KIẾN TRÚC THAM CHIẾU IoT IBM
I. Tổng quan
 Kiến trúc tham chiếu Internet of Things (IoT) xác định cách tiếp cận của
IBM đối với các giải pháp IoT. Các giải pháp như vậy sử dụng thông tin
từ các thiết bị, con người và ứng dụng với các dịch vụ và hệ thống đám
mây hoặc tại chỗ để tạo ra thông tin chi tiết và giá trị.
 Trung tâm của kiến trúc tham chiếu là nền tảng IBM Watson IoT™. Nền
tảng đó được mở rộng bởi IBM, bên thứ ba và các công nghệ nguồn mở
để cung cấp khả năng của nền tảng Internet of Things công nghiệp (IIoT),
theo định nghĩa của Kiến trúc tham chiếu IIoT của Hiệp hội Internet Cơng
nghiệp. Mục đích là để xác định một kiến trúc logic vẫn nhất quán ngay
cả khi khả năng vật lý thay đổi.
 Kiến trúc tham chiếu này là điểm khởi đầu cho các dự án của khách hàng
và cho các giải pháp dựa trên Nền tảng Watson IoT. Ví dụ bao gồm IoT để
xây dựng Hệ thống thông tin chi tiết và Cơng nghiệp 4.0.

Hình 1: Mơ hình kiến trúc tham chiếu IoT IBM
1


II. Các thành phần
Tên
Operator
(Nhà điều hành)

Device UI
(Giao diện gười
dùng thiết bị)
End-user
application
(Ứng dụng

người dùng
cuối)
End user
(Người dùng
cuối)
Enterprise user
(Người dùng
doanh nghiệp)
Enterprise
applications
(Ứng dụng
doanh nghiệp)
Sensor/Actuator
(Cảm biến/Bộ
truyền động)
Device
(Thiết bị)

Mơ tả
Một nhân viên vận hành thường hồn thành các nhiệm vụ
như vận hành thiết bị, thiết lập và các nhiệm vụ hỗ trợ hoạt
động. Nhà điều hành tương tác với các giao diện người
dùng cụ thể của thiết bị hoặc hoạt động trên các hệ thống
tích hợp với giải pháp IoT bằng cách sử dụng IoT và dữ
liệu hoạt động được thu thập.
Giao diện người dùng cho thiết bị hoặc cổng kết nối. Thông
thường, giao diện người dùng thiết bị được cung cấp bởi
thiết bị hoặc nhà cung cấp cổng để cấu hình thiết bị.
Một ứng dụng di động, máy tính để bàn hoặc máy chủ, có
khả năng đã tồn tại. Nó có thể hoặc khơng thể sử dụng dữ

liệu IoT từ các thiết bị và có thể hoặc không thể sử dụng
các dịch vụ trong nền tảng IIoT.
Người dùng giải pháp IoT có khả năng cũng sử dụng các
ứng dụng như hệ thống quản lý tòa nhà (BMS) hoặc hệ
thống thực thi sản xuất (MES).
Người dùng truy cập tài nguyên doanh nghiệp tại cơ sở
hoặc bằng cách sử dụng mạng riêng ảo (VPN) an toàn.
Người này cũng có thể sử dụng giải pháp IoT.
Các ứng dụng hồn thành các mục tiêu và mục đích kinh
doanh và có thể tương tác với các dịch vụ đám mây. Ví dụ
bao gồm lập kế hoạch tài nguyên doanh nghiệp (enterprise
resource planning - ERP), quản lý tài sản doanh nghiệp
(enterprise asset management - EAM), và các hệ thống chất
lượng.
Một cảm biến cung cấp một phép đo có ý nghĩa đối với
thực thể vật lý, chẳng hạn như vị trí, nhiệt độ hoặc độ ẩm.
Nó có thể hoặc khơng thể được gắn kết về mặt vật lý với
thực thể vật lý. Bộ truyền động, chẳng hạn như van, cũng
được đại diện bởi thực thể này.
Thiết bị là đại diện không gian mạng của một thực thể hoặc
cảm biến vật lý cung cấp thơng tin IoT, có thể truy cập
bằng cách sử dụng các giao thức thiết bị hoặc công nghiệp.
Phần mềm điều khiển cho thiết bị (firmware) và bất kỳ
logic ứng dụng nhúng nào cũng được thể hiện trong thành
phần này. Tương tự như vậy, tích hợp mạng cho thiết bị là
một phần của phần không gian mạng của thiết bị. Thơng
thường, thiết bị được tích hợp bằng cách sử dụng các giao
thức Công nghệ vận hành (OT) như MODBUS / TCP. Ít
phổ biến hơn, thiết bị cũng có thể được tích hợp bằng cách
sử dụng các giao thức CNTT như HTTP hoặc MQTT.

