Nghiên cứu công nghệ M2M và ứng dụng trong quản lý năng lượng hộ gia đình

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

NGUYÊN ĐÌNH THỊNH

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ M2M VÀ ỨNG DỤNG

CHUYÊNNGÀNH : KY THUẬT VIỄN THONG

MÃ SỐ : 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI- 2015

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, sự bùng né thông tin toàn cầu đi kèm với sự phát triển của các phương

tiện thông tin liên lạc Do đó nhu cầu cập nhật, trao đổi thông tin là không thể thiếu đối với

mỗi người Dé đáp ứng nhu cau đó, hàng loạt hệ thống mạng đã ra đời như LAN, WAN, sau đó là các mạng không dây như hiện nay Với sự xuất hiện các thiết bị hỗ trợ liên lạc vô tuyến như PDA, Pocket PC, Smart phone, mạng không dây cũng không ngừng phát triển Hàng loạt các chuẩn không dây được ra đời, từ các chuẩn thuộc thế hệ 2G, 3G của điện

thoại di động đến các chuẩn IrDA, OpenArr, BlueTooth, và các chuẩn Wireless LAN như

IEEE802.11, HiperLAN Các mạng không dây hiện nay chủ yếu là thiết kế cho truyền thông

giữa người với người (H2H : human to human) với những yêu cầu cao về chất lượng dịch

vụ, độ trễ thiết lập cuộc gọi, khả năng di động, đáp ứng tính năng tương tác cao của con người Bởi vì truyền thông M2M mang đến những yêu cầu rất khác so với truyền thông H2H truyền thống và hiện nay số lượng thiết bị truyền thông M2M càng ngày càng nhiêu,

mạng truy cập không dây chắc chắn sẽ phải được cải tiến dé thích ứng với loại truyền thông mới này Chủ đề truyền thông M2M thu hút được một sự quan tâm hết sức đặc biệt của cộng đồng nghiên cứu và công nghiệp gần đây Nó cũng đã thu hút được sự chú ý của cơ

quan chuẩn hoá 3GPP LTE Mục tiêu của 3GPP LTE là tìm kiếm và xác định những yêu

cầu tiềm năng dé tạo thuận lợi cho truyền thông M2M, và sử dụng hiệu quả hơn các nguồn

tài nguyên vô tuyên và tài nguyên mạng.

Xuất phát từ thực tế, số lượng máy móc cần giám sát, đo đạc và điều khiến từ xa ngày nay lên tới 50 tỷ thiết bị, tốc độ phát triển của các thiết bị máy móc này còn lớn hơn nhiều so với tốc độ phát triển dân số thế giới hiện nay là 7 tỷ người Nó kéo theo nhu cầu giám sát, đo đạc, điều khiển từ xa các thiết bị và trong thời gian tới đây sẽ rất phát triển tại Việt Nam Chính vì thế em đã chọn đề tài: Nghiên cứu công nghệ M2M và ứng dụng trong quản lý năng lượng hộ gia đình.

CHUONG 1 TONG QUAN VE CÔNG NGHỆ M2M

1.1.Các khái niệm về công nghệ M2M

1.1.1.Truyén thông M2M là gì

Nhiều khái niệm về công nghệ M2M nhằm đưa ra một định nghĩa duy nhất, có lẽ cáchkhái

quát nhất được thể hiện trong Hình 1.1.(ban chat của M2M) Vai trò của M2M là thiết lập

các điều kiện cho phép một thiết bị trao đổi thông tin với một ứng dụng kinh doanh thông

qua một mạng giao tiếp thông tin, vì thế thiết bị và ứng dụng đóng vai trò như nền tảng cho

sự trao đồi thông tin này Trong định nghĩa này, mạng giao tiếp đóng vai trò chính: Một ứng

dụng đã được kết hợp với thiết bị rất có thể được xem xét khi có mối quan hệ M2M Đây là lý do tại sao M2M thường là cụm từ được rút gọn của truyền thông M2M, chính là rút gọn

của cụm từ M2(CN2)M: machine-to-(Communication-Network-to-)Machine).

Hình 1.1 Bản chat của M2M

1.1.2 Khái niệm Internet of things (IoT)

Cum từ “Mang kết nối mọi vat — IoT” bắt đầu xuất hiện vào năm 1999 do Kevin

Ashton - trung tâm MIT Auto-ID định nghĩa, IoT dùng dé chỉ một mạng lướinhữngsự vật có

thê được nhận biệt, hoặc sự tôn tại của sự vậtđược kêt nôi theo một mạng internet có câu

trúc bao gôm tât cả mọi thứ trên thê giới, sử dụng các công nghệ có liên quan như công

nghệ RFID,công nghệ cảm biến nhằm nhận biết và chia sẻ thông tin tự động.

