(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đánh giá giao thức thu thập dữ liệu cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ
TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN THỊ LOAN

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC THU THẬP
DỮ LIỆU CHO MẠNG LƯỚI ĐỒNG HỒ NƯỚC
THÔNG MINH
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số: 8520208
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Chiến Thắng

Thái Nguyên – 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




ii

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Loan, học viên lớp cao học K16 – Kỹ thuật viễn
thông – Trường đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu đánh giá giao thức thu thập dữ
liệu cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh” do Thầy giáo TS. Vũ Chiến
Thắng hướng dẫn, là công trình nghiên cứu do bản thân tôi thực hiện, dựa

trên sự hướng dẫn của Thầy giáo hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham
khảo đã trích dẫn.
Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.
Thái Nguyên, năm 2019
Học viên

Nguyễn Thị Loan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




iii

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, trong suốt quá trình thực hiện đề tài
nghiên cứu, tôi luôn nhận được sự quan tâm giúp đỡ của:
Thầy giáo hướng dẫn trực tiếp TS. Vũ Chiến Thắng, đã giúp đỡ tận tình
về phương hướng và phương pháp nghiên cứu cũng như hoàn thiện luận văn.
Các thầy, cô giáo trong khoa Công nghệ điện tử viễn thông, Trường đại
học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái Nguyên đã tạo điều kiện về
thời gian, địa điểm nghiên cứu, phương tiện vật chất cho tác giả.
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến tất cả những sự giúp đỡ quý
báu đó.
Thái Nguyên, năm 2019
Học viên

Nguyễn Thị Loan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ iii
MỤC LỤC .................................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................... xi
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. xiii
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG MINH PHỤC VỤ ĐO
LƯỜNG TỰ ĐỘNG TẠI CÁC NHÀ MÁY NƯỚC .................................................. 1
1.1. Tổng quan về hệ thống đo lường tự động ........................................................ 1
1.2. Mô hình ứng dụng hệ thống đo lường tự động cho các nhà máy nước ............ 3
1.2.1. Mô hình tổng thể hệ thống ......................................................................... 3
1.2.2. Hệ thống quản lý dữ liệu thiết bị đo và khách hàng .................................. 4
1.3. Đồng hồ nước thông minh ................................................................................ 5
1.3.1. Tình hình triển khai đồng hồ nước thông minh tại thị trường châu Á –
Thái Bình Dương ................................................................................................. 5
1.3.2. Tình hình triển khai đồng hồ nước thông minh tại thị trường Việt Nam .. 7
1.3.3. Đồng hồ nước thông minh theo chuẩn truyền thông Zigbee/IEEE
802.15.4 ............................................................................................................... 9
1.4. Lớp vật lý theo chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 ....................................... 10
1.5. Một số yêu cầu đối với giao thức định tuyến thu thập dữ liệu cho mạng lưới
đồng hồ nước thông minh ...................................................................................... 12
1.6. Khảo sát một số giao thức định tuyến thu thập dữ liệu .................................. 14

1.6.1. Giao thức định tuyến Flooding ................................................................ 14
1.6.2. Giao thức định tuyến đối với thông tin thông qua đàm phán (SPIN) ...... 15
1.6.3. Giao thức phân cụm LEACH .................................................................. 18
1.7. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 18

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




v

Chương 2. GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THU THẬP DỮ LIỆU HIỆU QUẢ VỀ
NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG LƯỚI ĐỒNG HỒ NƯỚC THÔNG MINH ............ 19
2.1. Giao thức định tuyến cây thu thập dữ liệu CTP ............................................. 19
2.1.1. Giới thiệu giao thức CTP ......................................................................... 19
2.1.2. Thước đo định tuyến được sử dụng trong giao thức CTP ....................... 20
2.1.3. Cấu trúc các bản tin trong giao thức CTP................................................ 21
2.1.4. Các thành phần chính của giao thức CTP ................................................ 24
2.2. Giao thức định tuyến RPL .............................................................................. 25
2.2.1. Một số thuật ngữ ...................................................................................... 25
2.2.2. Giới thiệu về giao thức ............................................................................ 28
2.2.3. Các bản tin điều khiển ............................................................................. 29
2.2.4. Quá trình xây dựng DODAG ................................................................... 38
2.2.5. Quản lý các bộ định thời .......................................................................... 39
2.3. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 40
Chương 3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THU
THẬP DỮ LIỆU CHO MẠNG LƯỚI ĐỒNG HỒ NƯỚC THÔNG MINH ........... 41
3.1. Hệ điều hành Contiki ...................................................................................... 41
3.1.1. Giới thiệu chung ...................................................................................... 41

