IoT, đã và đang được ghi nhận rộng rãi như là một phương pháp đầy triển vọng và linh hoạt. Ngoài ra dịch vụ web cho phép một hệ thống có thể tương tác và khả năng mở rộng đến các điểm IoT thông qua việc áp dụng mô hình dựa trên web được biết đến như ReST (Representational State Transfer). ReST là một mô hình rất giống với những dịch vụ web truyền thống được sử dụng cả người dùng và người phát triển dịch vụ.
Hình 2 mô tả một kiến trúc giao thức tham chiếu cho hệ thống IoT đô thị đòi hỏi cả giao thức ngăn xếp ràng buộc (constrained) cũng như không ràng buộc (unconstrained).
Hình 2. Giao thức ngăn xếp cho những điểm IoT không ràng buộc (trái) và ràng buộc (phải)
Những tiêu chuẩn thực tế trong thông tin Internet được sử dụng thường xuyên như XML, HTTP và IPV4. Những hoạt động chuyển mã giữa các giao thức ở trái và phải trong Hình 2 có thể được thực hiện trong tiêu chuẩn đòi hỏi sự phức tạp thấp có thể dễ dàng truy cập và khả năng tương tác các điểm IoT với Internet. Trong kiến trúc giao thức được chỉ ra ở Hình 2 gồm có 3 lớp chức năng khác nhau: i) dữ liệu, ii) Ứng dụng/vận chuyển, iii) mạng mà có thể đòi hỏi sự hoạt động của giao thức và định dạng chuyển mã ràng buộc và không ràng buộc khác nhau.
Mô hình thực tế: Thành phố thông minh Padova
Trong mô hình thực nghiệm thực tế được thảo luận trong bài viết này đã được triển khai và áp dụng trong nhiều hệ thống IoT khác nhau. Bài viết lấy một thực nghiệm thực tế là thành phố thông minh Padova để làm phương tiện tham khảo cho IoT đô thị [14]. Mục tiêu chính của thành phố thông minh Padova là điều khiển các dữ liệu mở và những giải pháp ICT cho chính quyền công cộng. Ứng dụng mục tiêu bao gồm thu thập dữ liệu môi trường kiểm soát đèn đường công cộng bởi những cảm biến không dây được trang bị bởi những cảm biến khác nhau đặt trên đèn đường và được kết nối với Internet qua một cổng gateway. Hệ thống này làm cho việc thu thập dữ liệu môi trường dễ dàng hơn như là mức CO trong không khí, độ ẩm, tiếng ồn và hơn thế nữa. Trong khí đó cung cấp một cơ chế đơn giản nhưng chính xác để kiểm tra sự hoạt động đúng của hệ thống chiếu sáng công cộng.
Hình 3. Kiến trúc hệ thống của thành phố thông minh Padova
Các thành phần chính của thành phố thông minh Padova được chỉ ra như ở Hình 3 gồm: Hệ thống đèn chiếu sáng, công nghệ lớp kết nối ràng buộc, cổng kết nối WSN, giao thức HTTP-CoAP, máy chủ dữ liệu, các thiết bị di động hoạt động.
Kết luận
Trong bài viết này đã đưa ra được khái niệm tổng thể và IoT đô thị, những tiêu chuẩn công nghệ và những kỹ thuật liên quan cho một thành phố thông minh. Ngoài ra bài viết cũng đã đưa ra mô hình tham khảo dựa trên một mô hình thực tế của thành phố thông minh Padova, Ý. Từ mô hình này chúng ta có thể áp dụng và cải tiến để áp dụng cho từng trường hợp cụ thể cho một chính quyền IoT đô thị tại Việt Nam.
Tài liệu tham khảo
[1] Wikipedia, “Internet of things," 2019. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_things.
[2] L. Atzori, A. Iera, and G. Morabito, “The internet of things: A survey,” Comput. Netw., vol. 54, no. 15, pp. 2787–2805, 2010.
[3] Wikipedia, “Actuator," 2019. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Actuator.
[4] P. Bellavista, G. Cardone, A. Corradi, and L. Foschini, “Convergence of MANET and WSN in IoT urban scenarios,” IEEE Sens. J., vol. 13, no. 10, pp. 3558–3567, Oct. 2013.
[5] I. Vilajosana, J. Llosa, B. Martinez, M. Domingo-Prieto, A. Angles, and X. Vilajosana, “Bootstrapping smart cities through a self-sustainable model based on big data flows,” IEEE Commun. Mag., vol. 51, no. 6, pp. 128–134,Jun. 2013.
[6] J. M. Hernández-Muñoz, J. B. Vercher, L. Muñoz, J. A. Galache,M. Presser, L. A. Hernández Gómez, and J. Pettersson, “Smart Cities at the forefront of the future Internet,” The Future Internet, Lect. Notes Comput. Sci., vol. 6656, pp. 447–462, 2011.
[7] C. E. A. Mulligan and M. Olsson, “Architectural implications of smart city business models: An evolutionary perspective,” IEEE Commun. Mag.,vol. 51, no. 6, pp. 80–85, Jun. 2013.
[8] N. Walravens and P. Ballon, “Platform business models for smart cities: From control and value to governance and public value,” IEEE Commun. Mag., vol. 51, no. 6, pp. 72–79, Jun. 2013.
[9] M. Dohler, I. Vilajosana, X. Vilajosana, and J. Llosa, “Smart Cities: An action plan,” in Proc. Barcelona Smart Cities Congress, Barcelona, Spain, Dec. 2011, pp. 1–6.
[10] A. R. Al-Ali, I. Zualkernan, and F. Aloul, “A mobile GPRS-sensors array for air pollution monitoring,” IEEE Sensors J., vol. 10, no. 10, pp. 1666–1671, Oct. 2010.
[11] N. Maisonneuve, M. Stevens, M. E. Niessen, P. Hanappe, and L. Steels, “Citizen noise pollution monitoring,” in Proc. 10th Annu. Int. Conf. Digital Gov. Res.: Soc. Netw.: Making Connec. Between Citizens, Data Gov., 2009, pp. 96–103.
[12] X. Li, W. Shu, M. Li, H.-Y. Huang, P.-E. Luo, and M.-Y.Wu, “Performance evaluation of vehicle-based mobile sensor networks for traffic monitoring,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 58, no. 4, pp. 1647–1653, May 2009.
[13] A. Zanella, N. Bui, A. Castellani, L. Vangelista, and M. Zorzi, “Internet of Things for Smart Cities” IEEE Internet of Things Journal, vol. 1, no 1, pp. 22 – 32, Feb. 2014.
[14] Wikipedia, “Internet Engineering Task Force," 2019. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Internet_Engineering_Task_Force.