2


IoT gateway
(Cổng ioT)

Edge services
(Dịch vụ cạnh)

API
management
(Quản lý API)
Peer platform
app
(Ứng dụng nền
tảng ngang
hàng)
IoT solution
(Giải pháp IoT)

Cổng IoT, thường chạy trong khuôn viên, trong nhà máy
hoặc nhà kho. Nó kết nối các hệ thống SCADA, cổng cảm
biến và thiết bị với nền tảng IoT. Để làm như vậy, nó nhận
dữ liệu thiết bị từ các giao thức thiết bị và công nghiệp,
định dạng dữ liệu khi cần thiết và sử dụng giao thức CNTT
để giao tiếp với nền tảng. Nó cũng có thể lọc và tổng hợp
dữ liệu.
Các dịch vụ cạnh bao gồm hỗ trợ thơng tin liên lạc an tồn
từ các thực thể bên ngoài, chẳng hạn như thiết bị hoặc ứng
dụng, đến nền tảng IIoT. Các dịch vụ cạnh bao gồm khả

năng DNS, tường lửa và cân bằng tải. Tùy chọn, chúng
cũng bao gồm hỗ trợ quản lý các tài nguyên cạnh chạy trên
cổng IoT hoặc, có thể, các thiết bị.
Quản lý các sản phẩm và kế hoạch API, quản trị vịng đời,
bảo mật, giới hạn tỷ lệ và chính sách. Xuất bản lên cổng
thông tin nhà phát triển.
Một ứng dụng chạy trên một nền tảng ngang hàng và cần
được tích hợp với nền tảng hoặc giải pháp IIoT.

Application
runtime
(Thời gian chạy
ứng dụng)

Giải pháp IoT bao gồm giao diện người dùng, quy tắc,
metamodel và logic ứng dụng được tạo ra như một phần
của ứng dụng IoT. Giải pháp IoT được phát triển để sử
dụng các khả năng của Nền tảng IIoT và có thể hoặc khơng
thể chạy trên các thành phần của nền tảng.
Thời gian chạy hỗ trợ logic ứng dụng, một phần của giải
pháp IoT được xây dựng trên nền tảng IoT. Logic tương tác
với thông tin trong hồ dữ liệu, dịch vụ bên ngồi và quy
trình làm việc khi cần thiết.

Process
management
(Quản lý quy
trình)

Các quy trình kinh doanh được tạo ra để xử lý các cảnh báo

và sự kiện và hỗ trợ các giải pháp tổng hợp. Chúng thường
là các quy trình ngắn hạn nhưng có thể là quy trình làm
việc liên tục.

3


Visualization
support
(Hỗ trợ trực
quan hóa)

Thời gian chạy cho giao diện người dùng IoT Solution, cho
phép người dùng khám phá và tương tác với dữ liệu từ các
kho dữ liệu và các ứng dụng thơng tin chi tiết có thể hành
động hoặc các ứng dụng doanh nghiệp.

User
management
(Quản lý người
dùng)

Các dịch vụ quản lý người dùng trong giải pháp nền tảng
hoặc nền tảng, bao gồm danh sách người dùng đã đăng ký
và xác thực người dùng.

IoT connectivity
and brokering
(Kết nối và môi
giới IoT)


Thành phần này chịu trách nhiệm hỗ trợ các tùy chọn kết
nối an tồn có sẵn trong nền tảng (ngày nay, https và
MQTT với TLS), cũng như môi giới các sự kiện IoT để
giao hàng cho người tiêu dùng. Kích hoạt có điều kiện các
hành động (trong đó một hành động có thể là quá trình)
cũng được bắt đầu bởi thành phần này.

