Từ lâu, chúng ta đã quen thuộc với hình ảnh các nhân viên của các công ty phân phối nước đều đặn hằng tháng sẽ đến vị trí lắp đặt đồng hồ nước của từng hộ gia đình để thu thập và nhập liệu chỉ số.
Đây là một công đoạn bắt buộc, bởi các đồng hồ nước cơ khí hiện tại sử dụng cho hộ gia đình là đồng hồ cơ hiển thị trực tiếp số liệu trên mặt đồng hồ, chỉ có thể đọc chỉ số tại chỗ. Điều này khiến nhiều người không khỏi băn khoăn rằng “Sẽ mất bao lâu để có thể thu thập toàn bộ dữ liệu của các hộ gia đình trên khắp Việt Nam? Liệu có cách nào giảm thiểu được bước thu thập thủ công này?”
Đó cũng là bài toán mà Tổng Công ty Cấp nước Sài Gòn (SAWACO) đã phải đối diện từ lâu. Trên thực tế, hiện họ đang quản lý khoảng 1,4-1,5 triệu đơn vị đồng hồ nước trên địa bàn TP.HCM, nhưng việc thống kê lượng nước tiêu thụ hằng tháng vẫn được thủ công thực hiện trực tiếp tại địa điểm gắn đồng hồ đo dẫn đến tình trạng số liệu đo đếm đôi khi chưa thực sự chính xác.
Dù vậy, nếu muốn thay thế toàn bộ đồng hồ nước dạng cơ truyền thống thành đồng hồ nước phiên bản điện tử, công ty sẽ cần phải đầu tư một khoản kinh phí khổng lồ - chưa kể phí lắp đặt. Được biết, mỗi đồng hồ nước thông minh (nhập ngoại) có giá tham khảo từ 3 - 4 triệu đồng, trong khi đồng hồ nước dạng cơ truyền thống chỉ ở mức 700.000 - 850.000 đồng.
Với mong muốn tìm kiếm một giải pháp công nghệ giúp giải quyết bài toán này, đại diện SAWACO đã quyết định hợp tác với Phòng thí nghiệm nghiên cứu điện tử công suất thuộc trường Đại học Bách khoa (ĐHQG TP.HCM) để tiến hành nhiệm vụ khoa học - công nghệ “Nghiên cứu phát triển công nghệ chế tạo Hệ thống đo lường nước thông minh”
Chia sẻ tại sự kiện Hợp tác công nghệ do Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ (CESTI, thuộc Sở Khoa học Công nghệ TP.HCM) tổ chức vào tháng tám, Th.S Nguyễn Hoài Phong, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết sau khi phân tích các công nghệ trên thế giới và hiện trạng của hệ thống cung cấp nước trên địa bàn TP.HCM, nhóm cho rằng phương án cải tiến các chức năng của đồng hồ nước dạng cơ truyền thống thành đồng hồ nước thông minh là hướng đi phù hợp với điều kiện của thành phố, giúp giảm chi phí về lâu về dài.
Nhóm nghiên cứu hướng đến phát triển các mô-đun sử dụng công nghệ truyền dữ liệu hiện đại có khả năng đọc dữ liệu từ bộ phát xung được kết nối với đồng hồ cơ và truyền qua giao thức vô tuyến không dây. Khi đó, đồng hồ nước thông minh không chỉ có khả năng thu thập (đọc) dữ liệu từ xa, mà cũng cho phép người dùng nhận thông báo liên quan cũng như các sự cố tác động đến đồng hồ, mà còn đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật đo lường Việt Nam.
“Ngoài ra nhờ được thiết kế và chế tạo theo nguyên tắc mô-đun hóa, các chuyên gia có thể thay thế cải tiến cập nhật các công nghệ mới trên đồng hồ mà không phải tốn nhiều linh kiện và thời gian”, ThS. Phong cho biết tại sự kiện.
