Hệ thống nhúng là gì? Lịch sử và ứng dụng Embedded System

Hệ thống nhúng là gì? Thời gian gần đây, trong lĩnh vực công nghệ hay sản xuất, đây là thuật ngữ được quan tâm nhiều nhất song hành cùng IoT. Vậy hai thuật ngữ này là gì? Lịch sử phát triển ra sau và có ứng dụng gì trong cuộc sống? Cùng IPC247 tìm hiểu ngay qua bài viết dưới đây.

1. Hệ thống nhúng là gì?

Hệ thống nhúng có tên trong tiếng Anh là Embedded System. Đây là thuật ngữ để biểu thị một hệ thống được tích hợp tính năng tự trị được nhúng vào hệ thống mẹ hoặc môi trường lớn. Hệ thống nhúng được trang bị cả phần cứng lẫn phần mềm nhằm thực hiện những tác vụ nhất định. Đây là “cánh tay đắc lực” trong ngành công nghiệp tự động hoá, quan trắc và truyền tin. Embedded System được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đây là giải pháp cho vấn đề hệ thống giao thông thông minh, giải pháp cổng IoT, máy móc thông minh,… Điểm đặc biệt ở các hệ thống nhúng đó chính là khả năng làm việc tuyệt vời trong các môi trường khắc nghiệt bao gồm môi trường ẩm ướt, nhiệt độ cao, chịu áp lực rung lắc lớn. Theo đó, hệ thống nhúng có thể làm việc trong môi trường khắc nghiệt từ âm 35 độ đến 70 độ vẫn hoạt động tốt. Có thể nói, đây là một trong những thiết bị có khả năng hoạt động ổn định và bền bỉ. Nhà sản xuất có thể sử dụng hệ thống nhúng liên tục để vận hành máy móc hoặc giám sát để tránh tối đa tình trạng máy dừng đột ngột trong khi đang hoạt động. Bạn có thể dễ dàng bắt gặp hệ thống nhúng trong cuộc sống thường nhật của chúng ta. Đó có thể là những chiếc máy phát nhạc MP3 hoặc hệ thống đèn giao thông trên đường chúng ta đi.

Hệ thống nhúng có đặc điểm hoạt động ổn định và tự động hóa cao. Thường được thiết kế với một chức năng cụ thể hoặc một số chức năng được yêu cầu bởi các thiết bị và không thể hoạt động linh hoạt. Chúng có thể được tối ưu hóa về kích thước và chi phí sản xuất.

2. Lịch sử hình thành Hệ thống nhúng

Lịch sử phát triển hệ thống nhúng bắt đầu từ những năm 1960 với sự phát triển của Charles Stark Draper, người đã phát triển mạch tích hợp vào năm 1961 để giảm kích thước và trọng lượng của hệ thống máy tính điều khiển tàu Apollo (AGC – Apollo Guidance Computer). Đây là hệ thống kỹ thuật số được cài đặt trên module lệnh Apollo và module Mặt trăng, và là máy tính đầu tiên sử dụng vi mạch, giúp phi hành gia thu thập dữ liệu chuyến bay theo thời gian thực.

Năm 1965, Autonetics, hiện là bộ phận của Boeing, đã phát triển D-17B, một hệ thống nhúng được sử dụng trong hệ thống dẫn đường tên lửa Minuteman I. D-17B được công nhận rộng rãi là hệ thống nhúng đầu tiên được sản xuất hàng loạt. Khi Minuteman II được sản xuất năm 1966, D-17B đã được thay thế bằng hệ thống dẫn đường tên lửa NS-17, được biết đến với việc sử dụng khối lượng lớn các vi mạch tích hợp. Năm 1968, hệ thống nhúng đầu tiên cho một chiếc xe được phát hành, Volkswagen 1600 đã sử dụng một bộ vi xử lý để điều khiển hệ thống phun xăng điện tử. Vào cuối những năm 1960 và đầu những năm 1970, giá của các mạch tích hợp giảm xuống và việc sử dụng tăng lên. Bộ vi điều khiển đầu tiên được Texas Instruments phát triển vào năm 1971. Dòng TMS1000, được bán trên thị trường vào năm 1974, chứa bộ xử lý 4 bit, bộ nhớ chỉ đọc (ROM) và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM), và nó có giá khoảng 2 đô la từng đơn đặt hàng số lượng lớn. Năm 1971, Intel đã phát hành bộ xử lý thương mại đầu tiên, 4004, được thiết kế để sử dụng trong máy tính và thiết bị điện tử nhỏ. Tiếp đó là Intel 8008 vào năm 1972, và Intel 8080 vào năm 1974, với bộ nhớ tăng dần lên đến 64 KB. Sê-ri x86, kế nhiệm của 8080, được phát hành vào năm 1978 và vẫn được sử dụng phổ biến cho đến

3. Đặc điểm hệ thống nhúng

Hệ thống nhúng được thiết kế để thực hiện các tác vụ chuyên dụng, không phải để đóng vai trò của các hệ thống đa chức năng. Các hệ thống này có thể yêu cầu tính hoạt động thời gian thực để đảm bảo tính an toàn và ứng dụng, hoặc không yêu cầu ràng buộc chặt chẽ, cho phép đơn giản hóa phần cứng để giảm chi phí sản xuất.