Device
management
(Quản lý thiết
bị)

Thành phần này cung cấp một cách hiệu quả để quản lý và
kết nối các thiết bị một cách an toàn và đáng tin cậy với
nền tảng IIoT. Quản lý thiết bị bao gồm các hành động như
khởi động lại thiết bị và cập nhật firmware.

IoT information
model
(Mơ hình thơng
tin IoT)

Mơ hình thơng tin IoT là thành phần logic chịu trách nhiệm
cho các mơ hình thơng tin khác nhau được sử dụng trong
nền tảng, bao gồm đăng ký thiết bị, đăng ký người dùng và
hệ thống phân cấp kỹ thuật số đơi.

AI and analytics
(AI và phân

tích)

Thành phần này hỗ trợ phân tích trên chuyến bay của các
sự kiện IoT và dữ liệu khi nghỉ ngơi. Nó bao gồm phân tích
phát trực tuyến, phân tích định kỳ hoặc "hàng loạt" và phân
tích đặc biệt dữ liệu khi nghỉ ngơi. Các mơ hình thường
được phát triển tập trung và triển khai đến nền tảng, nếu ở
tại chỗ hoặc cấp cổng.

IoT blockchain
integration
(Tích hợp

Thông tin truyền từ các thiết bị IoT sang blockchain được
thu thập an toàn từ nền tảng IoT và được chuyển đổi bằng
cách sử dụng khả năng chuyển đổi vật lý hoặc logic của
4


blockchain IoT)

nền tảng. Thơng tin sau đó được chuyển đến mạng
blockchain một cách an toàn bằng cách sử dụng các chức
năng đám mây khơng có máy chủ.
Data
Các dịch vụ quản lý dữ liệu bao gồm bộ dịch vụ nằm trong
management
nền tảng cho các hoạt động trên dữ liệu được thu thập trong
services
nền tảng IoT. Các hoạt động đó bao gồm chuyển đổi dữ

(Dịch vụ quản lý liệu, lọc và làm sạch, ETL (trích xuất, chuyển đổi, tải) và
dữ liệu)
các quy tắc và thông báo.
IoT data lake
Thành phần hồ dữ liệu đại diện cho dữ liệu IoT tồn tại
(Hồ dữ liệu IoT) trong các giai đoạn khác nhau của vòng đời của nó: dữ liệu
cảm biến thơ, dữ liệu cảm biến được làm sạch và dữ liệu
theo ngữ cảnh.
Enterprise
Chức năng bus dịch vụ cổ điển cho sự tích hợp tách rời của
transformation
các hệ thống và máy móc, tiếp quản logic tích hợp, hệ
and connectivity thống và máy móc. Thành phần này cung cấp cứu trợ từ
(Chuyển đổi và logic tích hợp cụ thể và cho phép tiêu chuẩn hóa quản lý
kết nối doanh
bảo trì và phát hành.
nghiệp)

Enterprise data
(Dữ liệu doanh
nghiệp)

Hệ thống ghi và siêu dữ liệu về dữ liệu cho các ứng dụng
doanh nghiệp.

Enterprise user
directory
(Thư mục người
dùng doanh
nghiệp)


Thành phần này cung cấp lưu trữ và truy cập vào thông tin
người dùng để hỗ trợ xác thực và hơn thế nữa.

5


SCADA Supervisory
Control And
Data Acquisition
(Điều khiển
giám sát và thu
thập dữ liệu)

Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) là một
kiến trúc hệ thống điều khiển sử dụng máy tính, truyền
thông dữ liệu mạng và giao diện người dùng đồ họa để
quản lý giám sát quy trình cấp cao. Nó sử dụng các thiết bị
ngoại vi khác, chẳng hạn như bộ điều khiển logic có thể lập
trình (PLC) và bộ điều khiển PID rời rạc để giao tiếp với
nhà máy quy trình hoặc máy móc. Trong kiến trúc này,
SCADA đại diện cho những thứ khác nhau trong các lĩnh
vực khác nhau. Ví dụ, trong lĩnh vực quản lý tịa nhà,
SCADA đại diện cho một hệ thống quản lý tòa nhà hoặc
một hệ thống kiểm soát cấp thấp kiểm soát các quy trình
trong tịa nhà, chẳng hạn như chất làm lạnh. Ít phổ biến
hơn, hệ thống SCADA cũng có thể được tích hợp bằng
cách sử dụng các giao thức CNTT như HTTP hoặc MQTT.

