BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐỒ ÁN CƠ SỞ CHUYÊN NGÀNH TÌM HIỂU HỆ THỐNG IoT TRONG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN, NƯỚC Giảng viên hướng dẫn Vương Xuân Chí. LỜI MỞ ĐẦU Đồ án Ứng dụng công nghệ Iot giám sát mức tiêu thụ điện – nước Trong những năm gần đây, dường như thuật ngữ IoT (hay Internet of Things) hay “Vạn vật kết nối internet” đã không còn trở nên quá xa lạ, ta có thể đôi lần bắt gặp cụm từ này ở bất kỳ đâu, từ những bản tin thời sự công nghệ trên tivi, trên các trang mạng điện tử, hoặc cụ thể là những ứng dụng thiết thực trong đời sống. Đúng như tên gọi, đây là một hệ thống các thiết bị công nghệ có liên quan đến nhau, mọi vật được kết nối với nhau dựa trên giao thức chung, đó là mạng truyền thông – hay Internet. Chỉ cần một thiết bị có kết nối mạng, là bạn có thể hoàn toàn kiểm tra, điều khiển các thiết bị trong nhà, bất kể bạn đang ở đâu. Công nghệ IoT đã và đang phát triển trong rất nhiều lĩnh vực. Với những lợi ích trông thấy, bạn cũng muốn sở hữu một ứng dụng IoT cho căn nhà của bạn phải không nào? Vậy ứng dụng vào đâu bây giờ, ngoài việc chỉ điều khiển các thiết bị điện từ xa? Vậy có bao giờ bạn phải đau đầu tự hỏi tháng này hóa đơn tiền điện nước lại tăng lên trong khi bạn nghĩ là đã sử dụng chúng một cách hợp lý và tiết kiệm chưa? Chẳng lẽ đồng hồ lại báo số sai? cũng có thể. Như vậy, bạn cần phải có một ứng dụng để có thể giám sát thông số điệnnước mà gia đình bạn sử dụng hàng ngày; đến cuối tháng, bạn tổng kết lại, đối chiếu với hóa đơn điệnnước trong tháng này, chứ không còn phụ thuộc vào hóa đơn của công ty điện nước như trước kia nữa. Thực ra, trên thị trường đã có những thiết bị như thế này rồi, với độ chính xác cao, nhưng giá thành lại rất mắc, vả lại không thể giám sát được từ xa. Nắm bắt được điều này, vận dụng kiến thức đã học, nhóm em đã tiến hành thực hiện đề tài với tên “ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IOT GIÁM SÁT MỨC TIÊU THỤ ĐIỆN NƯỚC”, thực hiện công việc đo và giám sát, hiển thị và cập nhật lên màn hình thiết bị và trên web, giúp cho người sử dụng có thể dễ dàng quan sát cũng như thống kê được lượng điện nước mà họ đã và đang sử dụng. Với đề tài này, nhóm hy vọng sẽ làm cơ sở nghiên cứu để các nhóm sau có thể phát triển và cải tiến thêm nữa
Khái niệm, cấu trúc và yêu cầu của một hệ thống IoT
Các yêu cầu của một hệ thống IoT
Các yêu cầu để có thể trở thiết lập một IoT sẽ rất cao và khắt khe với các tiêu chí như sau:
Trong hệ sinh thái IoT, kết nối dựa trên nhận diện đóng vai trò nền tảng: mỗi “Thing”—là các đồ vật, máy móc và thiết bị—phải có tên riêng hoặc địa chỉ IP độc lập Hệ thống IoT phải hỗ trợ kết nối giữa các “Thing” và thiết lập các kết nối dựa trên định danh IP của từng “Thing”, giúp quản lý mạng lưới thiết bị hiệu quả và tăng tính an toàn khi giao tiếp giữa các thành phần.
Hình 1.3 : Các yêu cầu của Internet of things (IoT)
Hệ thống IoT cần cung cấp chức năng quản lý các “Things” để đảm bảo mạng IoT hoạt động bình thường và ổn định Ứng dụng IoT thường vận hành tự động và không cần sự tham gia của con người, nhưng toàn bộ quá trình vận hành nên được quản lý bởi các bên liên quan.
