Thu thập chỉ số nước tiêu thụ tự động ứng dụng công nghệ bluetooth beacon

h đã được sử dụng rộng rãi để truyền dữ liệu ở khoảng cách ngắn. Gần đây, sự ra đời của chuẩn Bluetooth 4.0 với những tính năng tiên tiến bao gồm tiêu thụ điện năng thấp và công nghệ phát tín hiệu Beacon cho phép người dùng triển khai các ứng dụng mới như: truyền dữ liệu với điện năng tiêu thụ thấp, kỹ thuật xác định vị trí bằng tín hiệu Beacon Trong bài viết này, tác giả trình bày một giải pháp thu thập chỉ số nước tiêu thụ tự động ứng dụng công nghệ Beacon. Hệ thống gồm có 3 thành phần chính: cảm biến và mô-đun truyền dữ liệu Bluetooth lắp đặt tại các đồng hồ nước, phần mềm cài đặt trên điện thoại thông minh Android và phần mềm xử lý dữ liệu trên máy chủ. Giải pháp đề xuất cho phép thiết bị thu thập chỉ số nước tiêu thụ gắn tại đồng hồ nước có thể hoạt động bằng nguồn pin trong thời gian dài. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để tự động hóa việc ghi nhận chỉ số đồng hồ nước tại các hộ gia đình, khu dân cư và nhà máy. Từ khóa- Android, Beacon, Bluetooth, đồng hồ nước. I. GIỚI THIỆU Công nghệ truyền thông không dây Bluetooth, kể từ khi được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 2002 với tên gọi chính thức IEEE 802.15.1, đã được sử dụng phổ biến để truyền dữ liệu giữa các thiết bị ở khoảng cách ngắn [1]. Cùng với chuẩn truyền thông IEEE 802.11 (Wi-Fi), Bluetooth là chuẩn truyền thông không dây tầm ngắn không thể thiếu trên các thiết bị di động. Gần đây, chuẩn Bluetooth 4.0 (còn gọi là Bluetooth Low Energy/Bluetooth Smart) ra đời với những tính năng tiên tiến hơn so với các phiên bản trước bao gồm: kết nối nhanh hơn, tiêu thụ điện năng thấp hơn và tính bảo mật cao hơn [2]. Đặc biệt, tính năng phát tín hiệu Beacon cho phép người dùng triển khai các ứng dụng mới như: truyền dữ liệu tốc độ cao với điện năng tiêu thụ thấp, xác định vị trí đối tượng dựa trên cường độ sóng vô tuyến RSSI [3]. Tự động hóa việc ghi nhận chỉ số nước tiêu thụ của các hộ gia đình là một trong những chủ đề đang nhận được sự quan tâm của ngành cung cấp nước. Gần đây, đã có một số giải pháp kỹ thuật được đề xuất nhằm giải quyết vấn đề này. Giải pháp ezWater, được Viện công nghệ Thông tin và Truyền thông nghiên cứu và thực hiện, cho phép nhân viên ghi chỉ số nước sử dụng điện thoại thông minh để quét mã QR (dán trên đồng hồ nước) và nhập các thông tin như chỉ số nước tiêu thụ, tình trạng đồng hồ vào phần mềm trên điện thoại, sau đó gửi dữ liệu về hệ thống qua mạng Internet [4]. Tuy nhiên, giải pháp này vẫn cần số lượng nhân công đi thu thập chỉ số nước giống như cách ghi chỉ số nước thủ công. Một giải pháp giúp tự động hóa hoàn toàn việc ghi nhận chỉ số nước tiêu thụ cũng đã được giới thiệu bởi Công ty Rynan Technologies Vietnam. Sản phẩm đồng hồ nước thông minh của công ty này có khả năng truyền dữ liệu chỉ số nước tiêu thụ thông qua mạng điện thoại di động và được cấp điện bằng nguồn năng lượng mặt trời [5]. Giải pháp ghi nhận chỉ số đồng hồ nước ứng dụng công nghệ truyền dữ liệu NB-IoT trên