Từ khóa: Giám sát thu thập chỉ số từ xa; chỉ số tiêu thụ nước; tòa nhà

Giới thiệu

Hệ thống thu thập chỉ số tiêu thụ nước từ xa là hệ thống kết nối với thiết bị đo đếm chỉ số tiêu thụ nước tại các hộ tiêu thụ gia đình thông qua mạng truyền dẫn 3G/4G hoặc internet cáp quang để giám sát và thu thập bằng giao diện từ xa mà không cần phải đến tận các hộ tiêu thụ để đọc số liệu. 

Hệ thống này có chức năng và nhiệm vụ chính như sau: Thu thập chỉ số tiêu thụ của các hộ gia đình theo thời gian thực; có thể tự động lưu lại lịch sử sử dụng nước của các hộ tiêu thụ, tự động tổng hợp lũy kế chỉ số tiêu thụ nước của các hộ gia đình theo thời gian; có thể tự động thông báo chỉ số tiêu thụ nước, số tiền phải thanh toán hàng tháng tới các hộ tiêu thụ. Có thể kết hợp với hệ thống quản lý hóa đơn sẵn có; có thể giúp các công ty nước giám sát lượng nước thất thoát, phát hiện rò rỉ, tiết kiệm về mặt thời gian, nhân sự và tối ưu chi phí vận hành; các hộ tiêu thụ có thể tự mình theo dõi chỉ số tiêu thụ nước thông qua các ứng dụng do các công ty cung cấp nước cung cấp thông qua nền tảng internet bằng giao diện web.

Hình 1. Cấu trúc của hệ thống giám sát, thu thập chỉ số nước từ xa

Cấu trúc của hệ thống giám sát, thu thập chỉ số tiêu thụ nước từ xa bao gồm các thành phần chính sau: Thiết bị đo đếm là các đồng hồ đo nước được đặt tại các hộ gia đình với nhiệm vụ là ghi lại chỉ số tiêu thụ nước của các hộ gia đình và gửi thông tin đến trung tâm giám sát thu thập từ xa; phần tử truyền dẫn dùng để truyền dữ liệu từ đồng hồ đo nước đến trung tâm giám sát thu thập từ xa, nó bao gồm đường truyền và các thiết bị được lắp đặt ở cả phía đầu các hộ tiêu thụ nước và phía trung tâm giám sát thu thập dữ liệu; Trung tâm giám sát thu thập dữ liệu từ xa sẽ được đặt ở công ty cung cấp nước. Tại trung tâm này sẽ được trang bị các máy tính có cài đặt các phần mềm để đọc chỉ số từ các đồng hồ đo nước gửi về đồng thời tính toán, thống kê mức nước tiêu thụ theo thời gian.

Giải pháp giám sát thu thập chỉ số tiêu thụ nước từ xa

Dựa trên cấu trúc của hệ thống, bài báo đưa ra mô hình cụ thể hệ thống giám sát thu thập chỉ số tiêu thụ nước từ xa như sau:

Hình 2.1. Mô hình của hệ thống giám sát thu thập chỉ số tiêu thụ nước từ xa

Theo mô hình này thì sẽ có các thiết bị chính sau: Đồng hồ đo nước; thiết bị tập trung tín hiệu Gateway/Concentrator; thiết bị router/modem; máy tính thu thập dữ liệu từ xa.

Đồng hồ đo nước 

Đồng hồ đo nước là thiết bị dùng để thu thập dữ liệu về chỉ số tiêu thụ nước của các hộ gia đình. Để có thể tích hợp vào hệ thống giám sát chỉ số tiêu thụ từ xa, thì các đồng hồ đo nước sử dụng loại điện tử. Ngoài tính năng cơ bản là đo đếm thì mỗi đồng hồ (công tơ) nước dạng điện tử được tích hợp khả năng truyền dữ liệu không dây, giám sát áp lực và lưu lượng nước. 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,…

Đồng hồ đo lưu lượng nước điện tử sử dụng nguyên lý từ trường để đo lưu lượng dòng chảy. Phía bên trong thân đồng hồ có cuộn dây điện từ tạo ra từ trường và điện cực. Khi dòng môi chất đi qua thì từ trường bên trong sẽ sinh ra suất điện động cảm ứng. Do đó, môi chất đi qua từ trường thì hai đầu điện cực sẽ sinh ra nguồn điện động cảm ứng và suất điện động cảm ứng này sẽ tỉ lệ với vận tốc lưu lượng chảy qua đồng hồ.