1.2.Lịch sử và sự phát triển của công nghệ M2M

Năm 1980 hệ thống SCADA viết tắt của cụm từ Supervisory Control And Data

Acquisition (Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu) đã được phát triển, và được phát triển từ những năm 1980 được coi là hệ thống M2M đầu tiên trên thế giới.

Công nghệ M2M đã được triên khai gần một thập kỷ ké từ khi ý tưởng mở rộng phạm

vi của các đơn vị kết nối với mạng (không dây, có dây) và tiện ích truyền thông ưa thích của

con người đã nổi lên xung quanh những khái niệm về "Internet of Things" (IoT), "Internet

của các đối tượng” hoặc M2M.

Vào năm 1982 một máy bán Coke tại khoa máy tính của Đại học Carnegie-Mellon,

hay còn được gọi là máy Internet Coke cũng được coi là một ứng dụng của công nghệM2M.

1.3.Mô hình kiến trúc của M2M 1.3.1 Mô hình nền M2M

Gồm 3 loại:

Mô hình loại 1: được chia làm 2 mô hình chính: B2C và C2C( Business to Customer

and Customer to Customer)

Quản lý thiết bị Mô hình kinh doanh

Nhà cung cấp | ISP \) Người sử

nên tang

RESTful RESTful

Hinh 1.6.M6 hinh M2M loai 1

Mô hình loại 2

Thiết bị

Hình 1.7 Mô hình M2M loại 2

Mô hình loại 3

1.3.2.Kiến trúc truyền thông M2M

CHƯƠNG 2.ỨNG DỤNG DỊCH VỤ DI ĐỘNG TRONG CÔNG

NGHỆ M2M

2.1.Phân loại ứng dụng và lưu lượng mạng M2M 2.1.1 Ứng dụng của công nghệ M2M

Các ứng dụng điền hình của công nghệ M2M được ké đến như:

® Dich vụ đọc và thông báo các dữ liệu điện, nước

e Dich vụ quan lý đội xe

e Ứng dụng mới bên cạnh Điểm bán hàng điện tử dành cho giao dịch bang thẻ có thể mở rộng đến những ứng dụng như: xổ sé, taxi, giao hàng bằng xe tải, bệnh viện, trường học, chính phủ đối với dữ liệu công dân & thanh toán phí hoặc thuế

e Hệ thống giao thông thông minh

© Mạng lưới phân phối điện (smart grid) e Hé thống thu phí cầu đường tự động.

e Hé thống giám sát, báo động trộm, cháy, thâm nhập trong các tòa nhà, trụ sở, công

© Các dự án liên quan đến e-health

® Ung dụng vào sản phẩm "Nha thông minh

®_ Ngoài ra, các thiết bị giám sát, ứng dụng quản lý thông minh dành cho điện, khí đốt và nước sẽ là hệ thống mạng lưới thông minh tương lai đầy hứa hen của M2M

e _ Nông nghiệp thông minh là một lĩnh vực đang phát triển

2.1.2 Đặc trưng lưu lượng mang M2M

Các thiết bị M2M tạo ra những nguồn lưu lượng khác nhau, theo định kỳ, theo từng sự kiện xảy ra, nguồn đa phương tiện trực tuyến tùy theo các ứng dụng riêng Nguồn khác nhau đó được tạo ra từ một số lượng lớn các nodes, thời gian thu thập khác nhau, những

thông tin phát sinh Dữ liệu lớn được tạo ra do đó phải thu thập đữ liệu lớn và phức tạp dễ

gây tắc nghẽn mạng, vì vậy lưu lượng M2M phải xử lý rất khó khăn để bảo đảm QoS cũng

như các yêu câu khác.

Server Server ServerNetwork Network Network

device device device

Hình 2.2 Nền tang mở của M2M

2.2.1.Các nền tảng mạng M2M hiện tại

Hiện tại nền tảng M2M được chia làm 3 loại:

¢ Commercial M2M Platforms: Cung cấp các dich vụ M2M.

® M2M hardware platform: Cung cấp các thiết bị M2M.