3.1.2. Ngăn xếp truyền thông trong hệ điều hành Contiki................................. 41
3.2. Thực thi giao thức CTP trên hệ điều hành Contiki ........................................ 45
3.2.1. Các module truyền thông được sử dụng trong giao thức CTP ................ 45
3.2.2. Các thành phần trong giao thức CTP ....................................................... 47
3.2.3. Hoạt động của giao thức CTP .................................................................. 48
3.3. Thực thi giao thức RPL trên hệ điều hành Contiki ........................................ 52
3.3.1. Cấu trúc các thành phần trong ContikiRPL ............................................. 52
3.3.2. Hoạt động của nút gốc ............................................................................. 54
3.3.3. Hoạt động của các nút thành viên ............................................................ 55
3.4. Mô phỏng và đánh giá giao thức .................................................................... 57
3.4.1. Công cụ mô phỏng Cooja ........................................................................ 57

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




vi

3.4.2. Kịch bản mô phỏng đánh giá ................................................................... 60
3.4.3. Các thước đo đánh giá ............................................................................. 63
3.4.4. Kết quả đánh giá ...................................................................................... 66
3.4.5. Phân tích và đưa ra khuyến nghị.............................................................. 67
3.5. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 69
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 71

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Chữ đầy đủ

AMR

Automatic Meter Reading

AMI

Automated Metering Infrastructure

ADV

Advertisement

MDMS

Meter Data Management System

BPSK

Binary Phase Shift Keying

CTP

Collection Tree Protocol

DAG

Directed Acyclic Graph

DAO

Destination Advertisement Object

DDR

Data Delivery Ratio

DODAG

Destination Oriented DAG

DIS

DODAG Information Solicitation

DIO

DODAG Information Object

DSSS

Direct Sequence Spread Spectrum

DTSN

Destination Advertisement Trigger Sequence Number

EAE

Energy Aware

ETX

Expected Transmission

IP

Internet Protocol

IPv6

Internet Protocol version 6

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

ICMP

Internet Control Message Protocol

ID

Identification

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




viii

GSM

Global System for Mobile Communications

GPRS

General Packet Radio Service

LBR

Lossy network Border Router

LLNs

Low-Power and Lossy Networks

MAC

Medium Access Control

MP2P

Multi-Point to Point

MOP

Mode of Operation

PAN

Personal Area Network

PLC

Power Line Communication

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

RAM

Random Access Memory

RPL

IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy network

RTMETRIC

Route metric

ROM

Read-Only Memory

SEQNO

Sequence number

SINR

Signal to – Interference Plus Noise

SICS

Swedish Institute of Computer Science

SPIN

Sensor Protocols for Information via Negotiation

EC

Energy Conserving

BC

Broadcast Communication

RL

Reliable

PP

Point to Point

REQ

Request

TCP

Transport Control Protocol

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




ix

TTL

Time to live

UDP

User Datagram Protocol

UDG

Unit Disk Graph

UDI

UDG with Distance Interference

WiFi

Wireless Fidelity

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Kịch bản đánh giá mô phỏng. .................................................................... 63
Bảng 3.2: Mô hình năng lượng của Tmote Sky tại công suất phát là 0dBm ............. 65

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các thành phần cấu thành nên hạ tầng đo lường tự động AMR .................. 1
Hình 1.2: Mô hình hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lượng nước tiêu thụ ............ 3
Hình 1.3: Sơ đồ khối chức năng hệ thống quản lý dữ liệu đo và khách hàng ............. 4
Hình 1.4: Thị trường đồng hồ nước thông minh Châu Á - Thái Bình Dương. ............ 6
Hình 1.5: Đồng hồ nước thông minh do Công ty Rynan sản xuất. .............................. 8
Hình 1.6: Các thành phần của hệ thống. ...................................................................... 9
Hình 1.7: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý [8]. .................... 11
Hình 1. 8: Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 chồng chéo lên các kênh 802.11. Kênh 25
và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11
được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hưởng bởi 802.11. ..... 12
Hình 1.9: Định tuyến Flooding. ................................................................................. 15
Hình 1.10: Giao thức SPIN. ....................................................................................... 16
Hình 1.11: Kiến trúc phân cấp dựa trên các cụm. ...................................................... 18
Hình 2.1: Cấu trúc liên kết mạng được xây dựng theo giao thức CTP. ..…………..19
Hình 2.2: ETXlink của một liên kết. .......................................................................... 20
Hình 2.3: Cấu trúc bản tin dữ liệu. ............................................................................. 21
Hình 2.4: Cấu trúc bản tin điều khiển. ....................................................................... 23
Hình 2.5: Các thành phần chính của giao thức CTP. ................................................. 24
Hình 2.6: Ví dụ về RPL Instance. .............................................................................. 26
Hình 2.7: Ví dụ về DODAGVersion Number............................................................ 27
Hình 2.8: Ví dụ về một DODAG. .............................................................................. 28
Hình 2.9: Cấu trúc chung của một bản tin điều khiển RPL. ...................................... 30
Hình 2.10: Định dạng phần cơ sở (Base) của bản tin DIS. ........................................ 31
Hình 2.11: Định dạng đối tượng cơ sở của bản tin DIO. ........................................... 31
Hình 2.12: Định dạng đối tượng cơ sở của bản tin DAO. ......................................... 33
Hình 2.13: Định dạng chung của các tùy chọn trong bản tin điều khiển RPL........... 34
Hình 2.14: Định dạng của tùy chọn Pad1. ................................................................. 35
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

