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

Thu thập Chỉ Số Nước Tiêu Thụ Tự động Ứng Dụng Cơng Nghệ Bluetooth Beacon Lê Hữu Nghĩa1, Ơng Hồi Bảo2, Lương Vinh Quốc Danh3 Ánh Đinh4 1Khoa Điện tử, trường Cao Đẳng Nghề Cần Thơ ty TMA Solutions, Tp Hồ Chí Minh 3Bộ mơn Điện tử - Viễn thông, Khoa Công Nghệ, trường Đại học Cần Thơ 4Khoa Công Nghệ, trường Đại học Saskatchewan, Canada E-mail: lehuunghia75@gmail.com, bao1305946@gmail.com, lvqdanh@ctu.edu.vn, anv252@mail.usask.ca 2Cơng Tóm tắt— Cơng nghệ truyền thơng khơng dây Bluetooth sử dụng rộng rãi để truyền liệu khoảng cách ngắn Gần đây, đời chuẩn Bluetooth 4.0 với tính tiên tiến bao gồm tiêu thụ điện thấp công nghệ phát tín hiệu Beacon cho phép người dùng triển khai ứng dụng như: truyền liệu với điện tiêu thụ thấp, kỹ thuật xác định vị trí tín hiệu Beacon… Trong viết này, tác giả trình bày giải pháp thu thập số nước tiêu thụ tự động ứng dụng công nghệ Beacon Hệ thống gồm có thành phần chính: cảm biến mô-đun truyền liệu Bluetooth lắp đặt đồng hồ nước, phần mềm cài đặt điện thoại thông minh Android phần mềm xử lý liệu máy chủ Giải pháp đề xuất cho phép thiết bị thu thập số nước tiêu thụ gắn đồng hồ nước hoạt động nguồn pin thời gian dài Kết nghiên cứu ứng dụng để tự động hóa việc ghi nhận số đồng hồ nước hộ gia đình, khu dân cư nhà máy Từ khóa- Android, Beacon, Bluetooth, đồng hồ nước I GIỚI THIỆU Công nghệ truyền thông không dây Bluetooth, kể từ giới thiệu lần vào năm 2002 với tên gọi thức IEEE 802.15.1, sử dụng phổ biến để truyền liệu thiết bị khoảng cách ngắn [1] Cùng với chuẩn truyền thông IEEE 802.11 (Wi-Fi), Bluetooth chuẩn truyền thông không dây tầm ngắn thiếu thiết bị di động Gần đây, chuẩn Bluetooth 4.0 (còn gọi Bluetooth Low Energy/Bluetooth Smart) đời với tính tiên tiến so với phiên trước bao gồm: kết nối nhanh hơn, tiêu thụ điện thấp tính bảo mật cao [2] Đặc biệt, tính phát tín hiệu Beacon cho phép người dùng triển khai ứng dụng như: truyền liệu tốc độ cao với điện tiêu thụ thấp, xác định vị trí đối tượng dựa cường độ sóng vơ tuyến RSSI [3] Tự động hóa việc ghi nhận số nước tiêu thụ hộ gia đình chủ đề nhận quan tâm ngành cung cấp nước Gần đây, có số giải pháp kỹ thuật đề xuất nhằm giải vấn đề Giải pháp ezWater, Viện công nghệ Thông tin Truyền thông nghiên cứu thực hiện, cho phép nhân viên ghi số nước sử dụng điện thoại thông minh để quét mã QR (dán đồng hồ nước) nhập thông tin số nước tiêu thụ, tình trạng đồng hồ vào phần mềm điện thoại, sau gửi liệu hệ thống qua mạng Internet [4] Tuy nhiên, giải pháp cần số lượng nhân công thu thập số nước giống cách ghi số nước thủ cơng Một giải pháp giúp tự động hóa hồn tồn việc ghi nhận số nước tiêu thụ giới thiệu Công ty Rynan Technologies Vietnam Sản phẩm đồng hồ nước thông minh công ty có khả truyền liệu số nước tiêu thụ thông qua mạng điện thoại di động cấp điện nguồn lượng mặt trời [5] Giải pháp ghi nhận số đồng hồ nước ứng dụng công nghệ truyền liệu NB-IoT mạng điện thoại di động 4G giới thiệu số quốc gia giới [6-7] Mặc dù vậy, trở ngại vị trí lắp đặt pin lượng mặt trời việc tốn chi phí trì SIM thuê bao mạng di động GPRS/3G/4G khiến cho việc triển khai ứng dụng thực tế gặp nhiều khó khăn Trong viết này, tác giả trình bày giải pháp thu thập số nước tiêu thụ tự động ứng dụng công nghệ Bluetooth Beacon Hệ thống gồm có thành phần