Các đồng hồ cơ truyền thống hiện tại chủ yếu là hai mẫu KENT và Itron - Actaris. PGS.TS Lê Minh Phương (trưởng nhóm nghiên cứu), ThS. Phong và các cộng sự đã thiết kế riêng bộ đầu đọc quang dựa trên công nghệ từ trường để gắn lên đồng hồ cơ, đi kèm với đó là cụm phát dữ liệu qua sóng LoRa. Tùy thiết kế của mẫu đồng hồ cơ mà cụm đầu đọc cho từng phiên bản sẽ có phần khác nhau, nhưng về cơ bản cả hai được phát triển trên cùng mẫu bo mạch, kiến trúc và giải thuật.
Như vậy, nhóm nghiên cứu đã trang bị cho đồng hồ nước cơ truyền thống một mạch điện tử chứa bộ vi điều khiển sử dụng pin có chức năng đọc từ đồng hồ cơ và mô-đun phát sóng LoRa để truyền không dây. Đồng hồ nước lúc này không chỉ đo lưu lượng nước mà sử dụng giao tiếp không dây để kết nối với mạng LoRaWAN cho phép giám sát vị trí từ xa, bảo trì cơ sở hạ tầng thông qua phát hiện rò rỉ và cảnh báo tự động (khoảng cách truyền xa nhất đạt gần 2.000m). Theo thiết kế, pin có thể sử dụng năm năm, và cụm thiết bị gắn lên đồng hồ nước đạt chuẩn IP67 để an toàn trong môi trường gắn ngoài hiện trường với môi trường ẩm ướt, nhiệt độ cao.
Trong hệ thống tổng thể được hoàn thiện và đề xuất, có nhiều Gateway được thiết kế để nhận, tập trung và xử lý dữ liệu từ các đồng hồ không dây có sẵn trong phạm vi quản lý. Khả năng truyền tải của các đồng hồ thông minh phụ thuộc vào các Gateway thường được đặt tại các điểm chiến lược để tối đa hóa số lượng đồng hồ thông minh đang quản lý và để giảm thiểu số lượng Gateway yêu cầu.
Các Gateway lưu trữ và xử lý trước các dữ liệu đo lường trước khi tải lên qua Wi-Fi hoặc mạng di động (3G/4G/LTE) thành dữ liệu tổng hợp cho một ứng dụng chạy trên nền tảng điện toán công nghệ Cloud. Sau đó, dữ liệu về mức tiêu thụ, cảnh báo - báo động được cung cấp cho công ty cung cấp nước và khách hàng thông qua hệ thống giám sát trên ứng dụng Smart Water Meter.
Cảnh báo gian lận nướcNhóm nghiên cứu cho biết đồng hồ nước thông minh có khả năng truyền nhận dữ liệu theo tần suất mặc định là 1 lần/24 giờ. Đồng hồ cũng sẽ lưu dữ liệu theo từng tháng, lưu trữ được 100 tháng. Nguồn dữ liệu này được lưu trữ đề phòng trường hợp hạ tầng mạng gặp sự cố chưa thể khắc phục ngay.
Bên cạnh việc giúp giảm số lượng nhân viên thực hiện công tác thu thập dữ liệu thủ công, hệ thống đo lường nước thông minh còn cung cấp cho khách hàng lẫn công ty cấp nước khả năng theo dõi, thống kê nhanh theo định kỳ, và đặc biệt là việc tích hợp các dịch vụ đi kèm như gửi thông báo về tiền nước, triển khai thanh toán điện tử và tiếp nhận nhanh các phản ánh từ khách hàng.
Một trong những điểm đáng chú ý của hệ thống đó là nó tích hợp các chức năng như cảnh báo khi có hành động tác động lên thiết bị đo lường bằng nam châm, tác động tháo lắp, hành động trộm nước cho người đơn vị quản lý hệ thống.
Chẳng hạn, công tác nguồn của đồng hồ nước là loại thường mở, được sử dụng như một niêm phong cho thấy đồng hồ nước đã bị mở ra chưa. Khi mạch điều khiển bị tháo rời khỏi đồng hồ nước điện tử, công tác nguồn này sẽ ngắt điện làm xóa đi các giá trị cài đặt bên trong vi điều khiển chính. Khi lắp mạch điều khiển lại, mặc dù nguồn điện được cung cấp lại nhưng các thông số đã bị xóa, do đó vi điều khiển chính xác định rằng đồng hồ nước điện tử đã bị tác động và phát tín hiệu cảnh báo đến hệ thống quản lý qua mạng không dây LoRa.