xii

Hình 2.15: Định dạng của tùy chọn PadN. ................................................................ 35
Hình 2.16: Định dạng của tùy chọn thông tin được yêu cầu...................................... 36
Hình 2.17: Định dạng của tùy chọn mang thước đo DAG......................................... 37
Hình 2.18: Ví dụ về việc hình thành DODAG. .......................................................... 38
Hình 3.1: Kiến trúc giao thức mạng trong Contiki. ................................................... 41
Hình 3.2: Sơ đồ hoạt động các ứng dụng trong Contiki. ........................................... 42
Hình 3.3: Ngăn xếp truyền thông uIP. ....................................................................... 43
Hình 3.4: Tổ chức của RIME. .................................................................................... 44
Hình 3.5: Bộ đệm và Thao tác gói trong RIME. ........................................................ 45
Hình 3.6: Giao thức CTP được xây dựng trên ngăn xếp truyền thông RIME trong
Contiki. ....................................................................................................................... 46
Hình 3.7: Quá trình xử lý một số sự kiện trong giao thức CTP. ................................ 49
Hình 3.8: Lưu đồ thuật toán Thêm/Cập nhật rtmetric của nút lân cận. ..................... 51
Hình 3.9: Thực thi giao thức RPL trên hệ điều hành Contiki [12]. ........................... 52
Hình 3.10: Cấu trúc các thành phần trong module Contiki RPL. .............................. 53
Hình 3.11: Pha khởi tạo của nút gốc. ......................................................................... 54
Hình 3.12: Cơ chế điều khiển sự kiện của nút gốc. ................................................... 55
Hình 3.13: Pha khởi tạo của các nút thành viên. ........................................................ 55
Hình 3.14: Cơ chế điều khiển sự kiện của nút thành viên. ........................................ 56
Hình 3.15: Công cụ mô phỏng Cooja. ....................................................................... 57
Hình 3.16: Mô hình UDI [14]. ................................................................................... 59
Hình 3.17: Cấu trúc liên kết mạng được xét đến trong bài toán mô phỏng. .............. 60
Hình 3.18: Một khu vực nhỏ trong khu đô thị Vinhome. .......................................... 62
Hình 3.19: Mô hình một cụm gồm 37 nút mạng. ....................................................... 62

Hình 3.20: So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu thành công. ............................. 66
Hình 3.21: So sánh công suất tiêu thụ trung bình trong mạng. .................................. 66
Hình 3.22: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình. ............................................. 67
Hình 3.23: So sánh số bước nhảy trung bình. ............................................................ 67

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




xiii

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, các nhà máy nước vẫn đang thực hiện các biện pháp thủ công
trong việc ghi lượng nước sinh hoạt tiêu thụ và thanh toán tiền nước tiêu thụ hàng
tháng tại các hộ gia đình. Các hệ thống đo lường tự động về lượng nước tiêu thụ,
chất lượng nước trong quá trình xử lý mặc dù rất tối ưu về mặt kinh tế nhưng vẫn
chưa được triển khai tại các nhà máy nước.
Giải pháp đo lường tự động AMR (Automatic Meter Reading) đã và đang
được nghiên cứu, ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới. Hạ tầng đo lường tự động
AMR được định nghĩa bao gồm các thành phần phần cứng, phần mềm truyền thông,
hệ thống liên kết và phần mềm quản lý dữ liệu. Các thành phần này được kết nối tạo
thành mạng giữa các thiết bị đo và các hệ thống tiện ích kinh doanh cho phép thu
thập và phân phối thông tin cho khách hàng và các bên tham gia. Dữ liệu thiết bị đo
được gửi tới hệ thống quản lý dữ liệu thiết bị đo MDMS (Meter Data Management
System). Hệ thống MDMS có nhiệm vụ quản lý dữ liệu được lưu trữ và phân tích
dữ liệu nhằm cung cấp thông tin hữu ích cho các tiện ích khách hàng.
Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về các giao thức định tuyến thu thập dữ
liệu cho mạng các thiết bị đo như giao thức cây thu thập dữ liệu CTP, giao thức