Trong hệ thống IoT, nhiều thiết bị (Things) được kết nối với nhau khiến nguy cơ bảo mật tăng lên, với các mối đe dọa như rò rỉ thông tin mật, xác thực sai và dữ liệu bị giả mạo Mỗi Things có chủ sở hữu và người dùng, và dữ liệu thu thập từ chúng có thể chứa thông tin cá nhân liên quan đến chủ sở hữu hoặc người sử dụng Do đó, hệ thống IoT cần bảo vệ sự riêng tư ở mọi giai đoạn truyền dữ liệu, thu thập, khai thác, lưu trữ và xử lý dữ liệu bằng các biện pháp bảo mật phù hợp như mã hóa, xác thực mạnh, quản lý quyền truy cập và giám sát hành vi bất thường, để đảm bảo an toàn cho dữ liệu IoT và quyền riêng tư của người dùng.
Dịch vụ thỏa thuận được cung cấp thông qua quá trình thu thập, giao tiếp và xử lý tự động dữ liệu giữa các “Things” Quá trình này dựa trên các quy tắc do người vận hành thiết lập hoặc được người dùng tùy chỉnh, đảm bảo sự tự động và linh hoạt trong trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị.
Khả năng này cho phép hệ thống IoT có thể tương tác qua lại giữa các network và Things một cách dễ dàng.
Khả năng tự quản của network
Khả năng tự quản của mạng bao gồm tự quản lý, tự cấu hình, tự khắc phục sự cố, tự tối ưu hóa và có cơ chế bảo vệ, giúp mạng thích ứng với các nền tảng phần mềm, ứng dụng, môi trường truyền thông và nhiều loại thiết bị khác nhau Điều này tăng tính tự động hóa vận hành, giảm sự can thiệp thủ công, cải thiện độ tin cậy và an toàn, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất và chi phí vận hành Nhờ khả năng tự quản, mạng có thể nhanh chóng thích ứng với sự thay đổi của công nghệ và mang lại trải nghiệm ổn định cho người dùng.
Các khả năng dựa vào vị trí (location – based capabilities)
Thông tin liên lạc hoặc các dịch vụ liên quan đến một đối tượng sẽ phụ thuộc nhiều vào thông tin vị trí do các thiết bị và người dùng cung cấp Hệ thống IoT có thể nhận biết và theo dõi vị trí một cách tự động, từ đó hỗ trợ các dịch vụ dựa trên vị trí Tuy nhiên, các dịch vụ dựa trên vị trí có thể bị hạn chế bởi luật pháp hoặc các quy định và chúng phải tuân thủ các yêu cầu về an ninh.
Trong hệ sinh thái IoT, các thiết bị được gọi là “Things” được thiết kế để plug-and-play một cách dễ dàng và thuận tiện, giúp quá trình thiết lập và sử dụng lần đầu trở nên nhanh chóng và đơn giản hơn Khả năng nhận diện và kết nối tự động của chúng tối ưu hóa trải nghiệm người dùng từ lần khởi động đầu tiên, đồng thời giảm thiểu sự phức tạp khi gia nhập mạng IoT.
Các đặc trưng cơ bản của IoT, ưu và nhược điểm của IoT
Ưu điểm của hệ thống IoT
IoT thúc đẩy giao tiếp giữa các thiết bị, hay còn gọi là giao tiếp Machine-to-Machine (M2M) Nhờ các thiết bị vật lý duy trì kết nối và phối hợp nhịp nhàng với nhau, hệ thống IoT giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và tối ưu hoá quy trình sản xuất.
IoT cho phép tự động hóa và giám sát thiết bị một cách hiệu quả, thực hiện các nhiệm vụ hàng ngày mà không cần sự can thiệp của con người Nhờ giao tiếp máy với máy giữa các thiết bị, quá trình sản xuất được tăng tốc và chất lượng sản phẩm được nâng cao, đồng thời duy trì tính minh bạch trong quy trình và sự đồng đều giữa các công việc Việc tự động hóa cũng giúp duy trì chất lượng dịch vụ, và hiện nay nhiều nhà máy đã áp dụng công nghệ IoT để điều khiển hoạt động sản xuất, đây là ưu điểm nổi bật của IoT.