External data

services
(Dịch vụ dữ liệu
ngoài)

Thành phần này đại diện cho các nguồn dữ liệu bên ngồi
có thể cần thiết để hỗ trợ phân tích, chẳng hạn như dịch vụ
thời tiết. Trong một số trường hợp, chẳng hạn như khi các
dịch vụ như thế này có sẵn trên nền tảng IBM, có thể khơng
cần thiết phải truy cập chúng.

Security
(Bảo mật)

Bảo mật là phổ biến thông qua tất cả các lớp của kiến trúc.
Các hệ thống như MES, SCADA và các thiết bị có mơ hình
bảo mật riêng. Thành phần này quản lý cả hai yếu tố bảo
mật CNTT và Cơng nghệ vận hành (OT).

Configuration
management
and composition
(Quản lý cấu
hình và bố cục)

OT/IT hub, một cơng cụ hỗ trợ cấu hình và lập bản đồ
luồng dữ liệu thiết bị, đánh giá, chuyển đổi và các hành
động kết quả. Nền tảng cấu hình nền tảng IoT, bao gồm
thiết bị, cổng kết nối, mô hình thơng tin, bảng điều khiển và
mơ hình phân tích. Mục tiêu là có một cơng cụ thời gian
xây dựng chung cho tất cả các sản phẩm và giải pháp của

IBM với cùng một giao diện và trải nghiệm người dùng.

6


IoT governance
(Quản trị IoT)

Thành phần này cung cấp và thực thi tuổi thọ thích hợp của
các thiết bị. Nó có kế hoạch chuyển đổi trơn tru, không gây
rối và an toàn khi các hệ thống và khả năng mới được giới
thiệu.

Blockchain
network
(Mạng
Blockchain)

Blockchain là một sổ cái bất biến được chia sẻ để ghi lại
lịch sử giao dịch. Một blockchain kinh doanh, chẳng hạn
như IBM Blockchain và Dự án Hyperledger của Linux®
Foundation, cung cấp một mạng được phép với các danh
tính đã biết. Không giống như Bitcoin, không cần trao đổi
tiền điện tử.

IIoT platform
(Nền tảng IioT)

Nền tảng Internet of Things công nghiệp (IIoT) là một tập
hợp của sản phẩm IBM Maximo Asset Monitor bao gồm

các dịch vụ đám mây IBM bổ sung có thể cần thiết để hỗ
trợ nhu cầu của Các giải pháp IoT chạy trên nền tảng.

Peer platform
Nền tảng ngang hàng đại diện cho môi trường đám mây của
(Nền tảng ngang bên thứ ba chạy giải pháp hoặc ứng dụng (ví dụ: giải pháp
hàng)
quản lý ánh sáng) cần tích hợp với nền tảng IoT hoặc với
giải pháp IoT chạy trên nền tảng (ví dụ: Xây dựng Hệ
thống Thơng tin chi tiết).

7


III. Các bước thực hiện

(1).

Dữ liệu cảm biến truyền từ cảm biến trong hoặc xung quanh tòa nhà đến
hệ thống thu thập dữ liệu và kiểm soát giám sát (SCADA) điều khiển
thiết bị xử lý. Cảm biến được kết nối với hệ thống SCADA bằng cách sử
dụng giao thức thiết bị khơng dây hoặc có dây, chẳng hạn như RS-485.

(2).

Hệ thống SCADA hiển thị dữ liệu ra thế giới bên ngồi bằng cách sử
dụng giao thức Cơng nghệ vận hành (OT – Operational Technology),
chẳng hạn như Modbus TCP. Nếu cần, dữ liệu cảm biến có thể được
chuyển đổi sang định dạng khác trước khi truyền. Dữ liệu năng lượng
được chuyển đến cổng IoT bằng cách đọc dữ liệu được ánh xạ và giao

thức OT.

(3).

Nếu cần, cổng kết nối IoT lọc dữ liệu cảm biến, chẳng hạn như khoảng
thời gian, tổng hợp và tính trung bình và chuyển đổi nó sang định dạng
8


mà giải pháp IoT cần. Cổng kết nối IoT tạo kết nối an toàn với nền tảng
IoT bằng cách sử dụng TLS và truyền dữ liệu năng lượng đến nền tảng
bằng cách sử dụng MQ Telemetry Transport (MQTT).
(4).