Thường thì hệ thống nhúng không phải là một khối riêng biệt, mà là một hệ thống phức tạp nằm trong thiết bị mà nó điều khiển. Phần mềm được viết cho các hệ thống nhúng được gọi là firmware và được lưu trữ trong các chip bộ nhớ ROM hoặc bộ nhớ flash chứ không phải là trong một ổ đĩa. Các hệ thống nhúng có tài nguyên giới hạn hơn về phần cứng và chức năng phần mềm so với máy tính cá nhân. Hệ thống nhúng tương tác với thế giới bên ngoài qua nhiều cách, bao gồm cảm nhận môi trường, tác động trở lại môi trường, và tốc độ tương tác phải đáp ứng thời gian thực. Một số hệ thống nhúng có giao diện giao tiếp với người dùng, nhưng không phải tất cả. Yêu cầu về chất lượng của các hệ thống nhúng là rất cao, đặc biệt là về tính ổn định và độ tin cậy. Lỗi trên các hệ thống nhúng có thể dẫn đến tai nạn nghiêm trọng và không thể sửa chữa được. Do đó, việc phát triển các hệ thống nhúng yêu cầu quy trình kiểm tra và kiểm thử nghiêm ngặt.

4. Cấu tạo Hệ thống nhúng

4.1. Giao diện

Các hệ thống có thể sử dụng giao diện cũng có thể không sử dụng giao diện. Các hệ thống không sử dụng giao diện được gọi là hệ thống đơn nhiệm, còn hệ thống có đầy đủ giao diện được dùng để giao tiếp như một hệ điều hành ở các thiết bị để bàn. Các hệ thống đơn giản sẽ sử dụng nút bấm và đèn led, chữ hiển thị ở kích cỡ nhỏ và chỉ hiển thị số, đi kèm với menu hệ thống đơn giản.

Các hệ thống phức tạp sẽ có một màn hình đồ họa, cảm ứng và các nút bấm ở lề màn hình.

4.2. Kiến trúc CPU

Bộ xử lý CPU của hệ thống nhúng được chia thành hai loại là vi xử lý và vi điều khiển. Trong các vi điều khiển thường có các thiết bị ngoại vi, tích hợp trên chip để giảm kích thước của hệ thống. Một số kiến trúc CPU sử dụng hệ thống nhúng như: ARM, MIPS, PowewPC, x86, PIC, 8051,…

4.3. Thiết bị ngoại vi

Một số thiết bị ngoại vi được sử dụng giao tiếp với hệ thống nhúng: SCI ( RS-232; RS-422; RS – 485,…), USB, Synchronous serial communication interface ( I2C, SPI, SSC,…), Bộ định lượng ( PLL, Compare, Time Processing Units,…),…

5. Ứng dụng của hệ thống nhúng

5.1 Nhà thông minh

Các thiết bị IoT có thể được tích hợp vào các hệ thống chiếu sáng, sưởi ấm, điều hòa không khí, phương tiện và hệ thống an ninh, cũng như các hệ thống camera. Những lợi ích lâu dài của việc sử dụng các thiết bị IoT bao gồm tiết kiệm năng lượng bằng cách tự động tắt đèn và các thiết bị điện tử.

5.2 Nhà máy thông minh

IoT có vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu về hoạt động của các máy móc trong quá trình sản xuất và cung cấp cái nhìn sâu sắc về quá trình sản xuất. Theo thống kê từ Forbes gần đây, số lượng thiết bị được kết nối tăng lên 30,7 tỷ vào năm 2020 và các khoản đầu tư vào IoT sẽ đạt con số khổng lồ 1,29 nghìn tỷ đô la. Internet of Medical Things (IoMT) là một ứng dụng của IoT trong lĩnh vực y tế và sức khỏe, còn được gọi là “Chăm sóc sức khỏe thông minh”. IoMT tạo ra một hệ thống chăm sóc sức khỏe số hóa thông qua sử dụng các thiết bị IoT để kích hoạt hệ thống theo dõi sức khỏe từ xa và thông báo khẩn cấp.