Hình 2.2. Cấu tạo đồng hồ đo nước điện tử

Đồng hồ điện tử cấu tạo gồm có những bộ phận quan trọng khác như bộ đo đếm, bảng mạch điện tử, bộ chuyển đổi tín hiệu, module truyền thông có nhiều giao diện truyền thông khác nhau. Hiện tại với các chuẩn kết nối phổ biến nhất hiện nay gồm loại có dây giao thức Modbus RTU, M-Bus và loại không dây với giao thức LoRaWAN, Zigbee,… Đối với loại đồng hồ điện tử không có sẵn giao diện truyền thông không dây thì người dùng có thể lắp thêm module truyền thông không dây để kết nối với Gateway/ Concentrator bằng giao thức không dây.

Thiết bị tập trung tín hiệu Gateway/Concentrator

Thiết bị tập trung Gateway/Concentrator là thiết bị kết nối với nhiều đồng hồ đo nước (cụm đồng hồ đo nước) rồi chuyển tiếp dữ liệu thu thập được từ các đồng hồ này tới máy tính thu thập dữ liệu từ xa bằng đường truyền tín hiệu.

Việc kết nối giữa Gateway/Concentrator và các đồng hồ có thể thực hiện bằng dây nối theo kiểu M-Bus hoặc bằng sóng không dây theo giao thức LoRa, Zigbee hoặc các giao thức thông dụng khác. 

Thông thường giao thức LoRa hay được sử dụng đối với việc kết nối không dây giữa đồng hồ nước và Gateway/Concentrator nên được gọi là LoRa Gateway/Concentrator. Tùy theo thông số của từng nhà sản xuất, mỗi một bộ Lora Gateway/Concentrator có thể kết nối được với nhiều đồng hồ đo nước.

Hình 2.3. Kết nối không dây giữa đồng hồ và Gateway bằng giao thức không dây LoRa

Các thiết bị PLC hay được sử dụng làm bộ Gateway /concentrator để kết nối bằng dây dẫn dạng M-Bus giao thức Modbus RTU với các thiết bị đồng hồ đo lường

Hình 3. Kết nối bằng dây dẫn giữa đồng hồ điện tử và bộ PLC

Các Gateway/Concentrator được thiết kế, lắp đặt tại vị trí thuận lợi để nhận, tập trung và xử lý dữ liệu từ các đồng hồ mà kết nối với nó rồi gửi về trung tâm thu thập, quản lý dữ liệu từ xa.

Thiết bị router/modem

Thiết bị router/modem là thiết bị tạo kết nối giữa thiết bị gateway/concentrator với đường truyền và giữa đường truyền với trung tâm thu thập, quản lý dữ liệu từ xa.

Thiết bị router/modem có thể là Router/Modem quang nếu sử dụng hạ tầng truyền dẫn là mạng internet cáp quang hoặc có thể là Router/Modem 4G nếu sử dụng hạ tầng là sóng điện thoại di động.

Đường truyền tín hiệu từ các bộ router/modem tới trung tâm thu thập dữ liệu từ xa có thể bằng mạng internet cáp quang hoặc bằng sóng di động 4G.

Hình 4. Kết nối bằng giữa các Gateway/Concentrator với Router/Modem quang

Tùy theo chủng loại thiết bị, vị trí và phạm vi lắp đặt của các bộ Gateway/concentrator, kết nối từ các Gateway/concentrator tới các Router/Modem có thể dùng dây dẫn hoặc mạng không dây wifi.