- Thông tin: Rõ ràng việc có nhiều thông tin giúp đưa ra quyết định tốt hơn
Các cuộc cách mạng công nghiệp đã mở rộng đầu mối và nguồn thông tin về mọi lĩnh vực, giúp doanh nghiệp tiếp cận dữ liệu nhanh chóng và toàn diện hơn Doanh nghiệp của bạn chỉ cần chuẩn bị những yếu tố thiết yếu và tra cứu thông tin đáng tin cậy để có thể ra quyết định ngay tại thời điểm cần thiết, dựa trên dữ liệu thực tế, thời gian thực và xu hướng thị trường.
IoT mang lại lợi ích nổi bật ở khả năng giám sát: nó cho biết chính xác số lượng vật tư và chất lượng không khí, tình trạng của sản phẩm trong nhà bạn, đồng thời cung cấp thêm thông tin mà trước đây bạn gặp khó khăn khi thu thập Việc giám sát còn cho phép theo dõi hạn sử dụng sản phẩm, từ đó cải thiện an toàn vệ sinh thực phẩm và giảm thiểu rủi ro liên quan đến chất lượng hàng hóa Nhờ các dữ liệu được thu thập liên tục từ IoT, quản lý kho và quy trình sản xuất ngày càng hiệu quả, giúp nâng cao chất lượng và an toàn cho người tiêu dùng.
Tiết kiệm thời gian được nâng lên mức tối đa nhờ sự tương tác giữa máy với máy, mang lại hiệu quả cao và kết quả chính xác hơn so với làm thủ công Thay vì phải lặp lại các nhiệm vụ tương tự mỗi ngày, hệ thống tự động cho phép mọi người tập trung vào các công việc sáng tạo và có giá trị hơn Cách mạng công nghiệp mang tới những công nghệ mới với lợi ích lớn về thời gian, đồng thời tăng năng suất và giảm sai sót nhờ tự động hóa và tối ưu hóa quy trình.
Tiết kiệm tiền bạc là ưu điểm lớn nhất của IoT Hệ thống IoT kết nối và cho phép các thiết bị giao tiếp với nhau một cách hiệu quả, biến thói quen hàng ngày thành hoạt động tối ưu và giảm lãng phí năng lượng Nhờ cảnh báo kịp thời về các vấn đề và sự cố phát sinh, IoT giúp người dùng xử lý nhanh chóng và giảm chi phí sửa chữa, bảo trì cho nhiều sản phẩm Vì vậy, IoT vừa tiết kiệm năng lượng vừa giảm chi phí vận hành và duy trì hệ thống ở mức tối ưu.
Nhược điểm của hệ thống IoT
Khả năng tương thích là một thách thức khi các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau kết nối với nhau, khiến việc tích hợp và giao tiếp giữa chúng gặp khó khăn Hiện nay chưa có tiêu chuẩn quốc tế về khả năng tương thích cho các thiết bị theo dõi, giám sát, điều này khiến hệ sinh thái IoT còn nhiều ràng buộc và thiếu đồng bộ Đây được xem là nhược điểm IoT dễ khắc phục nhất, bởi các nhà sản xuất có thể đồng tạo ra một tiêu chuẩn chung và tuân thủ theo nó, từ đó nâng cao khả năng tương thích giữa các thiết bị và hệ thống.
- Độ phức tạp: IoT là một mạng lưới đa dạng và phức tạp, vì vậy với bất kỳ lỗi hoặc lỗi trong phần mềm hoặc phần cứng có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng Khi mất điện cũng có thể gây ra nhiều bất tiện trong các hệ thống và thao tác của nhiều thiết bị vì chúng được kết nối với nhau.