mạng điện thoại di động 4G cũng đã được giới thiệu ở một số quốc gia trên thế giới [6-7]. Mặc dù vậy, các trở ngại về vị trí lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời và việc tốn chi phí duy trì SIM thuê bao mạng di động GPRS/3G/4G khiến cho việc triển khai ứng dụng trong thực tế gặp nhiều khó khăn. Trong bài viết này, tác giả trình bày một giải pháp thu thập chỉ số nước tiêu thụ tự động ứng dụng công nghệ Bluetooth Beacon. Hệ thống gồm có 3 thành phần chính: cảm biến và mô-đun truyền dữ liệu Bluetooth lắp đặt tại các đồng hồ nước, phần mềm cài đặt trên điện thoại thông minh Android và phần mềm xử lý dữ liệu trên máy chủ. Giải pháp đề xuất cho phép thiết bị thu thập chỉ số nước tiêu thụ gắn tại đồng hồ nước có thể hoạt động bằng nguồn pin trong thời gian dài. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để tự động hóa việc ghi nhận chỉ số đồng hồ nước tại các hộ gia đình, giúp đơn vị cấp nước giảm chi phí nhân công và thời gian thu thập - xử lý số liệu. Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: trong phần II, tác giả giới thiệu công nghệ Bluetooth Beacon. Nội dung thiết kế hệ thống được trình bày ở phần III. Phần IV trình bày đánh giá hiệu năng của giải pháp đề xuất. Cuối cùng, tác giả kết luận bài báo trong phần V. II. CÔNG NGHỆ BLUETOOTH BEACON Công nghệ phát tín hiệu Beacon (còn gọi là iBeacon) được hãng Apple phát minh vào năm 2013 dựa trên chuẩn Bluetooth 4.0 [8]. Công nghệ này cho phép các ứng dụng di động dò các tín hiệu Beacon phát ra từ các thiết bị khác trong không gian xung quanh và phản hồi lại chúng. Mỗi thiết bị Bluetooth 4.0 sẽ có một mã định danh duy nhất (Universally Unique IDentifier-UUID) có chiều dài 128 bit. Thông tin UUID cùng với các trường dữ liệu khác được gửi thông qua tín hiệu Beacon có thể được sử dụng để xác định vị trí của thiết bị hoặc phát thông tin quảng bá (advertising) như là một 127 phương thức đơn giản để truyền dữ liệu mà không cần sự kết nối giữa 2 thiết bị [9]. Cấu trúc một gói thông tin quảng bá gồm có 4 thông số chính là UUID, Major, Minor và TX power như mô tả ở Hình 1. Hình 1. Cấu trúc gói thông tin quảng bá [10]. + UUID: thông số này được sử dụng để định danh nhà sản xuất, ứng dụng. Mã định danh này được sử dụng để phân biệt Beacon trong một hệ thống với các Beacon thuộc hệ thống khác. + Major: Thông số này là một chuỗi dữ liệu dài 2 byte dùng để chia nhỏ các nhóm Beacon trong cùng một nhà sản xuất hoặc ứng dụng. + Minor: Thông số này cũng là một chuỗi dài 2 byte dùng để phân biệt các Beacon với nhau. Các Beacon cùng nhóm sẽ có cùng UUUID và Major. + TX Power: Thông số này dùng để tính toán khoảng cách từ người dùng đến các Beacon và được định nghĩa như độ mạnh của tín hiệu mà thiết bị nhận được khi ở cách Beacon 1 m. Trong nghiên cứu này, các thông số Major và Minor được sử dụng để lưu dữ liệu chỉ số nước tiêu thụ, thông số UUID chứa địa chỉ MAC của mô-đun Bluetooth và được dùng như mã định danh của đồng hồ nước. Tín hiệu Beacon có thể được phát với chu kỳ (advertsing interval) từ 