RPL. Tại Việt Nam cũng có một số nghiên cứu ban đầu về các giao thức định tuyến
thu thập dữ liệu. Tuy nhiên, ở Việt Nam vẫn chưa có nhiều các nghiên cứu đánh giá
về ứng dụng của các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu này cho mạng lưới đồng
hồ nước thông minh. Các đồng hồ nước thông minh được gắn thêm thiết bị đọc chỉ
số nước tiêu thụ và gửi về máy chủ trung tâm. Các thiết bị đọc chỉ số nước tiêu thụ
được cấp nguồn pin và thời gian hoạt động có thể kéo dài từ 3-5 năm. Vì vậy, việc
nghiên cứu và đánh giá các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu cho mạng lưới
đồng hồ nước thông minh nhằm tăng thời gian hoạt động của các thiết bị đọc chỉ số
nước là rất cần thiết. Luận văn này tập trung nghiên cứu, đánh giá một số giao thức

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




xiv

thu thập dữ liệu cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh và đưa ra những khuyến
nghị.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là các giao thức định tuyến thu thập dữ
liệu tiết kiệm năng lượng CTP, RPL cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh. Đây
là đối tượng nghiên cứu được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm trong
thời gian gần đây.
Các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu được nghiên cứu trong phạm vi
từng cụm của mạng lưới đồng hồ nước thông minh. Các nghiên cứu đánh giá được
tác giả thực hiện dựa trên công cụ mô phỏng Cooja.
3. Mục tiêu của đề tài
Hướng nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu đánh giá về khả năng áp dụng,
tính hiệu quả của các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu tiết kiệm năng lượng

(CTP, RPL) cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh. Dựa trên các kết quả đánh
giá mô phỏng, tác giả đưa ra một số khuyến nghị khi áp dụng các giao thức này cho
mạng lưới đồng hồ nước thông minh.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu các lý thuyết đã có ở
trong và ngoài nước [1-13] để phân tích, đánh giá về các giao thức định tuyến thu
thập dữ liệu. Dựa trên các cơ sở lý thuyết và các phân tích, đánh giá, tác giả tiến
hành mô phỏng và đánh giá các giao thức này.
5. Nội dung của luận văn
Luận văn được trình bày thành 03 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông minh phục vụ đo lường tự động cho
các nhà máy nước.
Chương 2: Giao thức định tuyến thu thập dữ liệu hiệu quả về năng lượng cho
mạng lưới đồng hồ nước thông minh.
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá giao thức định tuyến thu thập dữ liệu hiệu
quả về năng lượng cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




xv

Cuối cùng là kết luận, tóm tắt các đề xuất mới của tác giả và dự kiến hướng
nghiên cứu tiếp theo của luận văn.
6. Đóng góp của luận văn
Trong luận văn này, tác giả đưa ra một số kết quả nghiên cứu đánh giá so
sánh hiệu năng năng giao thức định tuyến thu thập dữ liệu CTP và RPL cho mạng
lưới đồng hồ nước thông minh. Các kết quả nghiên cứu này có thể lựa chọn được

giao thức định tuyến phù hợp cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh. Do vậy vấn
đề nghiên cứu trong luận văn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG MINH PHỤC
VỤ ĐO LƯỜNG TỰ ĐỘNG TẠI CÁC NHÀ MÁY NƯỚC
1.1. Tổng quan về hệ thống đo lường tự động
Giải pháp đo lường tự động AMR (Automatic Meter Reading) đã và đang
được nghiên cứu, ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới. Hạ tầng đo lường tự động
AMR được định nghĩa bao gồm các thành phần phần cứng, phần mềm truyền thông,
hệ thống liên kết và phần mềm quản lý dữ liệu. Các thành phần này được kết nối tạo
thành mạng giữa các thiết bị đo và các hệ thống tiện ích kinh doanh cho phép thu
thập và phân phối thông tin cho khách hàng và các bên tham gia. Dữ liệu thiết bị đo
được gửi tới hệ thống quản lý dữ liệu thiết bị đo MDMS (Meter Data Management
System) [1]. Hệ thống MDMS có nhiệm vụ quản lý dữ liệu được lưu trữ và phân
tích dữ liệu nhằm cung cấp thông tin hữu ích cho các tiện ích khách hàng. Hình 1.1
giới thiệu về các thành phần cấu thành nên hạ tầng đo lường tự động AMR.
Trong hạ tầng đo lường tự động AMR, các thiết bị đo điện, nước, gas được
triển khai tại các hộ gia đình và gửi dữ liệu về máy chủ thông qua các mạng truyền
dẫn dữ liệu.