Bên cạnh đó, cảm biến từ đo lưu lượng nước dễ bị tác động dẫn đến đọc sai khi bị đặt trong môi trường từ mạnh hoặc do có người cố ý dùng từ trường bên ngoài (nam châm) tác động gây ra sai số, nhóm nghiên cứu đã bố trí thêm cảm biến từ cảnh báo trong mạch điều khiển để đề phòng sự cố. Cảm biến từ cảnh báo sau đó sẽ gửi tín hiệu đến vi điều khiển chính khi có từ trường ngoài tác động, từ đó vi điều khiển chính tiếp tục phát tín hiệu cảnh báo đến hệ thống quản lý. Nhờ những ưu điểm này mà đồng hồ nước điện tử của nhóm PGS. TS Lê Minh Phương đã được Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp bằng độc quyền sáng chế số 1-0031468.
Nhóm đã thử nghiệm lắp đặt các mẫu đồng hồ nước thông minh cải tiến từ đồng hồ nước truyền thống cũng đã được triển khai lắp đặt tại khắp khuôn viên trường Đại học Bách Khoa (17 cái với LoRa Gateway đặt ở sân thượng tòa nhà B4), khu Ký túc xá Đại học Bách Khoa (60 cái, với LoRa Gateway đặt ở sân thượng tầng 11) và một khu dân cư ở khu vực nông thôn (50 cái, với LoRa Gateway đặt ở một trạm phát cao 10m). Kết quả cho thấy dữ liệu từ đồng hồ được truyền về các LoRa Gateway một cách ổn định, ngay cả ở những khu vực có rất nhiều tán cây che khuất.
Hiện tại, nhóm nghiên cứu không chỉ thử nghiệm đồng hồ nước sử dụng giao tiếp không dây để kết nối với mạng LoRa, mà họ còn thử nghiệm thêm công nghệ IoT băng hẹp NB-IoT. “Ưu điểm của LoRa là nó sử dụng sóng radio miễn phí, hoạt động tốt ở những khu vực có địa hình thông thoáng. Tuy nhiên với những nơi có địa hình đông đúc, hoặc xung quanh có nhiều gia đình kinh doanh sắt thép, thì độ tán xạ sóng radio có thể gây ra thất thoát dữ liệu”, đại diện Công ty SAWACO phân tích. Trong khi đó, NB-IoT có mật độ kết nối cao, vùng phủ sóng rộng, đáp ứng tốt tại các khu vực vùng sâu vùng xa, sóng kém; dữ liệu thu về được cập nhật 24 mốc trong một ngày. “Trước đây, khi chúng tôi triển khai ứng dụng NB-IoT, thời gian đầu sóng NB-IoT cực kỳ yếu vì các nhà mạng chưa đầu tư các trạm. Đến hiện tại, các nhà mạng Viettel, Mobiphone, Vinaphone đều đang tham gia phát triển trạm Gateway để phục vụ sóng NB-IoT”, vì vậy đây có thể sẽ là thời điểm thuận lợi để phát triển đồng hồ nước áp dụng công nghệ NB-IoT.
Để theo dõi ưu nhược điểm của các loại công nghệ, SAWACO đang tiếp tục phối hợp với nhóm nghiên cứu để thử nghiệm 40.000 đồng hồ nước cải tiến ứng dụng công nghệ 4G, LoRa và NB-IoT. Khi triển khai thực tế, nhóm nghiên cứu nhận thấy có rất nhiều môi trường, địa hình khác nhau mà nhóm vẫn chưa thể lường trước hết được. “Mặc dù độ phủ và tín hiệu sóng càng ngày càng cải thiện, nhưng hệ thống của chúng tôi vẫn có độ trễ tín hiệu và làm mất dữ liệu của đồng hồ ở những vị trí xa, mưa bão hoặc ở gần những nguồn có phát xạ điện từ cao”, ThS. Nguyễn Hoài Phong chia sẻ. “Nếu muốn triển khai rộng rãi ra thực tế, sẽ cần thêm thời gian để đánh giá toàn diện các điều kiện môi trường, phân tích được đâu là nơi giải pháp hoạt động hiệu quả hoặc không hiệu quả”, từ đó có được những cải tiến phù hợp.