- Quyền riêng tư / Bảo mật: Cuộc sống của chúng ta sẽ ngày càng được kiểm soát bởi công nghệ, và sẽ phụ thuộc vào nó Nếu tất cả dữ liệu IoT này được truyền đi, nguy cơ mất quyền riêng tư sẽ tăng lên Cách mạng công nghiệp đã công nghệ hoá cho tất cả mọi thứ nhỏ nhặt Đây là một nhược điểm lớn của IoT vì nó gián tiếp làm mất đi nhiều quyền lợi quan trọng của con người trong các hoạt động hàng ngày.
An toàn mạng hiện nay phụ thuộc vào việc nhận thức rằng hầu hết thiết bị gia dụng, máy móc công nghiệp và dịch vụ công cộng cùng nhiều thiết bị khác đều được kết nối với Internet, tạo thành một kho thông tin khổng lồ có thể lưu trữ và truy cập trên chính các thiết bị ấy Tuy nhiên, sự phổ biến của kết nối khiến các dữ liệu này dễ bị tin tặc tấn công và đánh cắp Việc thông tin cá nhân và bí mật của người dùng bị tiết lộ bởi kẻ xâm nhập trái phép có thể gây hậu quả nghiêm trọng cho người dùng và tổ chức, nhấn mạnh nhu cầu bảo mật thông tin và an toàn mạng cao hơn bao giờ hết.
Vai trò, ứng dụng của IoT trong đời sống
Ứng dụng của IoT trong đời sống
2.1 Nhà thông minh (Smart Home)
Smart Home là một ứng dụng nổi bật và thành công của IoT tính đến thời điểm hiện tại Nhờ IoT, người dùng có thể điều khiển từ xa các thiết bị gia đình như bật/tắt đèn, điều hòa và các thiết bị điện tử khác, thậm chí khi không ở nhà, đồng thời theo dõi tình trạng thiết bị một cách trực quan Việc tích hợp Smart Home mang lại sự thuận tiện tối đa, giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao chất lượng cuộc sống ngay trong ngôi nhà của bạn.
Smart Home mang đến một không gian sống tiện nghi và an toàn nhờ hệ thống tự động và kết nối thông minh, nhưng chi phí đầu tư để xây dựng một mô hình nhà ở thông minh không hề nhỏ Bài viết điểm qua một số thiết bị tiêu biểu được trang bị cho hệ thống Smart Home như camera an ninh và khóa cửa thông minh, cảm biến cửa – cảm biến chuyển động, hệ thống chiếu sáng và rèm cửa tự động, điều hòa và máy lạnh kết nối, loa thông minh và trợ lý giọng nói, cùng với robot hút bụi và bảng điều khiển trung tâm để quản lý mọi thiết bị từ xa.
2.2 Hệ thống đèn chiếu sáng Đèn LED là một thiết bị rất quen thuộc trong mọi gia đình, trong Smart Home, người ta sẽ lắp đặt hệ thống đèn thông minh, giúp tiết kiệm thời gian và điện năng hiệu quả.
Hệ thống đèn LED thông minh có thể được điều khiển bật, tắt từ xa, rất tiện lợi nếu bạn quên tắt đèn mỗi khi ra khỏi nhà.
Trang bị chức năng hẹn giờ, giúp đèn có thể tự động tắt mỗi khi đến hẹn.
Lắp đặt hệ thống cảm biến, giúp đèn tự động bật mỗi khi bạn về đến nhà, giúp cho ngôi nhà của bạn luôn được đầy đủ ánh sáng.
2.3 Thành phố thông minh (Smart City)
Thành phố thông minh là một trong những ứng dụng nổi bật của IoT, mang lại giải pháp quản lý đô thị hiệu quả và cải thiện chất lượng sống cho người dân Trong thời đại công nghiệp hóa ngày càng mạnh mẽ, xây dựng đô thị theo mô hình Smart City giúp tối ưu hoá hạ tầng và dịch vụ công, từ đó tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho người dân và doanh nghiệp Đây cũng là một cơ hội lớn cho các nhà sản xuất thuộc lĩnh vực công nghệ, khi nhu cầu về giải pháp thông minh liên tục tăng và mở rộng thị trường.