Hình 1.1: Các thành phần cấu thành nên hạ tầng đo lường tự động AMR
Trong bài báo [2], các tác giả đã giới thiệu tổng quát về hệ thống AMR, bắt
đầu từ việc thảo luận những lợi ích tiềm năng cho đến việc giới thiệu các giai đoạn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




2

phát triển của hệ thống AMR từ quá khứ đến tương lai. Các tác giả cũng đã giới
thiệu bốn kiểu mạng truyền thông AMR chính bao gồm: Mạng truyền dẫn trên
đường dây tải điện (PLC), mạng di động tế bào, mạng điện thoại/Internet và mạng
truyền dẫn vô tuyến khoảng cách ngắn như WiFi, Bluetooth, Zigbee/IEEE 802.15.4.
Hiện tại, các công nghệ truyền thông không dây đang được sử dụng rộng rãi với
những ưu điểm như chi phí thấp, dễ dàng triển khai. Ngoài ra, cấu trúc của hệ thống
AMR không dây cũng đơn giản hơn và tiết kiệm chi phí về nguồn lực lao động hơn
so với hệ thống AMR có dây.
Trong bài báo [3], với sự cộng tác của phòng Lab viễn thông Italia, các tác
giả đã chế tạo một sản phẩm mẫu cho giải pháp đo lường nước thông minh (Smart
Water). Các thiết bị đo được thiết kế hoạt động ở tần số vô tuyến 169MHz. Các
đồng hồ đo nước thông minh đo lượng nước tiêu thụ thông qua bộ cảm biến hiệu
ứng Hall và gửi dữ liệu đo được về một Gateway kết nối với mạng GSM/GPRS.
Trong bài báo [4], các tác giả đã đề xuất một hệ thống tự động đo điện năng
tiêu thụ dựa trên sự kết hợp của công nghệ truyền thông GSM/GPRS và
Zigbee/IEEE 802.15.4. Trong hệ thống này, các module truyền thông Zigbee/IEEE
802.15.4 được gắn trên các đồng hồ đo để gửi dữ liệu đo về điểm thu thập dữ liệu.
Công nghệ truyền thông qua đường dây điện được giới thiệu trong bài báo
[5], [6] cũng là một giải pháp truyền dẫn tốt cho các hệ thống AMR với các ưu điểm
như không cần bổ sung thêm cơ sở hạ tầng đường dây mới, kết nối thuận tiện, tốc
độ cao. Tuy nhiên, các hệ thống sử dụng công nghệ truyền thông này có chi phí cao
bởi vì nó yêu cầu nhiều thành phần khác ví dụ như bộ thu thập, bộ tập trung và các

trạm chủ.
Trong phạm vi luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu và đánh giá các
giao thức thu thập dữ liệu cho mạng lưới các đồng hồ nước thông minh theo chuẩn
truyền thông IEEE 802.15.4.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




3

1.2. Mô hình ứng dụng hệ thống đo lường tự động cho các nhà máy nước
1.2.1. Mô hình tổng thể hệ thống
Mạng các đồng
hồ đo nước

IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4

GW

Internet
TCP/IP

Server
LEGEND:

GW

Người dùng
Internet Gateway

Đồng hồ đo nước có
két nối mạng

Hình 1.2: Mô hình hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lượng nước tiêu thụ
Giải pháp đo lường tự động tại các nhà máy nước đã và đang được nghiên cứu,
ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới. Hình 1.2 là mô hình hệ thống tự động thu
thập dữ liệu về lượng nước tiêu thụ. Các đồng hồ đo nước kết nối và gửi dữ liệu về
Gateway qua chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4. Gateway có nhiệm vụ
thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu về Server qua đường truyền Internet.
Tại máy chủ, các dữ liệu sau đây sẽ được lưu trữ:
 CSDL về khách hàng.
 CSDL về người dùng hệ thống.
 CSDL về các thiết bị đo chất lượng nước.
 CSDL về các thiết bị đo lượng nước tiêu thụ.
 CSDL về chất lượng nước, lượng nước tiêu thụ và hóa đơn tiền nước của
khách hàng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




4

Giao diện Web

Quản trị và phân quyền hệ thống

Chốt hóa đơn tiền nước cho KH

Giám sát thay đổi
Thanh toán hóa đơn tiền nước
Giám sát truy cập
Quản lý khách hàng

Phân quyền sử dụng

Quản lý đấu nối và làm dịch vụ
cho khách hàng
Tiến trình hệ thống
Thu thập dữ liệu từ các thiết bị
đo chất lượng nước
Thu thập dữ liệu từ các thiết bị
đo lượng nước tiêu thụ
Sao lưu
phục hồi hệ
thống

An toàn và
bảo mật
hệ thống

Quản lý hồ sơ, hợp đồng của
khách hàng

Quản lý khiếu nại khách hàng

Gửi thông báo hóa đơn tiền
nước hàng tháng qua SMS

Giao tiếp
các thiết bị
đo thông
minh (chất
lượng nước,
lưu lượng
nước)

Quản lý thiết bị đo chất lượng nước
Gửi cảnh báo về chất lượng
nước không đạt chuẩn
Quản lý đồng hồ đo nước
Phân hệ khách hàng
Giám sát chất lượng nước