Dữ liệu cảm biến đầu vào thô được dịch vụ quản lý dữ liệu thu thập để
xử lý.

(5).

Dữ liệu thô được lưu trữ trong hồ dữ liệu ở định dạng mà nó được nhận.

(6).

Dựa trên cấu hình, dữ liệu được tổ chức lại định kỳ trong hồ dữ liệu để
hỗ trợ phân tích.

(7).

Mơ hình thơng tin được sử dụng để cung cấp ngữ cảnh cho vị trí của các
thiết bị trong doanh nghiệp. Bối cảnh đó được sử dụng để thiết lập các

bảng trong IBM Db2® để tổ chức dữ liệu.

(8).

Việc thực thi mơ hình phân tích được kích hoạt định kỳ để đánh giá dữ
liệu thiết bị được cập nhật. Kết quả được lưu trữ trong hồ dữ liệu. Mơ
hình thực thi cũng có thể được tự động kích hoạt dựa trên các sự kiện
nhận được trong Giao thức Giao dịch Mở Internet (IOTP).

(9).

Việc thực thi mơ hình phân tích được kích hoạt định kỳ để đánh giá dữ
liệu thiết bị được cập nhật. Kết quả được lưu trữ trong hồ dữ liệu.

(10). Mơ hình phân tích sử dụng mơ hình thơng tin để cung cấp ngữ cảnh cho
các dự đoán về tài sản; ví dụ, thời gian dự kiến đến thất bại.
(11). Kết quả dự đoán nội dung được lưu trữ trong hồ dữ liệu.
(12). Người dùng giải pháp IoT truy cập vào giao diện người dùng để xem dữ
liệu tài sản và các kết quả phân tích liên quan.
(13). Người dùng giải pháp IoT truy cập vào giao diện người dùng để xem dữ
liệu tài sản và các kết quả phân tích liên quan.
(14). Mơ hình thơng tin được sử dụng để cung cấp ngữ cảnh về vị trí của các
tài sản và thiết bị trong doanh nghiệp và dữ liệu tương ứng.
9


(15). Bối cảnh mơ hình thơng tin được sử dụng để truy cập thông tin trong hồ
dữ liệu sẽ được hiển thị cho các thiết bị trong ngữ cảnh.
(16). Người dùng giải pháp IoT nhận thấy rằng một tài sản đã hoặc sẽ vượt
quá khả năng chịu đựng và cử một kỹ thuật viên bảo trì để điều tra vấn

đề. Kỹ thuật viên bảo trì phát hiện ra rằng một phần của thiết bị đang bị
lỗi và giải quyết vấn đề.
(17). Dựa trên cấu hình, dữ liệu được chuyển định kỳ từ Db2 sang kho lưu trữ
đối tượng như một phần của quá trình lưu trữ dữ liệu dài hạn.
IV. Yêu cầu phi chức năng
Kiến trúc IoT phải đáp ứng một số yêu cầu phi chức năng:
Hiệu năng
 Chức năng giảm tải đến cạnh. Hệ thống phải có cấu hình tập trung với
việc giảm tải đến cạnh để phân tích phát trực tuyến và ra quyết định dựa
trên quy tắc.
 Đám mây lai. Phải có khả năng triển khai lớp nền tảng tại cơ sở, trên đám
mây hoặc một phần trên cơ sở và một phần trong đám mây.
 Thiết kế mô-đun. Định hướng microservices cho phép thiết kế mô-đun
của các giải pháp IoT.
 Dữ liệu phi cấu trúc và có cấu trúc. Hệ thống phải xử lý dữ liệu có cấu
trúc - cả tin nhắn thời gian thực và truyền số lượng lớn - và dữ liệu phi
cấu trúc, bao gồm các tệp âm thanh, tệp hình ảnh, bản ghi và tài liệu văn
bản.
 Thời gian phản hồi của người dùng. Hệ thống phải cung cấp thời gian
phản hồi chấp nhận được cho người dùng bất kể khối lượng dữ liệu được
lưu trữ và phân tích xảy ra trong nền.
 Thông tin liên lạc thời gian thực (yêu cầu/phản hồi). Thông tin liên lạc hai
chiều, gần thời gian thực phải được hỗ trợ. Yêu cầu này có liên quan đến
yêu cầu hỗ trợ các giao thức công nghiệp và thiết bị ở rìa. Câu trả lời có
thể cần phải xảy ra trong 1 giây hoặc ít hơn tùy thuộc vào trường hợp sử
10


dụng. Yêu cầu này cũng thúc đẩy nhu cầu phân tích cấp cạnh và ra quyết
định cho lớp trường hợp sử dụng đó.