chính: cảm biến mơ-đun truyền liệu Bluetooth lắp đặt đồng hồ nước, phần mềm cài đặt điện thoại thông minh Android phần mềm xử lý liệu máy chủ Giải pháp đề xuất cho phép thiết bị thu thập số nước tiêu thụ gắn đồng hồ nước hoạt động nguồn pin thời gian dài Kết nghiên cứu ứng dụng để tự động hóa việc ghi nhận số đồng hồ nước hộ gia đình, giúp đơn vị cấp nước giảm chi phí nhân cơng thời gian thu thập - xử lý số liệu Phần lại báo tổ chức sau: phần II, tác giả giới thiệu công nghệ Bluetooth Beacon Nội dung thiết kế hệ thống trình bày phần III Phần IV trình bày đánh giá hiệu giải pháp đề xuất Cuối cùng, tác giả kết luận báo phần V II CÔNG NGHỆ BLUETOOTH BEACON Cơng nghệ phát tín hiệu Beacon (cịn gọi iBeacon) hãng Apple phát minh vào năm 2013 dựa chuẩn Bluetooth 4.0 [8] Công nghệ cho phép ứng dụng di động dị tín hiệu Beacon phát từ thiết bị khác không gian xung quanh phản hồi lại chúng Mỗi thiết bị Bluetooth 4.0 có mã định danh (Universally Unique IDentifier-UUID) có chiều dài 128 bit Thơng tin UUID với trường liệu khác gửi thơng qua tín hiệu Beacon sử dụng để xác định vị trí thiết bị phát thông tin quảng bá (advertising) 127 phương thức đơn giản để truyền liệu mà không cần kết nối thiết bị [9] Cấu trúc gói thơng tin quảng bá gồm có thơng số UUID, Major, Minor TX power mơ tả Hình Hình Cấu trúc gói thông tin quảng bá [10] + UUID: thông số sử dụng để định danh nhà sản xuất, ứng dụng Mã định danh sử dụng để phân biệt Beacon hệ thống với Beacon thuộc hệ thống khác + Major: Thông số chuỗi liệu dài byte dùng để chia nhỏ nhóm Beacon nhà sản xuất ứng dụng + Minor: Thông số chuỗi dài byte dùng để phân biệt Beacon với Các Beacon nhóm có UUUID Major + TX Power: Thông số dùng để tính tốn khoảng cách từ người dùng đến Beacon định nghĩa độ mạnh tín hiệu mà thiết bị nhận cách Beacon m Trong nghiên cứu này, thông số Major Minor sử dụng để lưu liệu số nước tiêu thụ, thông số UUID chứa địa MAC mô-đun Bluetooth dùng mã định danh đồng hồ nước Tín hiệu Beacon phát với chu kỳ (advertsing interval) từ 20 ms đến 10.24 s, chu kỳ phát dài thời lượng sử dụng pin lâu Chu kỳ phát quảng bá dài cho phép chế độ ngủ lâu làm tăng thời gian quét – nhận tín hiệu Beacon thiết bị thu Biểu đồ thời gian phát tín hiệu Beacon mơ-đun thu/phát Bluetooth 4.0 mơ tả Hình Nhân viên ghi số nước mang theo điện thoại thông minh (đã cài đặt App thu thập dư liệu) di chuyển xe máy tuyến đường cần thu thập số nước tiêu thụ Phần mềm App điện thoại kiểm tra số lượng Beacon cần quét (và số lượng đồng hồ nước) khu vực dựa sở liệu có sẵn App điện thoại quét tất tín hiệu Beacon hữu phạm vi thu sóng Bluetooth thiết bị Sau hồn tất q trình thu thập số nước tiêu thụ, nhân viên tiến hành xuất file liệu Tiếp theo, phần mềm App tự động gửi file liệu đến server thông qua địa email cài đặt sẵn App Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống thu thập số nước tự động A Mạch cảm biến đo lưu tốc mơ-đun phát tín hiệu Beacon đồng hồ nước Đồng hồ nước + cảm biến lưu lượng nước Bộ vi xử lý MSP430G2553 Mơ-đun phát tín hiệu Beacon USR-BLE101 Nguồn pin 3.7V Hình Sơ đồ khối mạch điện lắp đặt đồng hồ nước Hình Biểu đồ thời gian phát tín hiệu quảng bá [11] III THIẾT KẾ HỆ THỐNG Sơ đồ khối hệ thống thu thập số nước tự động ứng dụng công nghệ truyền thơng Bluetooth Beacon trình bày Hình Hệ thống bao gồm phần chính: mạch