Đăng nhập hệ thống
Giám sát lượng nước tiêu thụ

Giám sát lượng nước tiêu thụ của
từng hộ gia đình

Giám sát chất lượng nước

Quản lý danh mục

Báo cáo phân tích, thống kê, tổng hợp

Hạ tầng phần cứng, mạng

Hình 1.3: Sơ đồ khối chức năng hệ thống quản lý dữ liệu đo và khách hàng
1.2.2. Hệ thống quản lý dữ liệu thiết bị đo và khách hàng
Hình 1.3 là sơ đồ khối chức năng hệ thống quản lý dữ liệu đo và khách hàng
trên Server. Hệ thống này bao gồm các phân hệ chính sau:
 Phân hệ Quản lý khách hàng:
- Quản lý đấu nối và làm dịch vụ cho khách hàng: Thêm khách hàng mới,
cập nhật thông tin khách hàng, xóa thông tin khách hàng, tìm kiếm khách
hàng.
- Quản lý khiếu nại khách hàng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




5

- Quản lý hồ sơ hợp đồng và dịch vụ.
 Phân hệ quản lý thiết bị đo chất lượng nước.
 Phân hệ quản lý đồng hồ đo nước tiêu thụ tại các hộ gia đình.
 Phân hệ giám sát chất lượng nước.
 Phân hệ giám sát lượng nước tiêu thụ của các hộ gia đình.
 Phân hệ quản lý thanh toán hóa đơn tiền nước của khách hàng.
 Phân hệ quản trị và phân quyền hệ thống.
 Phân hệ cho khách hàng:
- Đăng nhập hệ thống.
- Giám sát lượng nước tiêu thụ.
- Giám sát chất lượng nước.

1.3. Đồng hồ nước thông minh
1.3.1. Tình hình triển khai đồng hồ nước thông minh tại thị trường châu Á –
Thái Bình Dương
Theo nghiên cứu mới nhất của Global Market Insights, Inc, thị trường đồng
hồ nước thông minh tại thị trường châu Á - Thái Bình Dương dự đoán tăng hơn 85
triệu USD, lên đến hơn 300 triệu USD vào năm 2024 [17].
Yêu cầu hạn chế mức tiêu thụ nước theo chính sách quốc gia về việc sử dụng
nước bền vững sẽ thúc đẩy quy mô thị trường đo nước thông minh của các nước
Châu Á - Thái Bình Dương. Các chính phủ trong khu vực đang cơ cấu lại hệ thống
cấp nước để đảm bảo công tơ nước và hóa đơn nước được chính xác. Xu hướng
tránh thất thoát nước, hóa đơn phản ánh chính xác lượng nước tiêu thụ và cải thiện
cơ sở hạ tầng sẽ thúc đẩy nhu cầu sản phẩm.
Chi phí thấp cùng với khả năng cung cấp số liệu tiêu thụ theo thời gian thực
sẽ thúc đẩy thị trường đo lường nước thông minh. Các hệ thống này có thể thu thập
và chẩn đoán dữ liệu tiêu thụ tự động từ các thiết bị đo và truyền đến cơ sở dữ liệu
trung tâm để liên lạc và thanh toán một chiều.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




6

Hình 1.4: Thị trường đồng hồ nước thông minh Châu Á - Thái Bình Dương.
Thị trường đo lường nước thông minh AMI sẽ tăng hơn 30% vào năm 2024.
Tiến bộ công nghệ trong việc đo lường chính xác, giảm thiểu tình trạng thiếu nước
và đảm bảo thanh toán hiệu quả có ảnh hưởng tích cực đến sự phát triển của thị
trường.

Thị trường đồng hồ nước thông minh của Nhật Bản sẽ vượt qua 44 triệu
USD vào năm 2024. Các quy định về sử dụng các thiết bị đo thông minh và duy trì
nguồn cung nước hiệu quả sẽ ảnh hưởng tích cực đến tăng trưởng kinh doanh. Luật
đo lường đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của đồng hồ đo nước theo các tiêu
chuẩn và quy định và khung thời gian để thay thế các đồng hồ hiện có.
Việc triển khai tích cực các giải pháp công nghệ thông minh cho các hoạt
động hợp lý cùng với đầu tư khu vực tư nhân mạnh mẽ sẽ thúc đẩy tăng trưởng thị
trường nước thông minh của Malaysia. Các công ty cung cấp nước đang phải đối
mặt với thất thoát lớn do cơ sở hạ tầng lão hóa và rò rỉ nước trong mạng lưới phân
phối. Theo Bộ Năng lượng, Công nghệ xanh & Nước, năm 2015, nước không tạo
doanh thu do hao hụt, tiêu thụ tại các đấu nối bất hợp pháp, rò rỉ và sử dụng cho các
mục đích khác chiếm hơn 31%.
Việc áp dụng các công nghệ đo lường hiệu quả nhờ tiến bộ công nghệ với
mục đích đảm bảo kênh phân phối hiệu quả sẽ thúc đẩy thị trường đo lường nước