Các thiết bị theo dõi sức khỏe này bao gồm máy đo huyết áp, nhịp tim, máy tạo nhịp tim, thiết bị đeo tay điện tử Fitbit, máy trợ thính tiên tiến và các thiết bị cấy ghép chuyên dụng khác. Ứng dụng IoMT mang lại nhiều lợi ích cho bệnh nhân, cho phép chăm sóc sức khỏe từ xa và giúp giảm chi phí chăm sóc sức khỏe.

5.3 Thu thập dữ liệu thời gian thực

Việc sử dụng các thiết bị IoT cho phép các máy móc và cảm biến có khả năng giao tiếp với nhau thông qua M2M (Machine to Machine), giúp thu thập dữ liệu từ các nguồn khác nhau. Điều này mang lại lợi ích lớn cho doanh nghiệp vì họ có thể cập nhật dữ liệu theo thời gian thực và có cái nhìn tổng quan hơn về toàn bộ hoạt động trong nhà máy.

5.4 Bảo trì dự đoán

IoT có khả năng kết nối và thu thập dữ liệu liên quan đến nhiệt độ, độ rung, điện áp, dòng điện và các thông số khác. Các dữ liệu này cung cấp thông tin quan trọng cho việc dự đoán tình trạng của máy móc, xác định các dấu hiệu cảnh báo và kích hoạt các quy trình sửa chữa tương ứng. Bằng cách này, IoT giúp biến bảo trì thành một hoạt động tự động với tốc độ cập nhật nhanh, có khả năng dự báo trước khi lỗi xảy ra trong thời gian dài hơn so với các biện pháp phòng ngừa truyền thống, giúp tiết kiệm chi phí.

5.5 Giám sát tài sản

Khi được kết nối với IoT, các cảm biến môi trường cho phép doanh nghiệp giám sát các điều kiện như rung động, nhiệt độ, độ ẩm… Từ đó, IIoT có thể dự báo và cảnh báo ngay lập tức về các tác động tiêu cực đến hoạt động hoặc gây hao mòn quá mức cho thiết bị. Bằng cách này, bộ phận quản lý sản xuất có thể có phương án xử lý tức thời, giảm thiểu thiệt hại cho hoạt động sản xuất.

5.6 Giám sát quá trình và hành vi

Dữ liệu được thu thập từ các thiết bị và phần mềm hỗ trợ IoT cho phép người quản lý nắm bắt chặt chẽ hơn về hiệu suất của nhân viên.

6. Phân biệt hệ thống nhúng và IoT

Hiểu đơn giản, IoT là một mạng lưới các đối tượng kết nối với nhau thông qua internet để thực hiện trao đổi thông tin. Hệ thống nhúng, là một phần của IoT, bao gồm các thiết bị nhúng như bộ điều khiển, thiết bị điện tử, phần mềm và cảm biến, được kết nối thành một mạng để thực hiện các tác vụ. Các công nghệ thông tin, mạng và nhúng đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và phát triển IoT.

Tuy nhiên, IoT không phải là một thuật ngữ kỹ thuật mà là một công cụ thực hiện nhiệm vụ tiếp thị, trong khi trong các thuật ngữ kỹ thuật internet, IoT thường đảm nhận vai trò là hệ thống điều khiển để xử lý các thiết bị nhúng được kết nối thông qua website.

7. Mối quan hệ giữa phần mềm nhúng và hệ thống nhúng

Phần mềm nhúng hay còn được biết tới với tên gọi tiếng Anh – Embedded Software là một hệ lập trình chuyên biệt trong các thiết bị. Đó cũng có thể là một phần của ứng dụng trên chip hoặc một phần vi mạch có vai trò vô cùng quan trọng với cơ quan chính. Phần mềm nhúng chịu trách nhiệm trong việc điều khiển các chức năng cụ thể nhất định. Khác với các software khác, phần mềm nhúng không thể lắp đặt được trên các loại máy tính cá nhân hay PC cây khác. Chúng chỉ có thể lắp đặt được trên các phần cứng cố định và chỉ xử lý một số tác vụ cụ thể. Giữa hệ thống nhúng và phần mềm nhúng có mối quan hệ gắn kết vô cùng chặt chẽ với nhau. Các loại phần cứng trong thiết bị đang sử dụng phần mềm nhúng chính là hệ thống nhúng. Các thành phần của hệ thống nhúng được sử dụng trong thiết bị có thể kể đến là cổng giao tiếp nối tiếp, bộ định thời, thiết bị bộ nhớ flash,… Ban đầu, khi thiết kế thiết bị, phần cứng sẽ được gia công để tạo nên hệ thống nhúng hoàn thiện. Lúc này, cấu hình của nó trong thiết bị sẽ được quyết định. Sau đó, phần mềm nhúng đã được thiết kế sẵn từ ban đầu sẽ được thiết lập và chạy trên phần cứng của cấu hình hoàn thiện này.