Một thành phố thông minh vận hành nhờ IoT kết nối vạn vật, tạo thành hệ sinh thái dữ liệu cho quản lý đô thị Nhờ mạng lưới IoT, các hệ thống có thể quan sát và điều khiển theo thời gian thực, tối ưu hóa lưu lượng giao thông, nguồn năng lượng và dịch vụ công Việc kiểm soát hoạt động của toàn khu vực diễn ra nhờ giám sát liên tục và phân tích dữ liệu từ cảm biến, camera và thiết bị kết nối Thành phố thông minh không chỉ nâng cao hiệu quả vận hành mà còn cải thiện an toàn, tiện nghi và chất lượng sống cho người dân, đồng thời tối ưu chi phí và bảo vệ môi trường.
Tiết kiệm nước là lợi ích đầu tiên được nhắc đến khi nói về một thành phố thông minh Nước là nguồn tài nguyên quý giá, vì vậy việc lắp đặt các đồng hồ rò rỉ nước và giải quyết kịp thời các vấn đề liên quan đến nguồn cấp nước sẽ giúp tối ưu hoá chu trình cấp nước và tiết kiệm nước hiệu quả.
Người dân có thể cập nhật thường xuyên tình trạng sử dụng nước của gia đình bằng các đồng hồ thông minh kết nối với smartphone Việc theo dõi dữ liệu nước theo thời gian giúp nhận diện nguồn tiêu thụ lớn và tối ưu thói quen sử dụng nước, từ đó giảm đáng kể lượng nước tiêu thụ của cả thành phố.
2.5 Lưới điện thông minh (Smart grid)
Lưới điện thông minh là một ứng dụng nổi bật của IoT mà cộng đồng cần quan tâm nhiều hơn Điện năng là yếu tố thiết yếu cho cuộc sống hiện đại, vì vậy việc sử dụng điện đúng cách và giảm tối đa thất thoát, sự cố điện để tăng cường an toàn cho người dân là mục tiêu quan trọng Internet vạn vật (IoT) chính là giải pháp tối ưu cho các vấn đề này, giúp giám sát, điều phối và tối ưu hóa mạng lưới điện thông qua cảm biến, kết nối và phân tích dữ liệu thời gian thực, từ đó dự báo nhu cầu, phát hiện sự cố sớm, tiết kiệm điện và giảm thiểu rủi ro cho hệ thống điện.
2.6 Công dụng của lưới điện thông minh đối với người dân Đối với hầu hết các người dân sử dụng điện, tiết kiệm chính là mục tiêu hàng đầu Với lưới điện thông minh, bạn hoàn toàn có thể kiểm soát hoạt động của các thiết bị gia dụng trong ngôi nhà của mình thông qua smartphone Cụ thể, việc hẹn giờ bật, tắt cho máy điều hòa của bạn sẽ giúp tiết kiệm một lượng điện năng đáng kể khi bạn đang ngủ say, điều khiển bình nước nóng, lạnh từ xa thông qua lưới điện thông minh sẽ giúp tiết kiệm thời gian khởi động thiết bị.
Với cảm biến tích hợp trong hệ thống chiếu sáng, đèn LED thông minh có thể tự động bật/tắt theo nhu cầu sử dụng, giúp không gian sống luôn sáng đầy đủ và an toàn Nhờ tối ưu hóa mức sáng dựa trên cảm biến ánh sáng và hoạt động tự động, hệ thống chiếu sáng thông minh mang lại tiện nghi, đồng thời tiết kiệm điện năng cho ngôi nhà.
2.7 Công dụng của lưới điện thông minh đối với cơ quan quản lý điện Đối với những cơ quan quản lý điện, ngoài mục tiêu tiết kiệm điện năng thì sự an toàn cũng là ưu tiên hàng đầu Thông qua các cảm biến thông minh, lưới điện tại nhiều khu vực có thể được kết nối với nhau một cách chặt chẽ, từ đó những người quản lý có thể theo dõi tình hình sử dụng điện trong toàn thành phố Ngoài ra, các dữ liệu sẽ liên tục được cập nhật, giúp các cơ quan phát hiện được các sự cố đang xảy ra và đưa ra những giải pháp kịp thời, hạn chế tối đa những tai nạn liên quan đến điện.