¢ Research Architecture and function M2M: Nghiên cứu các kiến trúc và chức năng 2.2.2 Nền tảng dịch vụ M2M

Nền tang dịch vụ M2M: Bao gồm các công cụ dé thu thập và xử lý thông tin, lưu trữ dữ liệu và các công cụ quản lý, khai thác thiết bị Cung cấp giao diện hiển thị những thông tin liên quan đến thiết bị.

2.3.Trién khai công nghệ và các tiêu chuẩn

2.3.1.Định danh và địa chỉ cho các thiết bị

Với sự phát triển nhanh của các dịch vụ M2M, với một số lượng lớn các thiết bị, dữ

liệu sẽ được tạo ra rất lớn và việc phân biệt chúng rất khó khăn Do đó các thiết bị cần được

xác định là duy nhất và được đánh địa chỉ Tắt cả các thiết bị và các vùng mạng M2M cần phải hoạt động được trong mạng core IP hiện nay Việc định danh và nhận dạng cần phải xử

lý được các vân đê sau:

® Uniqueness ( Duy nhất) : Mỗi đối tượng phải có định danh là duy nhất.

®_ Consistency (Nhat quán) : Định danh phải có ý nghĩa ở mọi nơi.

e Persistency (Bén bi) : Thoi gian tồn tại của một định danh phải dài hơn thời gian hoạt động của đối tượng đó.

® Scalability (Mo rộng ) : Định danh có thé được mở rộng.

2.3.2 Truyền thông và giao thức mạng

s* Gom có 2 kiêu truyền thông:

¢ Cellular M2M: Truyền thông dựa trên các mạng di động.

¢ Capillary M2M: Truyền thông bằng những cơ sở hệ thống cơ bản ví dụ như wireless ad-hoc, có chỉ phí thấp sử dụng năng lượng là pin.

s* Giao thức định tuyến chia làm 3 loại:

e Data centric protocol: không đáp ứng các tiêu chuan về dịch vu QoS.

e Hierarchical protocol (phân tang): phù hợp cho các mạng không đồng nhất, được

chia làm các phân tầng và có chức năng khác nhau.

® Location based (địa điểm): giao thức ứng dụng cho từng địa điểm của các node.

2.4 Một số ứng dụng truyền thông cho công nghệ M2M

-M2M tại nhà

-M2M cho thương mại

-M2M trong việc chăm sóc sức khỏe

-M2M ứng dụng trong cơ sở hạ tầng

-M2M trong các tòa nhà

2.5 Một số vấn đề khi phát triển M2M

Sự gia tăng của các thiết bị truyền thông và sự phát triên dẫn đến các hệ thống phức tạp Điều này phải được sử dụng các giao thức phù hợp, giao diện và trung gian, và cũng sẽ được đi kèm với các công cụ để quản lý vòng đời thiết bị, cũng như để xác định và theo dõi chúng trong hệ thống thông tin.

Ngoài ra, việc gia tăng các thiết bị truyền thông sẽ liên quan đến các vấn đề như an ninh, bảo mật, độ tin cậy và chất lượng dịch vụ phải được giải quyết một cách hiệu quả.

Xử lý số liệu: khối lượng dữ liệu được tạo ra bởi máy sẽ tăng với tốc độ hoàn toàn

chưa từng có, kèm theo những hạn chế mới, đặc biệt là xử lý thời gian thực.

Thiếu nền tảng quản lý chung:

Quản lý các giải pháp: để được chấp nhận của khách hàng, chúng ta phải chứng minh khả năng của giải pháp dé cấu hình lại hệ thống dé dàng và cho tương lai, tự động tích hợp thay đổi theo ngữ cảnh trong hoạt động của họ.

Thành phần sản xuất công nghệ cơ bản: mục đích là để đạt được tần số truyền

thông không dây cao hơn như tiêu thụ ít điện năng hơn.

Các mạng máy: ví dụ, sự bắt đối xứng của sự lưu thông trong một mạng lưới cảm biến thông minh vẫn còn đặt ra vấn đề mà chúng ta vẫn chưa hoàn toàn giải quyết

Sự vắng mặt của tiêu chuẩn.

Bảo mật đữ liệu, bảo vệ quyền riêng tư và ảnh hưởng tới sức khỏe con người là

những van dé sẽ gặp phải khi M2M trở nên phổ biến Đối với Internet hiện nay,

van đề quyên riêng tư và bảo mật thông tin, cũng như kiểm duyệt thông tin, vẫn đang đặt ra các bài toán cần giải quyết; với IoT số lượng các bài toán này còn lớn

Thời lượng hoạt động của pin: Cấp nguồn cho các thiết bị trong hệ thống M2M

và mạng kết nối chúng cũng là một trong những vấn đề cần phải giải quyết, đặc biệt là với các thiết bị không được cấp nguồn trực tiếp như đồng hồ đo nước, vật nuôi, cây trồng Việc cấp nguồn cho các thiết bị cảm ứng này sẽ làm gia tăng đáng kể chi phí, kích thước của thiết bị và đôi khi là cần những công nghệ cấp

nguôn mới tôn kém.

