Chế tạo thành công thiết bị đo lường nước thông minh trên nền tảng đồng hồ cơ truyền thống, tích hợp quản lý tập trung IoT

Giải pháp do nhóm chuyên gia Trường Đại học Bách Khoa (ĐHQG TPHCM) hoàn thiện cho phép gắn trực tiếp một mô-đun có chức năng "số hóa" lên một số mẫu đồng hồ nước dạng cơ truyền thống thông dụng, và sau đó truyền phát dữ liệu thu thập về trung tâm xử lý thông qua hạ tầng vô tuyến.

Trước thực tế, trên địa bàn TP.HCM hiện có khoảng 1,4-1,5 triệu đơn vị đồng hồ nước được Tổng công ty cấp nước Sài Gòn (SAWACO) quản lý, 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 chưa thực sự chính xác bởi vài lý do khách quan lẫn chủ quan.

Trong khi đó, theo ước tính, để thay mới toàn bộ bằng đồng hồ nước phiên bản điện tử thì cần khoản đầu tư lên đến 250-300 triệu USD chưa kể chi phí lắp đặt, vì thế bài toán cấp bách đặt ra là cần một giải pháp công nghệ cải tiến đồng hồ nước dạng cơ truyền thống thành đồng hồ nước thông minh để giảm chi phí và phù hợp với điều kiện của TP.HCM.

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.

Quản lý tập trung

Có thể khẳng định rằng, việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống đo lường nước thông minh đã xuất hiện trên thế giới từ khá lâu, bắt đầu phát triển ở dạng AMR một chiều (Automatic Meter Reading - đọc đồng hồ tự động) và hiện nay đang tập trung vào dạng hai chiều dạng AMI (Advanced Metering Infrastructure - cơ sở hạ tầng đo lường tiên tiến) trên nền tảng IoT. 

Không nằm ngoài dòng chảy xu hướng, Việt Nam nói chung và TP.HCM nói riêng cũng đã quyết liệt triển khai nhiều chương trình hội nhập sâu rộng với cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 toàn cầu và chiến lược xây dựng smartcity, chính quyền số và xã hội số.

Riêng trong lĩnh vực cung cấp nước, đội ngũ chuyên gia, nhà khoa học Việt Nam cùng các đơn vị hoạt động trong lĩnh vực cung cấp nước sạch phục vụ sinh hoạt (gọi là công ty cấp nước) đã và đang tập trung vào việc nghiên cứu ứng dụng thiết bị đo lường điện tử và thiết bị đo đếm phục vụ mục tiêu thúc đẩy triển khai chuyển đổi số, quản trị đô thị hiện đại gắn liền với sự hội tụ của các dịch vụ.

PGS.TS Lê Minh Phương, chủ nhiệm nhiệm vụ khoa học - công nghệ "Nghiên cứu phát triển công nghệ chế tạo Hệ thống đo lường nước thông minh" cho biết, ngoài tính năng cơ bản là đo đếm thì mỗi đồng hồ (công tơ) nước dạng điện tử phải được tích hợp khả năng truyền dữ liệu không dây, giám sát áp lực và lưu lượng nước, đồng thời cung cấp cho khách hàng công cụ để cùng công ty cấp nước có thể thuận tiện giám sát chất lượng điểm đo nhằm minh bạch hóa công tác đo đếm. Đồng thời 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.

Theo đó, đội ngũ kỹ sư - chuyên gia tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu điện tử công suất thuộc Trường Đại học Bách Khoa (ĐHQG TP.HCM) đã phát triển loạt chức năng thông minh của đồng hồ nước ngay trên các đồng hồ cơ truyền thống, bằng cách bổ sung các mô-đun điện tử 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 Lorawan.

Cụ thể hơn, sau khi phân tích các công nghệ trên thế giới và hiện trạng của hệ thống cung cấp nước trên địa bàn TP.HCM, PGS.TS Lê Minh Phương và nhóm cộng sự đã đề xuất giải pháp công nghệ với đầy đủ các tính năng của một hệ thống đo lường hiện đại AMI trên nền tảng IoT bằng cách cải tiến công nghệ cho các đồng hồ cơ đo nước hiện hữu để có thể tương tác, giao tiếp với hệ thống IoT và cơ sở hạ tầng truyền dữ liệu hiện đại, cũng như cho phép giao tiếp hai chiều giữa khách hàng và đơn vị quản lý thông qua Apps “Smart Water Meter”.  

 Sản phẩm đồng hồ nước thông minh được hoàn thiện với "Trung tâm" là bộ phận chuyển đổi dữ liệu từ sang dạng số tích hợp trên bo mạch

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 đến pin đồng hồ nước thông minh 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 đồng hồ nước điện tử thông minh còn được thiết kế và chế tạo theo nguyên tắc mô dun hóa, nhờ đó có thể thay thế cải tiến cập nhật các công nghệ mới mà không phải tốn nhiều linh kiện và thời gian.  