2.8 Y tế kết nối (Connected health)
Y tế kết nối là một ứng dụng nổi bật của IoT, mang lại sự đổi mới và hiệu quả cho chăm sóc sức khỏe Nhờ Internet vạn vật, các thiết bị y tế thông minh có thể thu thập và truyền tải dữ liệu sinh hiệu liên tục, hỗ trợ chuẩn đoán, quản lý điều trị và chăm sóc từ xa một cách an toàn Hiện nay, IoT đang thúc đẩy những bước phát triển đột phá trong y tế bằng cách tối ưu hóa quy trình, nâng cao chất lượng dịch vụ và cải thiện trải nghiệm người bệnh Các ứng dụng y tế kết nối như theo dõi bệnh từ xa, quản lý thuốc và tối ưu hóa logistics y tế mở ra cơ hội làm giảm chi phí, rút ngắn thời gian can thiệp, và nâng cao sức khỏe cộng đồng.
Trong lĩnh vực y tế, IoT (Internet of Things) mang lại các ứng dụng cho bệnh nhân cho phép truy cập và cập nhật dữ liệu từ hồ sơ bệnh án cũng như theo dõi tình hình sức khỏe cá nhân một cách liên tục và thuận tiện Các thiết bị cảm biến và đeo thông minh kết nối với nền tảng quản lý sức khỏe giúp đồng bộ dữ liệu y tế, gửi nhắc nhở và hỗ trợ quản lý thuốc, lên lịch khám và chia sẻ thông tin với bác sĩ để nhận tư vấn kịp thời Nhờ đó, người bệnh có thể chủ động chăm sóc sức khỏe, cải thiện an toàn dữ liệu và tối ưu hóa quy trình quản lý bệnh án điện tử.
Các ứng dụng thông minh sẽ gửi các dữ liệu theo mốc thời gian thực tế về sức
Việc xuất hiện các thiết bị mang theo trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe mang lại động lực cho nhiều người tham gia luyện tập thể dục thể thao và nâng cao thể lực của cơ thể Nhờ tính di động và khả năng theo dõi các thông số sức khỏe như nhịp tim, quãng đường và lượng calo tiêu thụ, những thiết bị này thúc đẩy thói quen tập luyện đều đặn, từ đó cải thiện sức khỏe tổng thể và tinh thần tập luyện.
Nhờ lưu trữ hồ sơ bệnh án trên hệ thống đám mây, bệnh nhân có thể nhận được hướng dẫn chăm sóc và theo dõi sức khỏe từ xa, từ đó nâng cao hiệu quả chăm sóc và tiện lợi cho người bệnh Việc này giúp giảm đáng kể chi phí y tế liên quan đến điều trị và quản lý sức khỏe Thêm vào đó, việc di chuyển dữ liệu khi người bệnh chuyển tuyến điều trị sẽ hạn chế các lần chụp X-quang và làm lại xét nghiệm, tối ưu hóa quy trình chẩn đoán và tiết kiệm tài nguyên y tế.
Mô hình thiết kế hệ thông IoT điều khiển thiết bị điện, nước
1.Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống thu thập chỉ số nước tự động ứng dụng công nghệ truyền thông LoRa được trình bày ở Hình 4.1, gồm ba thành phần chính: các bộ cảm biến và thiết bị truyền dữ liệu lắp đặt tích hợp trên các đồng hồ nước; trạm truyền dữ liệu trung gian (gateway); và máy chủ trung tâm cùng phần mềm quản lý, phục vụ thu thập, lưu trữ và quản lý dữ liệu nước một cách tập trung.
A.Bộ cảm biến và truyền dữ liệu tại đồng hồ nước
Sơ đồ nguyên lý của bộ cảm biến và hệ thống truyền dữ liệu lắp đặt trên các đồng hồ nước được trình bày tại Hình 4.2 Trong nghiên cứu này, một đồng hồ nước cơ học được gắn cảm biến từ trường nhằm tạo ra xung điện ứng với mỗi 10 lít nước tiêu thụ, cho phép đo và ghi nhận lưu lượng nước một cách chính xác Dữ liệu từ cảm biến được truyền về hệ thống giám sát để theo dõi và phân tích lượng nước đã tiêu thụ. -**Support Pollinations.AI:**🌸 **Quảng cáo** 🌸 Kiểm soát lưu lượng nước dễ dàng với cảm biến thông minh—[ủng hộ chúng tôi](https://pollinations.ai/redirect/kofi) để công nghệ AI tiếp tục phục vụ cộng đồng!