CHƯƠNG 3: UNG DỤNG CÔNG NGHỆ M2M TRONG QUAN LÝ NĂNG LƯỢNG HỘ GIA ĐÌNH

3.1 Mô hình nhà thông mỉnh sử dụng công nghệ M2M

Một trong những lĩnh vực công nghệ MM có tiềm năng tăng trưởng mạnh nhất trong thế giới M2M là ứng dụng “nhà thông minh” Trong ngôi nhà thông minh ngày nay, người

dùng đã có thé điều khiển hệ thống âm thanh stereo của mình bằng điện thoại thông minh,

lập trình hệ thống sưởi hoặc điều khiển cửa chớp điện, và có máy giặt có kết nỗi không dây

cho phép điều khiển thông qua một ứng dụng trên điện thoại.

Remote ee ` - bông tắc cham cam ing- Phiết áp cham cảm ting

- Phát hiện chuyển động

- Rem cửa điện

ị & - Biều khiển nóng lạnh

— - Biều khiển led trang trí 16 triệu màu

Camera An ninh

3.2.Quản lý năng lượng tiết kiệm hiệu quả với công nghệ M2M

3.2.1 Mô tả

Mục đích của phần này là giúp người dùng quản lý được năng lượng tiêu thụ trong

gia đình mình Người dùng có thé nắm được năng lượng tiêu thu hàng ngày dé từ đó có cách

điều chỉnh thích hợp thông qua việc điều khiển từ xa các hoạt động của thiết bị tiêu thụ năng lượng trong gia đình Những dịch vụ mới được phát triển từ việc thu thập thông tin dữ liệu và gửi tới thiết bị giám sát.

3.2.2 Nguồn

Có 2 loại nguồn chính trong hộ gia đình

Loại thứ nhất là điện lưới Đặc điểm của điện lưới là công suất ôn định, dung lượng lớn

và có giá thành thay đồi theo thời điểm của ngày.

Loại thứ hai là các loại nguồn tái tạo, bao gồm điện gió, điện mặt trời + Người dùng: Người dùng thiết bị gia đình

+ Nhà khai thác truyền thông: Phụ trách việc truyền thông thông tin thu thập được

thông qua bat kỳ giao thức (vi dụ như Zigbee, PLC, Bluetooth 4.0 ) đến EGW và từ EGW tới hệ thống M2M.

+Công thông tin cung cấp dịch vụ SP: Thu thập và truyền tải an toàn thông tin từ

thiết bi roi hệ thống M2M và nhận lệnh điều khiến của hệ thong M2M.

+ Hệ thống điều hành, cung caaos của các lớp nén tảng dịch vụ: Cung cấp các dịch

vụ, tính năng phô biến cho các ứng dụng mà không phụ thuộc vào mang cơ bản.

+Nhà cung cấp ứng dụng dịch vụ: Cung cấp ứng dụng quản lý năng lượng hộ gia đình cho người dùng thông qua hệ thống M2M.

3.2.4 Luông dữ liệu trao đổi

(device energy consumption, | (device energy consumption aes

or temperature, or or temperature, or P 5.Notification

occupancy ) occupancy ) T———————————®

3b Control ‹_ 3a Control -JB.(oleded) — _ Collected

< {e:g.-switeh-offlight; or - (e.g switch off light, or oration motion

.g switch off light,

9 Control & nan) ỐC

10 Control (e.g switch off light, or PP

<=——(e.g switch off light, or _ appliance)

crreerr=rr==eree alternative

Hình 3.2.Luồng dữ liệu quản lý năng lượng hộ gia đình

3.3 Ứng dụng công nghệ M2M trong quản lý năng lượng hộ gia đình

3.3.1 Hệ thống M2M quản lý điện năng cho tòa nhà

Mô hình hệ thống quản lý điện năng cho tòa nhà được mô tả như Hình 3.3

| 2 aise Mua

Ỹ NÊN.

thông minh Đèn chiếu sáng

Thiết bị

cổng ứng dụng

3.3.2.Các thiết bị sử dụng điện năng

Các thiết bị sử dụng điện năng trong căn hộ hoặc văn phòng có thé phân loại theo các tiêu chí như sau dé tính toán điều khiển quá trình hoạt động.