cảm biến đo lưu lượng nước mơ-đun phát tín hiệu Beacon lắp đặt tích hợp vào đồng hồ nước, phần mềm (App) thu thập liệu cài đặt điện thoại Android phầm mềm xử lý liệu máy chủ Nguyên lý hoạt động hệ thống mô tả sau: Sơ đồ nguyên lý cảm biến phát tín hiệu Bluetooth Beacon lắp đặt đồng hồ nước thể Hình Trong nghiên cứu này, đồng hồ nước học gắn cảm biến từ trường để tạo xung điện ứng với 10 lít nước tiêu thụ [12] Xung điện ngõ đồng hồ nước đồng thời tín hiệu ngắt giúp đánh thức xử lý MSP430G2553 Bộ xử lý MSP430G2553 hãng Texas Instruments [13] có mức tiêu thụ điện thấp lập trình để hoạt động chế độ ngủ (sleep mode) khơng có tín hiệu xung điện từ đồng hồ nước nhằm tiết kiệm lượng Khi nhận tín hiệu xung điện từ cảm biến, vi điều khiển thực lưu thông tin lượng nước tiêu thụ vào nhớ đồng thời gửi thông tin số nước tiêu thụ mã định danh đồng hồ nước đến mơđun USR-BLE101 phát tín hiệu Beacon [14] Toàn mạch điện phần hoạt động dựa lượng cung cấp nguồn pin nên vấn đề tiết kiệm lượng quan trọng Việc chọn sử dụng vi xử lý MSP430G2553 công nghệ 128 Bluetooth Beacon giúp giải vấn đề lượng phần Hình ảnh cảm biến lưu lượng nước mạch phát tín hiệu Beacon lắp đặt đồng hồ nước trình bày Hình Bộ vi xử lý MSP430G2553, mơ-đun USR-BLE101 nguồn pin đặt hộp nhựa kín bố trí bên cạnh đồng hồ nước Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển viết cho vi xử lý MSP430G2553 mơ tả Hình Khi nhận tín hiệu xung điện từ đồng hồ nước, vi điều khiển thực tăng đếm xung lên đơn vị Khi có đủ 10 xung đơn vị, chương trình cập nhật số nước tiêu thụ vào thơng số Major, Minor tín hiệu Beacon, lưu giá trị vào nhớ sau chuyển sang chế độ ngủ.Trong chương trình này, việc đặt xử lý MSP430G2553 mô-đun USR-BLE101 chế độ ngủ giúp hệ thống tiết giảm điện tiêu thụ nhằm kéo dài thời gian sử dụng pin a) Menu, tên file đặt dựa theo ngày thực công việc Ngay sau đó, hệ thống tự động gửi file liệu đến địa e-mail phận quản lý Hệ điều hành Android cài đặt điện thoại thơng minh u cầu có phiên từ 6.0 trở lên b) Hình Cảm biến đo lưu lượng nước gắn đồng hồ (a) mạch điện phát tín hiệu Beacon (b) B Phần mềm thu thập số nước cài đặt điện thoại Android Phần mềm thu thập số nước tiêu thụ cài đặt điện thoại Android, viết ngôn ngữ Java [15], có lưu đồ giải thuật chương trình thu thập liệu số nước từ tín hiệu Beacon trình bày Hình Sau khởi động App, chương trình thực việc qt tín hiệu Beacon để đọc thông tin địa MAC mô-đun USR-BLE101 Các địa MAC sử dụng mã số định danh đồng hồ nước Mỗi lần tìm thấy địa MAC Beacon có sở liệu, chương trình lưu thơng tin Beacon vào nhớ Ở lần quét tín hiệu Beacon tiếp theo, địa MAC ghi nhận chương trình bỏ qua tiếp tục lần quét để đảm bảo đồng hồ nước lưu thông tin lần Chương trình liên tục qt tín hiệu khu vực nhân viên thu thập số nước qua dừng việc quét tín hiệu Beacon số lượng địa MAC quét với số lượng địa MAC lưu file sở liệu Giao diện App quét tín hiệu Beacon trình bày Hình Sau hồn tất công việc thu thập số nước hộ gia đình, nhân viên xuất liệu file Excel sử dụng tính Hình Lưu đồ giải thuật giao tiếp cảm biến phát tín hiệu Beacon đồng hồ nước C Phần mềm xử lý liệu máy chủ Sau nhận e-mail App quét tín hiệu Beacon gửi về, nhân viên quản lý tải file thông tin máy chủ bắt đầu xử lý liệu việc mở chương trình xử lý liệu số nước tiêu thụ với giao diện phần mềm mơ tả Hình Nhân viên quản lý cần phải xác thực username mật trước thao tác phần mềm để đảm bảo tính bảo mật Người quản lý cần chọn file Excel chứa liệu số nước tiêu thụ tháng trước hộ gia đình file liệu tháng Sau thực bước người sử dụng click vào nút “Xuất File Dữ Liệu Tổng Hợp” giao diện để tạo file liệu tổng hợp số nước tiêu thụ cho tháng (Hình 10) 129 Hình Giao diện chương trình xử lý liệu số nước tiêu thụ máy chủ Hình 10 Giao diện file liệu tổng hợp số nước tiêu thụ hộ IV Hình Lưu đồ giải thuật chương trình thu thập liệu Beacon điện thoại thông minh ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA GIẢI PHÁP Để đánh giá khả truyền – nhận thông tin mô-đun USR-BLE101 điện thoại thông minh điều kiện thực tế, tác giả tiến hành lắp đặt thiết bị đồng hồ nước đặt mặt đất, khoảng cách từ tâm đường lộ đến đồng hồ nước 20m Kết thực nghiệm cho thấy điện thoại quét sóng Beacon khoảng cách tối đa từ 20m đến 30m tùy thuộc vào điều kiện mơi trường, địa hình độ nhạy thiết bị Bluetooth điện thoại Theo đó, thực tế, nhân viên ghi số nước, mang theo điện thoại với App thu thập số nước, di chuyển đường với vận tốc khoảng 20Km/h hồn thành việc ghi nhận số nước tiêu thụ hộ gia đình dọc theo đường khoảng thời gian vài phút (Hình 11) Hình Giao diện phần mềm qt tín hiệu Bluetooth Beacon Hình 11 Minh họa công việc thu thập số nước công nghệ Bluetooth Beacon 130 Để đảm bảo mạch điện đồng hồ nước hoạt động ổn định thời gian dài, tác giả thực ước tính thời gian sử dụng pin mạch điện lắp đặt đồng hồ nước Ở chế độ ngủ (sleep mode), dòng điện tiêu thụ trung bình vi mạch MSP430G2553 0.5 µA Bộ phận tiêu thụ điện mạch điện mơ-đun Bluetooth với dịng điện tiêu thụ trung bình 0.29 mA 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 điều chỉnh tùy theo cơng suất phát sóng RF khoảng thời gian phát quảng bá (advertising interval) [17] Với chu kỳ phát quảng bá 250 ms, dịng điện tiêu thụ trung bình vào khoảng 0.22 mA, pin sử dụng có dung lượng 10.000 mAh, thời gian sử dụng pin ước tính sau: truyền thơng Bluetooth để truyền liệu số nước khoảng cách gần Với cấu tạo phần cứng chế hoạt động thiết kế theo hướng công suất tiêu thụ điện thấp chi phí đầu tư thấp, nghiên cứu mang đến giải pháp khả thi để tự động hóa việc ghi nhận số đồng hồ nước hộ gia đình, khu dân cư nhà máy TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] T = 10000 mAh *  / (0.22mA *24h) ≈ 1515 ngày ≈ 4.15 năm Trong đó,  = 0.8 hiệu suất sử dụng pin Với thời gian hoạt động trên, mạch điện gắn đồng hồ nước đáp ứng yêu cầu mặt kỹ thuật ngành cung cấp nước Bảng trình bày lợi ích mà hệ thống thu thập số nước tự động sử dụng công nghệ truyền thông Bluetooth Beacon mang lại so với phương pháp thu thập số nước nhân công Bảng So sánh hệ thống thu thập số nước tự động phương pháp nhân công Thu thập số nước nhân công Thu thập số nước tự động công nghệ Bluetooth - Có thể có sai sót q trình ghi nhận số nước tiêu thụ - Tránh sai sót việc ghi nhận số tiêu thụ - Tốn nhiều chi phí nhân cơng thời gian cho việc thu thập số nước - Giảm số lượng nhân cơng, tiết kiệm chi phí thời gian - Không thể thu thập số nước tiêu thụ khu vực thời gian ngắn - Có thể thực khảo sát nhanh lượng nước tiêu thụ khu vực thời gian ngắn [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] Bên cạnh đó, so sánh với giải pháp sử dụng mạng điện thoại di động để truyền liệu, giải pháp công nghệ truyền thơng Bluetooth Beacon khơng tốn chi phí th bao thẻ SIM cho đồng hồ nước Đây xem giải pháp có tính khả thi để thu thập số nước tiêu thụ tự động triển khai ứng dụng cho mục đích tương tự thực tiễn V [4] KẾT LUẬN Nội dung viết trình bày việc thiết kế thi công giải pháp thu thập số nước tự động sử dụng công nghệ truyền thông Bluetooth Beacon Giải pháp xây dựng dựa sở khai thác tính phát tín hiệu Beacon chuẩn 131 [12] [13] [14] [15] [16] [17] IEEE 802.15 WPAN Task Group (TG1) URL: http://www.ieee802.org/15/pub/TG1.html, truy cập ngày 28/9/2019 Bluetooth Low Energy URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_Low_Energy, truy cập ngày 28/9/2019 Johan Larsson, “Distance Estimation and Positioning Based on Bluetooth Low Energy Technology”, Master’s Thesis, KTH Royal Institute of Technology, 2015 URL: http://www.divaportal.org/smash/get/diva2:859549/FULLTEXT01.pdf, truy cập ngày 28/9/2019 ezWATER - giải pháp nâng cao tính tự động nghiệp vụ ghi số đồng hồ nước URL: http://automation.net.vn/Cong-nghe-Ungdung/ezWATER-giai-phap-nang-cao-tinh-tu-dong-trong-nghiep-vughi-chi-so-dong-ho-nuoc.html, truy cập ngày 28/9/2019 Đồng hồ nước SWM015B URL: https://rynan.vn/chi-tiet-sanpham/thiet-bi-thong-minh/dong-ho-nuoc-thong-minh/dong-ho-nuocswm015b/DN15, truy cập ngày 28/9/2019 NB-IoT smart water meter-Residential URL: https://rdtechnoton.com/nb-iot-smart-water-meter-residential.html, truy cập ngày 28/9/2019 NB-IoT water meter URL: https://www.cicicom.gr/pages/nb-iotwater-meter/, truy cập ngày 28/9/2019 iBeacon URL: https://en.wikipedia.org/wiki/IBeacon, truy cập ngày 28/9/2019 Bluetooth Low Energy – Networking guide URL: http://www.libelium.com/downloads/documentation/bluetooth-lowenergy-networking_guide.pdf, truy cập ngày 28/9/2019 Adam Warski, “How iBeacons work?” URL: http://www.warski.org/blog/2014/01/how-ibeacons-work/, truy cập ngày 28/9/2019 Texas Instruments - Bluetooth low energy Beacons URL: http://www.ti.com/lit/an/swra475a/swra475a.pdf, truy cập ngày 28/9/2019 SH-Meters URL: https://www.shmeters.com, truy cập ngày 28/9/2019 MSP430G2x53 datasheet URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/msp430g2553.pdf, truy cập ngày 28/9/2019 USR-BLE101 URL: https://www.usriot.com/products/bluetoothserial-module.html, truy cập ngày 28/9/2019 Bluetooth Overview URL: https://developer.android.com/guide/topics/connectivity/bluetooth, truy cập ngày 28/9/2019 Industrial-grade and low-power BLE module URL: https://www.usriot.com/download/Ble/WH-BLE103-User-ManualV1.0.1.pdf, truy cập ngày 28/9/2019 Optimizing Current Consumption in Bluetooth Low Energy Devices URL: https://bit.ly/2ok5Tht, truy cập ngày 28/9/2019  ... thông Bluetooth Beacon mang lại so với phương pháp thu thập số nước nhân công Bảng So sánh hệ thống thu thập số nước tự động phương pháp nhân công Thu thập số nước nhân công Thu thập số nước tự động. .. sử dụng pin Với thời gian hoạt động trên, mạch điện gắn đồng hồ nước đáp ứng yêu cầu mặt kỹ thu? ??t ngành cung cấp nước Bảng trình bày lợi ích mà hệ thống thu thập số nước tự động sử dụng công nghệ. .. động công nghệ Bluetooth - Có thể có sai sót q trình ghi nhận số nước tiêu thụ - Tránh sai sót việc ghi nhận số tiêu thụ - Tốn nhiều chi phí nhân cơng thời gian cho việc thu thập số nước - Giảm số