 Chuỗi thời gian nắm bắt chi tiết. Một dấu thời gian đến ít nhất mili giây là
cần thiết để ngay cả khi dữ liệu quá muộn để kiểm sốt thời gian thực, các
phân tích bắt kịp có thể xem chuỗi sự kiện.
Khả năng mở rộng
 Khả năng mở rộng theo chiều ngang. Hệ thống phải xử lý các nhu cầu mở
rộng tải và lưu giữ dữ liệu dựa trên việc nâng cấp phạm vi giải pháp,
chẳng hạn như các cơ sở sản xuất bổ sung và các tòa nhà bổ sung.
Bảo mật
 Bảo mật dữ liệu. Tất cả dữ liệu tồn tại đều yêu cầu quyền truy cập an toàn.
 Bảo mật thiết bị. Các thiết bị phải đăng ký và giao tiếp an toàn, chẳng hạn
như bằng cách sử dụng bảo mật lớp vận chuyển (TLS). Các thiết bị trái
phép bị cấm.
 Bảo mật người dùng. Người dùng đăng nhập vào bất kỳ thiết bị nào phải
được bảo mật và xác nhận cho từng vai trò. Bảo mật này phải được đính
kèm với LDAP hoặc đăng ký người dùng mà khách hàng sử dụng.
 Bảo mật ứng dụng. Người dùng được ủy quyền của hệ thống trao đổi
thơng tin phải có khả năng làm như vậy với các biện pháp kiểm sốt bảo
mật thích hợp.
Tính khả dụng
 Hỗ trợ di động. Người dùng phải có khả năng tương tác trong cùng một
vai trò và trên cùng một tác vụ trên máy tính và thiết bị di động nơi thực
tế, có khả năng di động.
Khả năng quản lý
 Quản lý sự cố. Hệ thống phải bao gồm hỗ trợ cảnh báo, thông báo và quản
lý sự cố.
 Quản lý giải pháp. Hệ thống phải hỗ trợ quản lý giải pháp tập trung để
nhân viên hỗ trợ của hệ thống có thể nhanh chóng xác định nguyên nhân
gốc rễ của sự cố và khắc phục nó để tránh thời gian chết.
Tính sẵn sàng
11



 Tính sẵn sàng cao (HA). Một số giải pháp và tên miền IoT địi hỏi các hệ
thống có sẵn cao cho các hoạt động 24x7. Điều đó nói rằng, loại hệ thống
này không phải là một ứng dụng sản xuất quan trọng, có nghĩa là các hoạt
động hoặc sản xuất không đi xuống nếu giải pháp IoT bị hỏng.
Khả năng bảo trì
 Thích nghi và linh hoạt. Có thể, và tương đối dễ dàng, để nhanh chóng
điều chỉnh hệ thống với sự thay đổi trong quy trình, người tham gia hoặc
thơng tin được trao đổi.
 Khả năng duy trì và thời gian hoạt động. Phải có khả năng thực hiện bảo
trì trên hệ thống mà khơng vi phạm thỏa thuận cấp dịch vụ (SLAs) trong
thời gian hoạt động. Trong mơi trường 24x7, bạn khơng thể gỡ bỏ hồn
tồn hệ thống để thực hiện bảo trì.
Dung lượng
 Dữ liệu lớn. Hệ thống phải lưu trữ và phân tích khối lượng dữ liệu, cả lịch
sử và hiện tại, trên các quy mô thường được gọi là dữ liệu lớn.
 Tốc độ, dung lượng và khả năng tiếp cận nền tảng. Nền tảng này phải hỗ
trợ khối lượng lớn truyền dữ liệu gần thời gian thực 24/7. Yêu cầu này
bao gồm hỗ trợ cho các vị trí từ xa và nguồn dữ liệu di động.

12