3.3.2.1.Phân loại theo mức độ tức thòi của công việc

Theo tiêu chí này, một thiết bị có thé có thời hạn hoàn thành cố định mà không có thời

hạn bắt đầu cụ thể

Và một thiết bị cũng có thê hoạt động liên tục, không có thời điểm khởi đầu hoặc kết

thúc tuy nhiên cũng có thể có thời điểm trong đó thiết bị sẽ hoạt động tích cực hoặc và sau

đó chuyền sang trạng thái duy trì và quá trình sẽ được lặp lại liên tục.

Cuối cùng, một thiết bị có thể hoạt động tích cực liên tục trong một khoảng thời gian

nhất định nào đó với công suất không đổi (ví dụ tivi được bật lên dé xem va tat đi) 3.3.2.2.Phân loại theo chế độ hoạt động

Một thiết bị có thể hoạt động theo một trong các chế độ công suất sau: Chế độ 1: hoạt động có trạng thái duy trì

Chế độ 2: chỉ một mức hoạt động tích cực, bao gồm các giá tri công suất tiêu thụ

Bảng 3.1 Phân loại thiêt bị trong gia đình hoặc văn phòng

Thời điểm hoạt động | Các chế độ hoạt động | Loại thiết bị

tích cực

Có thời hạn kết thúc Cao-thap-nghi Nồi cơm điện, bình

nước nóng

Có thời hạn bắt đầu Tắt-bật Tưới vườn

Hoạt động liên tục Cao-thap-nghi Điều hòa, tủ lạnh

3.3.3.Nguôn điện

Đối với hộ gia đình, nguồn cung cấp thường có 2 loại Loại thứ nhất là điện lưới.

Loại thứ hai là các loại nguôn tái tạo, bao gôm điện gió, điện mặt trời.

3.3.4 Một số nguôn năng lượng tái tạo

3.3.4.1 Năng lượng điện mặt trời

a Tiềm năng điện mặt trời

Việt nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở

các vùng miễn trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình

khoảng 5 kWh/m2 Trong khi đó cường độ bức xạ mặt trời lại thấp hon ở các vùng phía

Bắc, ước tính khoảng 4 kWh/m2do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa phùn vào mùa đông và mùa xuân (Tô Quốc Trụ, 2010) Ở Việt nam, bức xạ mặt trời trung bình 150

kcal/m2 chiếm khoảng 2.000 — 5.000 giờ trên năm.

Năng lượng mặt trời ở Việt nam có sẵn quanh năm, khá 6n định và phân bố rộng rãi trên các

vùng miền khác nhau của đất nước Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm Năng lượng mặt trời có thể được khai thác cho

hai nhu cầu sử dụng: sản xuất điện và cung cấp nhiệt

b Các dự án năng lượng điện mặt trời

Một số dự án điện mặt trời đã được lắp đặt tại Việt Nam:

- Dự án điện mặt trời nối lưới đầu tiên ở Việt Nam trên nóc tòa nhà Bộ Công Thương

-Dự án Phát điện hỗn hợp Pin mặt trời- Diesel ở thôn Bãi Hương, Cù Lao Chàm,

Quảng Nam -Trung tâm Hội nghị Quốc gia Mỹ Đình.

-Dàn pin mặt trời tại Trung tâm Y tế Tam Kỳ (Quảng Nam) -Dự án tại Xã Thượng

Trạch, Bồ Trach, Quảng Bình -Dự án do quỹ Suez Foundation tài trợ -Tòa nhà của Tập đoàn Tuấn Ân (Q.Bình Tân, TP.HCM).

-Irường tiêu học cấp hai Minh Châu, Quan Lạn và Trạm Y tế Minh Châu

-Trạm điện mặt trời thông minh công suất 1500w - Đảo Ngọc Vừng, T Quảng Ninh

-Pin mặt trời cho các đảo Trường Sa.

c Khó khăn và thách thức

Mặc dù được hưởng nhiều ưu đãi, nhưng nhà đầu tư cũng phải đối mặt với một số

thách thức khi đầu tư vào các loại dự án trên.

Thứ nhất, đến thời điểm hiện nay, Việt Nam đã chưa chính thức thực hiện bất kỳ một

cuộc điêu tra toàn diện, nghiên cứu, hoặc đánh giá vê tiêm năng của năng lượng mặt trời