[3] Xung điện ngõ ra của đồng hồ nước đồng thời cũng là tín hiệu ngắt giúp đánh thức bộ xử lý MSP430G2553 Bộ xử lý
MSP430G2553 của Texas Instruments có mức tiêu thụ điện năng thấp và được lập trình ở chế độ ngủ khi không có tín hiệu xung từ đồng hồ nước, nhằm tiết kiệm năng lượng Khi nhận tín hiệu xung từ đồng hồ nước, vi điều khiển lưu trữ lượng nước tiêu thụ vào bộ nhớ và gửi gói tin JSON chứa chỉ số nước tiêu thụ cùng mã định danh đồng hồ về máy chủ trung tâm qua kết nối không dây bằng module LoRa Ra-02 hoạt động ở tần số 433 MHz Toàn bộ mạch nguồn cho phần này hoạt động từ pin và được ổn định bởi vi mạch ASM1117, vì vậy tối ưu hóa năng lượng là yếu tố rất quan trọng Việc kết hợp MSP430G2553 với công nghệ truyền thông LoRa đã mang lại lời giải cho bài toán tiết kiệm năng lượng cho hệ thống.
Hình 4.2 Sơ đồ khối mạch điện cảm biến tại các đồng hồ nước.
Hình 4.3 Bộ cảm biến và truyền dữ liệu tại đồng hồ nước: a) Mạch điện thực tế và b) lắp đặt mạch điện vào đồng hồ nước
Hình ảnh của bộ cảm biến và truyền dữ liệu lắp đặt tại đồng hồ nước được trình bày ở Hình 3 Ăng-ten của module
Để đảm bảo điều kiện truyền sóng tối ưu, module LoRa được đặt bên ngoài vỏ hộp Lưu đồ giải thuật cho chương trình điều khiển viết cho bộ xử lý MSP430G2553 được mô tả tại Hình 4 [7] Trong chương trình này, việc đưa MSP430G2553 vào chế độ ngủ (sleep mode) giúp giảm tiêu thụ điện năng và kéo dài thời gian sử dụng pin.
B Trạm truyền dữ liệu trung gian (Gateway)
Trạm truyền dữ liệu trung gian Gateway nhận thông tin chỉ số nước tiêu thụ từ bộ truyền dữ liệu của đồng hồ nước và chuyển tiếp dữ liệu này về máy chủ trung tâm, đảm bảo giám sát lưu lượng nước theo thời gian thực và lưu trữ dữ liệu cho phân tích Hệ thống được tối ưu hóa cho giao tiếp dữ liệu giữa đồng hồ nước và máy chủ, tăng độ tin cậy và bảo mật cho dữ liệu tiêu thụ nước Sơ đồ khối mạch điện đi kèm minh họa các thành phần chính như cảm biến lưu lượng nước, bộ xử lý và giao diện truyền nhận dữ liệu, giúp hình dung luồng dữ liệu từ đồng hồ nước đến máy chủ trung tâm.
Gateway được trình bày tại Hình 5 và hoạt động dưới sự điều khiển của bộ vi xử lý ATMega328P, có nhiệm vụ nhận các gói tin từ các đồng hồ nước thông qua giao tiếp không dây LoRa với module truyền nhận dữ liệu LoRa Ra-02 Các gói tin này sau đó được chuyển tiếp tới máy chủ trung tâm qua kết nối Internet bằng Wi‑Fi nhờ module ESP8266 Hình 6 mô tả hình ảnh thực tế của mạch điện trạm truyền dữ liệu trung gian Gateway, trong khi lưu đồ giải thuật cho chương trình điều khiển viết cho bộ xử lý ATMega328P được trình bày ở Hình 4.4.