Mô hình tổng thể hệ thống đo lường nước thông minh được đề xuất

Về chức năng, ở tầng đầu tiên của mô hình 4 tầng được xây dựng, là đồng hồ nước thông minh được cải tiến từ đồng hồ truyền thống giữ nhiệm vụ đo lường mức tiêu thụ nước của các khách hàng. Trong đó, đồng hồ nước cơ truyền thống được trang bị bộ dụng cụ đọc quang - mạch điện tử tích hợp mô-đun truyền dữ liệu Lorawan. Đồng hồ nước thông minh sau đó truyền mức tiêu thụ tích lũy (m3) được ghi lại trong một thời gian nhất định bằng giao thức không dây Lorawan về các Gateway của hệ thống.

4 tầng trong mô hình quản lý đo lường nước thông minh cho phép công ty cấp nước và khách hàng có được sự tương tác tối đa

Để "tận dụng" đồng hồ cơ truyền thống, hiện chủ yếu là hai mẫu KENT và Itron- Actaris, PGS.TS Lê Minh Phương và cộng sự chọn giải pháp 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 có chút khác nhau, nhưng về cơ bản cả hai được phát triển trên cùng mẫu bo mạch, kiến trúc và giải thuật. 

Hay nói cụ thể hơn, đồng hồ nước thông minh cải tiến là 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 thông minh 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.

Theo thiết kế, pin có thể sử dụng 5 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.

Đồng hồ cơ Itron được gắn cụm đo đếm dữ liệu và thu - phát sóng Lora

Đồng hồ cơ KENT được gắn cụm đo đếm dữ liệu và thu - phát sóng Lora

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, giúp xây dựng thêm dữ liệu cho người dùng, phát hiện rò rỉ và phát hiện lỗi, v.v.

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 (quản lý hệ thống và người tiêu dùng) thông qua một ứng dụng web được cá nhân hóa.

Giao diện hiển thị thông tin chung của các đồng hồ nước đang được hệ thống quản lý

Đại diện nhóm triển khai nhiệm vụ - khoa học công nghệ khẳng định, ngoài việc giúp giảm thiểu tối đa số lượng nhân viên thực hiện công tác thu thập dữ liệu tại từng địa chỉ khách hàng, mô hình được xây dựng còn cung cấp cho khách hàng lẫn công ty cấp nước khả năng thống kê nhanh hay 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.

Là một phần của nhiệm vụ, 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, phạm vi từ tầng 12 đến tầng 12, 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). 

Giao diện giám sát lượng nước tiêu thụ đối với 1 đồng hồ nước được lắp đặt thử nghiệm tại Ký túc xá Đại học Bách Khoa

Các thử nghiệm về độ ổn định của thu phát dữ liệu từ đồng hồ về các Lora Gateway ghi nhận sự ổn định, khoảng cách; và toàn bộ đồng hồ nước đều có tín hiệu kết nối tốt ngay cả ở các góc khuất, tầng xa nhất (đối với khuôn viên Đại học Bách Khoa và khu ký túc xá), hay đồng hồ lắp xa nhất 800m trong khu dân cư nông thôn vẫn có tín hiệu tốt mặc dù xung quanh khu vực có rất nhiều tán cây che khuất. 

Hiệu quả kinh tế cao

Theo lời PGS.TS Lê Minh Phương, giải pháp là sản phẩm của nhiệm vụ khoa học - công nghệ đã dựa trên ý tưởng sử dụng công nghệ thông minh để truyền dữ liệu giữa các đồng hồ cơ thế hệ cũ. 

"Đây là sản phẩm có tính ứng dụng cao, và có thể cải tiến hệ thống truyền thống "không thông minh" thành hệ thống thông minh với giá thành thấp", PGS.TS Lê Minh Phương nhấn mạnh, "Công nghệ mới này có thể giảm được giá thành của đồng hồ nước điện tử hiện ở mức từ 3 - 4 triệu đồng, xuống chỉ còn vào khoảng 700.000 đến 1 triệu đồng, và điều này giúp chúng ta có thể triển khai hệ thống một cách hoàn hảo và hiệu quả về kinh phí đầu tư". 

Đại diện nhóm triển khai nhiệm vụ cũng khẳng định, quyết tâm hoàn thiện giải pháp đề ra cũng xây dựng mô hình quản lý tập trung theo cấu trúc mở nhằm thể hiện "hoài bão" là không chỉ tập trung vào sản phẩm đồng hồ nước thông minh, mà xa hơn là muốn tập hợp thành một hệ thống sinh thái cho đồng hồ nước thông minh, đèn chiếu sáng thông minh và đo lường điện thông minh cho TP.HCM nói riêng và tất cả tỉnh, thành trên phạm vi toàn quốc nói chung.

Tựu trung, với việc chế tạo thành công bộ chuyển đổi đồng hồ nước dạng cơ truyền thống sang phiên bản với khả năng đo đếm thông minh, tích hợp khả năng vận hành - giám sát qua IoT đã khẳng định sự sẵn sàng của đội ngũ trí thức, chuyên gia và nhà khoa học tại TP.HCM trước xu hướng 4.0 thông qua việc từng ngày hoàn thiện những giải pháp thực tiễn, gắn liền với đời sống người dân cũng như cơ quan, đơn vị trong từng lĩnh vực dịch vụ liên quan.