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




7

thông minh của Úc. Khu vực đã chứng kiến số lượng các dự án và đầu tư đáng kể
cho việc áp dụng các giải pháp đo lường cao cấp. Vào tháng 3 năm 2018, Coliban
Water đã dành 6 năm để phát triển dòng đồng hồ đo nước thông minh cho người
tiêu dùng.
Những doanh nghiệp lớn hoạt động trên thị trường đo lường nước thông
minh của các nước Châu Á - Thái Bình Dương bao gồm Itron, Landis + GYR,
Schneider Electric, Siemens, Badger Meter, Arad Group, Neptune, Sensus,
Honeywell, Kamstrup và Diehl Metering.

1.3.2. Tình hình triển khai đồng hồ nước thông minh tại thị trường Việt Nam
Từ tháng 4/2017, sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, học tập kinh
nghiệm trong nước và các nước tiên tiến, Công ty cổ phần Cấp nước Bến Thành đã
mạnh dạn lắp đặt hơn 1.000 đồng hồ nước thông minh tại khu vực trung tâm
TPHCM (thuộc tuyến đường Lê Thánh Tôn, quận 1). Có 2 loại đồng hồ nước thông
minh được đơn vị này triển khai thí điểm. Đối với những khách hàng lớn như nhà
hàng, khách sạn, công ty lắp đặt loại đồng hồ nước có cài đặt sim để truyền thông
tin sử dụng nước của khách hàng về trung tâm xử lý và nhân viên không cần đến tận
nơi để đọc số. Riêng đối với hộ dân, công ty lắp đặt loại đồng hồ 15mm truyền được
sóng radio. Nghĩa là nhân viên muốn biết chỉ số sử dụng nước của khách hàng có
thể vận chuyển bằng xe máy hoặc xe đạp đến khu vực nhà khách hàng, trong cự ly
100m, tất cả thông tin của khách hàng sẽ tự động nhảy vào máy của nhân viên đọc
số. Thiết bị này sẽ đẩy dữ liệu của khách hàng về trung tâm xử lý của Công ty CP
Cấp nước Bến Thành.
Qua công tác triển khai thí điểm cho thấy, việc sử dụng đồng hồ nước thông
minh thể hiện khá nhiều tiện ích, đặc biệt là nâng cao năng suất lao động. Cụ thể,
đối với đồng hồ cơ (loại đồng hồ đang được sử dụng hiện nay), để đọc được 1.000
đồng hồ nước, cần đến 5 nhân viên đọc số trong 1 ngày. Nhưng đối với loại đồng hồ
nước thông minh, trong 1 ngày, 1 nhân viên có thể đọc 3.000 địa chỉ khách hàng.
Ngày 21/12/2018, Công ty cổ phần cấp nước Thủ Đức (thuộc Tổng Công ty
cấp nước Sài Gòn TNHH một thành viên) cùng Công ty cổ phần Rynan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




8

Technologies Việt Nam (Công ty Rynan) đã ký kết hợp tác triển khai thí điểm lắp

đặt 93 đồng hồ nước thông minh tại khu vực phường Linh Trung, Q.Thủ Đức,
TP.HCM.
Theo TS Nguyễn Thanh Mỹ - Tổng giám đốc Công ty Rynan (đơn vị sản
xuất đồng hồ nước thông minh), đồng hồ nước thông minh này có bộ phận điện tử
tự động thu thập, mã hóa và truyền dữ liệu về máy tính chủ để lưu trữ. Sau đó, dữ
liệu được phân tích, tổng hợp để thông tin cho khách hàng về lưu lượng, áp lực,
chất lượng nước theo thời gian thực; lượng nước đang sử dụng tương đương số tiền
cụ thể; đồng thời đồng thời đồng hồ cũng cảnh báo nếu có hiện tượng rò rỉ
nước…thông qua app trên smart phone.
Ông Bùi Thanh Giang, phó tổng giám đốc Tổng Công ty cấp nước Sài Gòn
TNHH một thành viên cho hay việc áp dụng đồng hồ nước thông minh này cũng sẽ
giúp nâng cao hiệu quả trong quản lý hệ thống cấp nước. Ví dụ khi dữ liệu được
truyền về trung tâm thì giảm được nhân viên đi đọc số; thông qua cảnh báo rò rỉ trên
đường ống giúp xử lý kịp thời ngăn các các sự cố bể vỡ đường ống đồng thời giảm
đáng kể tỷ lệ thất thoát nước…