20 ms đến 10.24 s, chu kỳ phát càng dài thì thời lượng sử dụng pin càng lâu. Chu kỳ phát quảng bá càng dài cho phép chế độ ngủ càng lâu nhưng sẽ làm tăng thời gian quét – nhận tín hiệu Beacon của thiết bị thu. Biểu đồ thời gian phát tín hiệu Beacon của mô-đun thu/phát Bluetooth 4.0 được mô tả ở Hình 2. Hình 2. Biểu đồ thời gian phát tín hiệu quảng bá [11]. III. THIẾT KẾ HỆ THỐNG Sơ đồ khối của hệ thống thu thập chỉ số nước tự động ứng dụng công nghệ truyền thông Bluetooth Beacon được trình bày ở Hình 3. Hệ thống bao gồm 3 phần chính: mạch cảm biến đo lưu lượng nước và mô-đun phát tín hiệu Beacon lắp đặt tích hợp vào các đồng hồ nước, phần mềm (App) thu thập dữ liệu cài đặt trên điện thoại Android và phầm mềm xử lý dữ liệu tại máy chủ. Nguyên lý hoạt động của hệ thống được mô tả như sau: 1. Nhân viên ghi chỉ số nước mang theo điện thoại thông minh (đã được cài đặt App thu thập dư liệu) di chuyển bằng xe máy trên tuyến đường cần thu thập chỉ số nước tiêu thụ. 2. Phần mềm App trên điện thoại sẽ kiểm tra số lượng Beacon cần quét (và cũng là số lượng đồng hồ nước) trong khu vực dựa trên cơ sở dữ liệu đã có sẵn. 3. App trên điện thoại sẽ quét tất cả các tín hiệu Beacon hiện hữu trong phạm vi thu sóng Bluetooth của thiết bị. 4. Sau khi hoàn tất quá trình thu thập chỉ số nước tiêu thụ, nhân viên tiến hành xuất file dữ liệu. Tiếp theo, phần mềm App sẽ tự động gửi file dữ liệu đến server thông qua địa chỉ e- mail đã được cài đặt sẵn trên App. Hình 3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thu thập chỉ số nước tự động. A. Mạch cảm biến đo lưu tốc và mô-đun phát tín hiệu Beacon tại đồng hồ nước Đồng hồ nước + cảm biến lưu lượng nước Bộ vi xử lý MSP430G2553 Mô-đun phát tín hiệu Beacon USR-BLE101 Nguồn pin 3.7V Hình 4. Sơ đồ khối mạch điện lắp đặt tại đồng hồ nước. Sơ đồ nguyên lý bộ cảm biến và phát tín hiệu Bluetooth Beacon lắp đặt tại các đồng hồ nước được thể hiện ở Hình 4. Trong nghiên cứu này, một đồng hồ nước cơ học được gắn cảm biến từ trường để tạo ra một xung điện ứng với mỗi 10 lít nước tiêu thụ [12]. 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 hãng Texas Instruments [13] có mức tiêu thụ điện năng thấp và được lập trình để hoạt động ở chế độ ngủ (sleep mode) khi không có tín hiệu xung điện từ đồng hồ nước nhằm tiết kiệm năng lượng. Khi nhận được tín hiệu xung điện từ cảm biến, bộ vi điều khiển thực hiện lưu thông tin lượng nước tiêu thụ vào bộ nhớ đồng thời gửi thông tin chỉ số nước tiêu thụ và mã định danh đồng hồ nước đến mô- đun USR-BLE101 phát tín hiệu Beacon [14]. Toàn bộ mạch điện của phần này hoạt động dựa trên năng lượng cung cấp bởi nguồn pin nên vấn đề tiết kiệm năng lượng là rất quan trọng. Việc chọn sử dụng bộ vi xử lý MSP430G2553 cùng công nghệ 128 Bluetooth Beacon đã giúp giải quyết được vấn đề năng lượng ở phần này. Hình ảnh của bộ cảm biến lưu lượng nước và mạch phát tín hiệu Beacon lắp đặt tại đồng hồ nước được trình bày ở Hình 5. Bộ vi xử lý MSP430G2553, mô-đun USR-BLE101 và nguồn pin được đặt trong một hộp nhựa kín bố trí bên cạnh đồng hồ nước. Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển viết cho bộ vi xử lý MSP430G2553 được mô tả ở Hình 6. Khi nhận tín hiệu xung điện từ đồng hồ nước, bộ vi điều khiển thực hiện tăng bộ đếm xung lên 1 đơn vị. Khi có đủ 10 xung đơn vị, chương trình sẽ cập nhật chỉ số nước tiêu thụ vào thông số Major, Minor của tín hiệu Beacon, lưu giá trị vào bộ nhớ và sau đó chuyển sang chế độ ngủ.Trong chương trình này, việc đặt bộ xử lý MSP430G2553 và mô-đun USR-BLE101 ở chế độ ngủ giúp hệ thống tiết giảm điện năng tiêu thụ nhằm kéo dài thời gian sử dụng pin. Hình 5. Cảm biến đo lưu lượng nước gắn tại đồng hồ (a) và mạch điện phát tín hiệu Beacon (b). B. Phần mềm thu thập chỉ số nước cài đặt trên điện thoại Android Phần mềm thu thập chỉ số nước tiêu thụ cài đặt trên điện thoại Android, được viết bằng ngôn ngữ Java [15], có lưu đồ giải thuật chương trình thu thập dữ liệu chỉ số nước từ tín hiệu Beacon được trình bày ở Hình 7. Sau khi khởi động App, chương trình sẽ thực hiện việc quét tín hiệu Beacon để đọc thông tin địa chỉ MAC của mô-đun USR-BLE101. Các địa chỉ MAC này được sử dụng như mã số định danh của đồng hồ nước. Mỗi lần tìm thấy địa chỉ MAC của một Beacon có trong cơ sở dữ liệu, chương trình sẽ lưu thông tin của Beacon này vào bộ nhớ. Ở lần quét tín hiệu Beacon tiếp theo, nếu địa chỉ MAC đã được ghi nhận thì chương trình sẽ bỏ qua và tiếp tục lần quét tiếp theo để đảm bảo mỗi đồng hồ nước chỉ được lưu thông tin một lần duy nhất. Chương trình sẽ liên tục quét tín hiệu trong khu vực nhân viên thu thập chỉ số nước đi qua và sẽ dừng việc quét tín hiệu Beacon khi số lượng địa chỉ MAC đã quét được bằng với số lượng địa chỉ MAC được lưu trong file cơ sở dữ liệu. Giao diện App quét tín hiệu Beacon được trình bày ở Hình 8. Sau khi hoàn tất công việc thu thập chỉ số nước của các hộ gia đình, nhân viên có thể xuất dữ liệu ra file Excel sử dụng tính năng trên thanh Menu, tên file được đặt dựa theo ngày thực hiện công việc. Ngay sau đó, hệ thống sẽ tự động gửi file dữ liệu này đến địa chỉ e-mail của bộ phận quản lý. Hệ điều hành Android cài đặt trên điện thoại thông minh được yêu cầu có phiên bản từ 6.0 trở lên. Hình 6. Lưu đồ giải thuật giao tiếp bộ cảm biến và phát tín hiệu Beacon tại đồng hồ nước. C. Phần mềm xử lý dữ liệu tại máy chủ Sau khi nhận được e-mail do App quét tín hiệu Beacon gửi về, nhân viên quản lý tải file thông tin về máy chủ và bắt đầu xử lý dữ liệu bằng việc mở chương trình xử lý dữ liệu chỉ số nước tiêu thụ với giao diện phần mềm được mô tả ở Hình 9. Nhân viên quản lý cần phải xác thực bằng username và mật khẩu trước khi thao tác trên phần mềm để đảm bảo tính bảo mật. Người quản lý sẽ cần chọn file Excel chứa dữ liệu chỉ số nước tiêu thụ tháng trước của các hộ gia đình và file dữ liệu mới của tháng hiện tại. Sau khi đã thực hiện bước trên người sử dụng click vào nút “Xuất File Dữ Liệu Tổng Hợp” trên giao diện để tạo file dữ liệu tổng hợp chỉ số nước tiêu thụ cho tháng hiện tại (Hình 10). a) b) 129 Hình 7. Lưu đồ giải thuật chương trình thu thập dữ liệu Beacon trên điện thoại thông minh. Hình 8. Giao diện phần mềm quét tín hiệu Bluetooth Beacon. Hình 9. Giao diện chương trình xử lý dữ liệu chỉ số nước tiêu thụ tại máy chủ. Hình 10. Giao diện file dữ liệu tổng hợp chỉ số nước tiêu thụ của các hộ. IV. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA GIẢI PHÁP Để đánh giá khả năng truyền – nhận thông tin giữa mô-đun USR-BLE101 và điện thoại thông minh trong điều kiện thực tế, tác giả đã tiến hành lắp đặt thiết bị tại đồng hồ nước đặt trên mặt đất, khoảng cách từ tâm đường lộ đến đồng hồ nước là 20m. Kết quả thực nghiệm cho thấy điện thoại có thể quét sóng Beacon ở khoảng cách tối đa từ 20m đến 30m tùy thuộc vào điều kiện môi trường, địa hình và độ nhạy của thiết bị Bluetooth trên điện thoại. Theo đó, trong thực tế, nhân viên ghi chỉ số nước, mang theo điện thoại với App thu thập chỉ số nước, di chuyển trên đường với vận tốc khoảng 20Km/h sẽ có thể hoàn thành việc ghi nhận chỉ số nước tiêu thụ của các hộ gia đình dọc theo một con đường trong khoảng thời gian vài phút (Hình 11). Hình 11. Minh họa công việc thu thập chỉ số nước bằng công nghệ Bluetooth Beacon. 130 Để đảm bảo mạch điện đồng hồ nước có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài, tác giả đã thực hiện ước tính thời gian sử dụng pin của mạch điện lắp đặt tại đồng hồ nước. Ở chế độ ngủ (sleep mode), dòng điện tiêu thụ trung bình của vi mạch MSP430G2553 là 0.5 µA. Bộ phận tiêu thụ điện năng chính trong mạch điện là mô-đun Bluetooth với dòng điện tiêu thụ trung bình là 0.29 mA ở chế độ quảng bá (broadcast) kết hợp với ngủ sâu (deep sleep), chu kỳ phát quảng bá 100ms [16]. Giá trị dòng điện tiêu thụ này có thể được điều chỉnh tùy theo công suất phát sóng RF và khoảng thời gian phát quảng bá (advertising interval) [17]. Với chu kỳ phát quảng bá là 250 ms, dòng điện tiêu thụ trung bình vào khoảng 0.22 mA, pin sử dụng có dung lượng 10.000 mAh, thời gian sử dụng pin có thể được ước tính như sau: T = 10000 mAh *  / (0.22mA *24h) ≈ 1515 ngày ≈ 4.15 năm Trong đó,  = 0.8 là hiệu suất sử dụng pin. Với thời gian hoạt động như trên, mạch điện gắn tại đồng hồ nước có thể đáp ứng được các yêu cầu về mặt kỹ thuật của ngành cung cấp nước. Bảng 1 trình bày các lợi ích mà hệ thống thu thập chỉ số nước tự động sử dụng công nghệ truyền thông Bluetooth Beacon mang lại so với phương pháp thu thập chỉ số nước bằng nhân công. Bảng 1. So sánh hệ thống thu thập chỉ số nước tự động và phương pháp nhân công Thu thập chỉ số nước bằng nhân công Thu thập chỉ số nước tự động bằng công nghệ Bluetooth - Có thể có sai sót trong quá trình ghi nhận chỉ số nước tiêu thụ. - Tránh được sai sót trong việc ghi nhận chỉ số tiêu thụ. - Tốn nhiều chi phí nhân công và thời gian cho việc thu thập chỉ số nước. - Giảm số lượng nhân công, tiết kiệm được chi phí và thời gian. - Không thể thu thập chỉ số nước tiêu thụ của một khu vực nào đó trong thời gian ngắn. - Có thể thực hiện khảo sát nhanh lượng nước tiêu thụ của một khu vực nào đó trong thời gian ngắn. Bên cạnh đó, so sánh với