Máy tính thu thập dữ liệu từ xa

Máy tính thu thập dữ liệu từ xa được đặt ở các trung tâm quản lý của công ty cung cấp nước

Hình 5. Giao diện Web của phần mềm quản lý

Máy tính này sẽ được cài đặt các phần mềm để đọc dữ liệu từ các gateway/concentrator gửi về đồng thời tính toán thống kê theo thời gian thực hoặc theo định kỳ. Phần mềm này cũng sẽ được kết nối với các phần mềm quản lý triển khai thanh toán điện tử, gửi thông báo về mức tiêu thụ nước cho khách hàng. Ngoài ra cũng có thể xây dựng các ứng dụng chạy trên nền tảng Web, mobile giúp khách hàng tra cứu nhanh.

Kết quả ứng dụng giải pháp vào thực tế 

Dựa trên giải pháp đã được trình bày, tác giả đưa ra thiết kế điển hình của hệ thống giám sát, thu thập từ xa chỉ số tiêu thụ nước của các hộ gia đình trong một tòa nhà chung cư gồm 30 tầng mỗi tầng có 15 căn hộ như trình sơ đồ dưới đây.

Hình 6. Sơ đồ nguyên lý hệ thống giám sát, thu thập chỉ số tiêu thụ nước từ xa cho tòa nhà

Mỗi một hộ gia định sẽ được trang bị một đồng hồ đo nước điện tử. Mỗi cụm 2 tầng (cụm 1 gồm tầng 1,2; cụm 2 gồm tầng 3,4;… cụm 15 gồm tầng 29,30) sẽ được lắp đặt một bộ Gateway/Concentrator để kết nối với các đồng hồ của các hộ gia đình thuộc cụm tầng đó bằng giải pháp không dây giao thức LoRa. Giải pháp này giúp việc thi công dễ dàng, các hộ gia đình không phụ thuộc dây nối lẫn nhau.

Tòa nhà sẽ trang bị một router quang dùng để kết nối với các bộ Gateway/Concentrator bằng dây mạng Cat5e và kết nối với trung tâm giám sát thu thập từ xa bằng đường truyền internet cáp quang. Phương pháp này sẽ đảm bảo độ ổn định tín hiệu kết nối. 

Các thiết bị được đề xuất như sau:

Kết luận 

Bài báo đã trình bày giải pháp để thu thập chỉ số nước từ xa bao gồm giới thiệu tổng quan về hệ thống giám sát thu thập chỉ số nước từ xa, cấu trúc, mô hình của hệ thống thu thập chỉ số nước từ xa. Bài báo cũng đề xuất một thiết kế điển hình và các thiết bị đề xuất được sử dụng để có thể xây dựng một hệ thống thu thập chỉ số nước từ xa có thể áp dụng vào thiết kế thực tế cho các tòa nhà mới hiện nay. Đây là một giải pháp mang lại nhiều lợi ích cho các công ty cung cấp nguồn tài nước về mặt nhân công, thời gian, chi phí vận hành, kiểm soát chất lượng nước. Đồng thời, cũng có giá trị về mặt kiểm soát hao phí, thất thoát nguồn tài nguyên nước của con người.

Tài liệu tham khảo

1.    https://vucico.com/giai-phap-dong-ho-nuoc-thong-minh-va-thoi-dai-4-0/, truy cập ngày 20/4/2023;

2.    https://dost.hochiminhcity.gov.vn/hoat-dong-so-khcn/che-tao-thanh-cong-thiet-bi-do-luong-nuoc-thong-minh-tren-nen-tang-dong-ho-co-truyen-thong-tich-hop-quan-ly-tap-trung-iot/, truy cập ngày 20/4/2023;

3.    https://tapchinuoc.vn/sawaco-ung-dung-dong-ho-nuoc-thong-minh-cho-nganh-cap-nuoc-1752295.htm, truy cập ngày 20/4/2023;

4.    Catalogue thiết bị các hãng Woteck, Lotoda, TP-Link, Hioso.

NGUYỄN XUÂN HỒNG¹,*
1 Bộ môn Công nghệ Cơ - điện, Khoa Kỹ thuật hạ tầng & môi trường đô thị
Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 3 năm 2025