Hình 1.5: Đồng hồ nước thông minh do Công ty Rynan sản xuất.
Rào cản lớn nhất hiện nay là chi phí đầu tư đồng hồ nước thông minh gấp 34 lần so với đồng hồ nước hiện hữu. Mỗi đồng hồ nước thông minh có giá từ 2 triệu
đồng trở lên, trong khi đồng hồ nước hiện nay chỉ 500 - 700 ngàn đồng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




9

1.3.3. Đồng hồ nước thông minh theo chuẩn truyền thông Zigbee/IEEE
802.15.4
Trong bài báo [7], các tác giả đã trình bày về hệ thống đọc dữ liệu từ các

đồng hồ nước dựa trên công nghệ Zigbee/IEEE 802.15.4. Hệ thống này gồm 2 phần
chính. Phần lớp mạng phía dưới bao gồm các đồng hồ nước thông minh, các thiết bị
thu thập dữ liệu và các bộ tập trung dữ liệu. Phần lớp mạng phía trên bao gồm các
máy tính, máy chủ để quản lý thông tin, hiển thị dữ liệu, in ấn báo cáo. Hình 1.6
minh họa mô hình hệ thống. Giao thức

Hình 1.6: Các thành phần của hệ thống.
Các đồng hồ nước thông minh và các thiết bị thu thập, tập trung dữ liệu
truyền thông với nhau theo chuẩn IEEE 802.15.4. Dữ liệu từ các đồng hồ nước
được bộ tập trung dữ liệu gửi về máy chủ thông qua chuẩn truyền thông GPRS.
Đồng hồ nước thông minh bao gồm ba thành phần chính đó là: Thiết bị đo, vi điều
khiển và các module truyền thông vô tuyến.
 Thiết bị đo là thành phần quan trọng có nhiệm vụ đo chính xác lượng nước
tiêu thụ. Cấu trúc của thiết bị đo giống như đồng hồ nước cơ học và nó
liên quan đến độ chính xác của phép đo.
 Vi điều khiển được ví là bộ não của đồng hồ nước thông minh. Vi điều
khiển có thể điều khiển các bộ phận khác như van điều khiển, lưu trữ dữ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




10

liệu, điều khiển truyền thông, quản lý năng lượng, điều khiển báo động. Vi
điều khiển có thể đọc dữ liệu và lưu trữ dữ liệu vào bộ nhớ EEPROM. Dữ
liệu sau đó có thể được đọc từ EEPROM và truyền dữ liệu về điểm thu
thập qua chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4.
 Module truyền thông sử dụng chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4. Chuẩn

truyền thông này hỗ trợ 3 cấu trúc liên kết mạng khác nhau đó là cấu trúc
mạng hình sao, cấu trúc mạng hình cây và cấu trúc mạng lưới. Trong bài
báo [7], các tác giả tập trung nghiên cứu cấu trúc mạng hình sao. Trong
cấu trúc mạng hình sao, các đồng hồ nước thông minh gửi trực tiếp dữ liệu
về thiết bị thu thập dữ liệu. Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên
cứu các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu theo cấu trúc mạng hình cây.
Đây cũng là điểm khác biệt và là đóng góp chính của tác giả.

1.4. Lớp vật lý theo chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4
Chuẩn IEEE 802.15.4 là một chuẩn truyền thông không dây cho các ứng
dụng công suất thấp và tốc độ dữ liệu thấp. Tiêu chuẩn này đã được phát triển cho
mạng cá nhân (PAN) bởi nhóm làm việc trong Viện kỹ thuật điện và điện tử
(IEEE). Chuẩn IEEE 802.15.4 có tốc độ dữ liệu tối đa là 250.000 bit/s và công suất
đầu ra tối đa 1mW. Các thiết bị IEEE 802.15.4 có một phạm vi phủ sóng hẹp trong
vài chục mét. Điểm chính trong các đặc điểm kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.15.4 là
cho phép các bộ thu phát chi phí thấp và ít phức tạp, điều này đã làm cho chuẩn
IEEE 802.15.4 phổ biến với mạng cảm biến không dây. Nhiều công ty sản xuất các
thiết bị tuân thủ theo chuẩn IEEE 802.15.4.
Bởi sự có mặt khắp nơi của chuẩn IEEE 802.15.4 và sự sẵn có của các bộ thu
phát vô tuyến tương thích với IEEE 802.15.4, nên gần đây rất nhiều ngăn xếp vô
tuyến công suất thấp đã được xây dựng trên chuẩn IEEE 802.15.4 như là:
WirelessHART, ISA100a, IPv6 và ZigBee.
Kích thước tối đa gói tin trong chuẩn IEEE 802.15.4 là 127 byte. Các gói tin
có kích thước nhỏ bởi vì chuẩn IEEE 802.15.4 được sử dụng cho các thiết bị với tốc
độ dữ liệu thấp. Do lớp MAC thêm vào phần tiêu đề cho các gói tin nên lượng dữ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN