S3WAN: Hệ thống đèn đường thông minh tiết kiệm năng lượng

“Tắt một ngọn đèn, bật cả tương lai” là một thông điệp đã phổ biến từ lâu nhằm khuyến khích người dân tắt những bóng điện không sử dụng trong nhà để tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, đối với hệ thống chiếu sáng công cộng ở ngoài đường, việc giảm sử dụng điện năng lại không đơn giản được như vậy, bởi mỗi tuyến đường sẽ có một tủ cấp nguồn cho cả hệ thống đèn đường, mỗi khi tắt/bật sẽ tác động đồng thời đến cả hệ thống đèn của nguyên một tuyến. “Do vậy, dù có lúc đường không có ai qua lại, chúng ta cũng khó có thể tắt bớt được các bóng đèn lãng phí”, anh Lê Thành Đạt - Giám đốc Công ty Cổ phần Công nghệ S3 - cho biết tại hội thảo “Giải pháp chiếu sáng công cộng Mesh ứng dụng cho hạ tầng mạng truyền dẫn Smart City” hồi tháng tám, do Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ TP.HCM (CESTI) tổ chức.

Thế nên không quá bất ngờ khi ở Việt Nam, điện năng chiếu sáng chiếm khoảng 35% tổng điện năng tiêu thụ, trong khi trên thế giới tỷ lệ này chỉ khoảng 17-25%. “Có nhiều lý do dẫn đến con số 35% này, nhưng nguyên nhân cơ bản nằm ở công nghệ chiếu sáng và cách vận hành cũ, cũng như số lượng đèn lớn do quá trình đô thị hóa nhanh chóng”, anh Đạt cho hay. Theo ước tính năm 2015 của Trung tâm tiết kiệm năng lượng TP. HCM, chiếu sáng công cộng đã tốn hơn 130 tỷ đồng/năm chỉ riêng tại TP.HCM.

Thực tế, hiện nay cũng đã có những giải pháp để việc chiếu sáng công cộng hiệu quả hơn, chẳng hạn như tích hợp module 4G (sim) cho từng đèn để điều khiển việc chiếu sáng dựa trên hạ tầng di động. “Giải pháp này dễ về mặt kỹ thuật, tuy nhiên lại yêu cầu chi phí duy trì cao. Cứ mỗi một sim sẽ tiêu tốn một khoản tiến nhỏ, khi nhân lên số lượng toàn thành phố thì chi phí hằng tháng sẽ rất lớn”, anh Đạt phân tích. Một giải pháp khác là xây dựng một mạng riêng - sử dụng những cột anten thu phát không dây để bao phủ sóng cho một vùng, tuy nhiên điểm hạn chế là mỗi trụ anten như vậy sẽ chỉ bao quát được cho một khu vực nhỏ, thêm vào đó việc kết nối lại bị phụ thuộc vào một điểm.

Đó là lý do nhóm nghiên cứu của công ty S3 đã nảy ra ý tưởng cho một giải pháp khác: triển khai một mạng riêng, trong đó mỗi thiết bị đèn sẽ có một bộ phận thu phát không dây để có thể nhận lệnh điều khiển cho từng đèn một, đồng thời mỗi đèn sẽ đóng vai trò là một điểm mạng, vừa thu vừa phát chính nó và trở thành điểm thu phát cho những đèn tiếp theo. “Với cách làm này, hệ thống mạng sẽ gần như không tốn chi phí vận hành hằng tháng, đồng thời có thể dễ dàng mở rộng hệ thống. Giải pháp cũng đảm bảo hạ tầng ổn định hơn, do có nhiều điểm thu phát sóng hỗ trợ cho nhau nếu một điểm bị hư hỏng”, anh Đạt cho biết.

Cụ thể hơn, tổng quan kiến trúc của giải pháp S3WAN gồm có ba hợp phần: thiết bị, hệ thống server và phần mềm. Trong đó, về phần thiết bị, các tủ cấp nguồn - thiết bị gateway - sẽ đóng vai trò là trung tâm điều khiển, dùng để cấp nguồn tuyến đèn và quản lý đèn. Các đèn sẽ được trang bị các cảm biến (để nhận dạng chuyển động) và bộ phận thu phát không dây, ứng dụng nền tảng Wireless - Mesh Network tích hợp repeater trên mỗi điểm đèn, cũng như hỗ trợ thêm sóng LORA cho các vị trí xa để đảm bảo kết nối không dây thông suốt giữa các đèn với nhau và với thiết bị gateway. Để điều khiển hệ thống từ xa, nhóm nghiên cứu xây dựng hai nhóm phần mềm chính là phần mềm vận hành với đầy đủ các tính năng - dùng cho phòng điều khiển trung tâm; và các phần mềm trên ứng dụng di động - dùng để hỗ trợ cho những người vận hành tại hiện trường. Quan trọng nhất, hệ thống server - phần trung gian giữa các thiết bị và phần mềm (giao tiếp dựa vào 4G hoặc cáp mạng) - sẽ thu thập, trung chuyển, lưu trữ dữ liệu của tất cả các thiết bị, từ đó giúp người quản lý xây dựng được các báo cáo cho toàn bộ hệ thống.

“Khi cảm biến phát hiện có phương tiện qua lại, các đèn phía trước sẽ báo hiệu cho đèn phía sau ngay lập tức sáng lên để người điều khiển phương tiện lúc nào cũng có đủ khoảng sáng di chuyển (khoảng 150m, tùy theo thiết lập). Ngược lại, các đèn sẽ giảm độ sáng để tránh lãng phí điện năng”, anh Đạt cho biết. Theo cách này, giải pháp sẽ giúp hệ thống tiết giảm được rất nhiều thời gian chiếu sáng dư thừa khi không có người nhưng vẫn đảm bảo an toàn cho người di chuyển.

Dù đây không phải là một ý tưởng quá mới, song, để triển khai thành một giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh có thể ứng dụng cho toàn thành phố như S3WAN, nhóm nghiên cứu đã phải tinh chỉnh rất nhiều lần để giải quyết các vấn đề kỹ thuật, chẳng hạn như vấn đề xung đột, lặp vòng trong hệ thống mạng, hệ thống bị cây xanh che khuất, mất anten thu phát sóng,... Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng phải đảm bảo yếu tố bảo mật - thiết kế hệ thống sao cho người ngoài không thể chiếm quyền điều khiển - thông qua các tiêu chuẩn mã hóa.

Những nỗ lực nghiên cứu như vậy đã đem lại cho những người sáng lập S3 một giải pháp với nhiều ưu điểm vượt trội: dễ dàng vận hành từ xa, theo dõi các thông số tiêu thụ để tiết giảm hợp lý, từ đó tiết kiệm năng lượng; tăng tuổi thọ của đèn; phần mềm quản lý thể hiện dưới dạng bản đồ, giúp xác định vị trí thiết bị và hiển thị trực tiếp trạng thái đèn, trạng thái lỗi, cảnh báo theo thời gian thực, giảm thiểu thời gian và nhân lực cho hoạt động bảo trì; áp dụng được cho đèn thế hệ cũ Sodium (ON/OFF) và đèn LED (dimmer),... Ngay cả khi không có internet, hệ thống vẫn có khả năng chạy độc lập theo chế độ offline, đảm bảo hoạt động bật/tắt tự động của các đèn một cách ổn định (trừ tính năng giám sát từ xa).

Khi tính toán và so sánh với đèn LED và đèn sodium thông thường, hệ thống đèn thông minh giúp đem lại giá trị tiết kiệm điện lần lượt là 64,5% và 50%. Sau khi thực hiện ba dự án thí điểm để chứng minh tính khả thi của giái pháp tại Khu Công nghệ cao Quận 9 (2016), khu dân cư HomyLand Quận 2 (2017) và khu công nghiệp ở Đà Lạt (2017), nhóm nghiên cứu đã triển khai giải pháp S3WAN tại thành phố Bến Tre vào năm 2020. Kết quả cho thấy, với hệ thống đèn LED thông minh, quản lý tới từng điểm đèn, kiểm soát toàn bộ 5.666 đèn, 90 tủ gateway và đặt lịch trình tự động giảm độ sáng về khuya, S3WAN đã giúp tiết kiệm 1,6 tỉ đồng chi phí tiền điện hằng tháng (khoảng 35%) cho thành phố này.

Điểm đáng chú ý là tiềm năng của hệ thống đèn thông minh S3WAN không chỉ dừng lại ở khả năng tiết kiệm năng lượng. “Hệ thống này có thể tạo thành mạng lưới kết nối không dây và góp phần hình thành ‘xương sống’ cho hạ tầng của thành phố thông minh”, anh Lê Thành Đạt chia sẻ.

Tại sao điều này có thể xảy ra? Trong một thành phố thông minh, bên cạnh hệ thống đèn đường sẽ cần phải có nhiều hệ thống khác như hệ thống kiểm soát đèn tín hiệu và biển báo giao thông; dự báo giao thông; quản lý xe buýt thời gian thực; dịch vụ bản đồ thời tiết; cảnh báo ô nhiễm môi trường; giám sát an ninh công cộng,... Với bán kính thu phát sóng 100m cho mỗi điểm đèn (độ trễ từ 4-8 mili giây/gói tin) và liên tục nối tiếp với nhau tạo thành một mạng, các đèn tín hiệu giao thông hay trạm quan trắc như vậy đều sẽ nằm trong vùng phủ sóng của hạ tầng đèn thông minh. S3WAN cũng hỗ trợ hai băng tần: tầm gần có mesh và repeater, tầm xa qua sóng LORA (phủ sóng 1-2km) để đảm bảo chắc chắn không có điểm nghẽn khi các cột đèn ở cách quá xa nhau.

Với dự án ở Bến Tre, giải pháp S3WAN cũng hỗ trợ API mở và server riêng cho phép chủ đầu tư chủ động nâng cấp tích hợp sau này với các hệ thống khác. “Với mật độ đèn đường dày đặc, thậm chí còn nhiều hơn cả các trạm di động, chúng ta hoàn toàn có thể biến các đèn này trở thành những trạm thu phát sóng, từ đó, các hệ thống khác như dự báo giao thông, dịch vụ bản đồ thời tiết hoàn toàn có thể hòa vào một mạng và chia sẻ hạ tầng này mà không cần phải đầu tư riêng nữa”, anh Đạt nhấn mạnh.