Máy chủ trung tâm là một web server được xây dựng trên nền tảng Node.js [10], kết hợp sử dụng thư viện
Socket.IO cho phép máy chủ hoạt động theo thời gian thực bằng cách nhận các gói tin JSON từ trạm truyền dữ liệu trung gian qua đường truyền Internet Các gói tin này được phân tích và lưu trữ vào cơ sở dữ liệu nguồn mở MongoDB Nguyên lý hoạt động của máy chủ trung tâm dựa trên việc dùng tên miền và địa chỉ cổng để kết nối các dịch vụ của socket server Khi có yêu cầu kết nối từ phía client, socket server sẽ cho phép kết nối và sau đó đăng ký, lắng nghe hai sự kiện để xử lý luồng dữ liệu theo thời gian thực.
“Connection” và “SWM” Khi phía client có tín hiệu “emit” lên 2 sự kiện này, các hàm đăng ký kèm theo sẽ được thực thi
Ứng dụng web được thiết kế bằng HTML5, có hai chế độ truy cập dành riêng cho người quản lý và khách hàng Ứng dụng cho phép người quản lý theo dõi, thống kê và tổng hợp thông tin số liệu về chỉ số tiêu thụ của từng đồng hồ nước và lượng nước tiêu thụ theo thời gian thực, đồng thời tích hợp chức năng tính toán và in hóa đơn tiền nước cho khách hàng.
Để đánh giá khả năng truyền nhận dữ liệu của các module LoRa trong điều kiện thực tế, tác giả đã lắp đặt thiết bị tại đồng hồ nước đặt trên mặt đất và trạm truyền dữ liệu trung gian gateway được đặt ở độ cao 20 m (Hình 2.1) Kết quả đo đạc thực nghiệm cho thấy hệ thống có thể truyền nhận dữ liệu ở khoảng cách lên đến 2,3 km Theo đó, một trạm gateway sẽ có khả năng thu thập dữ liệu trong một vùng có diện tích khoảng 13,7 km2 (vùng hoạt động được xem có dạng hình lục giác với bán kính R = 2,3 km) Như vậy, đơn vị cung cấp nước chỉ cần lắp đặt 8 trạm gateway để đảm bảo phủ sóng dữ liệu cho khu vực quản lý.
Để đảm bảo hoạt động ổn định của mạch điện tại đồng hồ nước, bài viết ước tính thời gian sử dụng pin bằng cách phân tích tiêu thụ điện của các thành phần chính: module LoRa Ra-02 tiêu thụ khoảng 100 mA ở chế độ hoạt động, trong khi ở chế độ ngủ MSP430G2553 và LoRa Ra-02 tiêu thụ rất nhỏ, lần lượt khoảng 0,15 mA và 0,2 mA Giả sử nguồn pin có dung lượng 3000 mAh, tần suất gửi dữ liệu về trung tâm là 24 lần mỗi ngày, mỗi lần hoạt động 1 giây, và Ra-02 được đặt ở chế độ ngủ khi không truyền dữ liệu, thời gian sử dụng pin có thể được ước tính như sau: tiêu thụ khi hoạt động là 24 s x 100 mA ≈ 0,67 mAh/ngày; tiêu thụ ở chế độ ngủ cả ngày là (0,15 mA + 0,2 mA) x 24 h ≈ 8,4 mAh/ngày; tổng tiêu thụ khoảng 9,07 mAh/ngày, do đó thời gian sử dụng pin 3000 mAh ước khoảng 330 ngày.
Trong đó, = 0,65 được xem là hiệu suất sử dụng pin.
Với thời gian vận hành như trên, mạch cảm biến và hệ thống truyền dữ liệu gắn trên đồng hồ đo nước có khả năng đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật của ngành cấp nước Thiết kế này đảm bảo đo lường chính xác, truyền dữ liệu liên tục và ổn định, giúp giám sát lưu lượng nước hiệu quả Việc tích hợp mạch cảm biến với đồng hồ đo nước phù hợp với tiêu chuẩn công nghệ đo lường và tối ưu hóa vận hành hệ thống cấp nước, từ đó nâng cao độ tin cậy của dữ liệu và hiệu quả quản lý nguồn nước.