giải pháp sử dụng mạng điện thoại di động để truyền dữ liệu, giải pháp công nghệ truyền thông Bluetooth Beacon không tốn chi phí thuê bao thẻ SIM cho các đồng hồ nước. Đây có thể được xem là một giải pháp có tính khả thi để thu thập chỉ số nước tiêu thụ tự động cũng như triển khai ứng dụng cho các mục đích tương tự trong thực tiễn. V. KẾT LUẬN Nội dung bài viết đã trình bày việc thiết kế và thi công một giải pháp thu thập chỉ số nước tự động sử dụng công nghệ truyền thông Bluetooth Beacon. Giải pháp được xây dựng dựa trên cơ sở khai thác tính năng phát tín hiệu Beacon của chuẩn truyền thông Bluetooth để truyền dữ liệu chỉ số nước ở khoảng cách gần. Với cấu tạo phần cứng và cơ chế hoạt động được thiết kế theo hướng công suất tiêu thụ điện năng thấp và chi phí đầu tư thấp, nghiên cứu này đã mang đến một giải pháp khả thi để tự động hóa việc ghi nhận chỉ số đồng hồ nước tại các hộ gia đình, khu dân cư và nhà máy. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] IEEE 802.15 WPAN Task Group 1 (TG1). URL: truy cập ngày 28/9/2019. [2] Bluetooth Low Energy. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_Low_Energy, truy cập ngày 28/9/2019. [3] Johan Larsson, “Distance Estimation and Positioning Based on Bluetooth Low Energy Technology”, Master’s Thesis, KTH Royal Institute of Technology, 2015. URL: portal.org/smash/get/diva2:859549/FULLTEXT01.pdf, truy cập ngày 28/9/2019. [4] ezWATER - giải pháp nâng cao tính tự động trong nghiệp vụ ghi chỉ số đồng hồ nước. URL: dung/ezWATER-giai-phap-nang-cao-tinh-tu-dong-trong-nghiep-vu- ghi-chi-so-dong-ho-nuoc.html, truy cập ngày 28/9/2019. [5] Đồng hồ nước SWM015B. URL: https://rynan.vn/chi-tiet-san- pham/thiet-bi-thong-minh/dong-ho-nuoc-thong-minh/dong-ho-nuoc- swm015b/DN15, truy cập ngày 28/9/2019. [6] NB-IoT smart water meter-Residential. URL: https://rd- technoton.com/nb-iot-smart-water-meter-residential.html, truy cập ngày 28/9/2019. [7] NB-IoT water meter. URL: https://www.cicicom.gr/pages/nb-iot- water-meter/, truy cập ngày 28/9/2019. [8] iBeacon. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/IBeacon, truy cập ngày 28/9/2019. [9] Bluetooth Low Energy – Networking guide. URL: energy-networking_guide.pdf, truy cập ngày 28/9/2019. [10] Adam Warski, “How do iBeacons work?”. URL: truy cập ngày 28/9/2019. [11] Texas Instruments - Bluetooth low energy Beacons. URL: truy cập ngày 28/9/2019. [12] SH-Meters. URL: https://www.shmeters.com, truy cập ngày 28/9/2019. [13] MSP430G2x53 datasheet. URL: truy cập ngày 28/9/2019. [14] USR-BLE101. URL: https://www.usriot.com/products/bluetooth- serial-module.html, truy cập ngày 28/9/2019. [15] Bluetooth Overview. URL: https://developer.android.com/guide/topics/connectivity/bluetooth, truy cập ngày 28/9/2019. [16] Industrial-grade and low-power BLE module. URL: https://www.usriot.com/download/Ble/WH-BLE103-User-Manual- V1.0.1.pdf, truy cập ngày 28/9/2019. [17] Optimizing Current Consumption in Bluetooth Low Energy Devices. URL: https://bit.ly/2ok5Tht, truy cập ngày 28/9/2019. 131