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

Thu thập Chỉ Số Nước Tiêu Thụ Tự động Ứng Dụng
Công Nghệ Bluetooth Beacon
Lê Hữu Nghĩa1, Ông Hoài Bảo2, Lương Vinh Quốc Danh3 và Ánh Đinh4
1Khoa

Điện tử, trường Cao Đẳng Nghề Cần Thơ
ty TMA Solutions, Tp. Hồ Chí Minh
3Bộ môn Điện tử - Viễn thông, Khoa Công Nghệ, trường Đại học Cần Thơ
4Khoa Công Nghệ, trường Đại học Saskatchewan, Canada
E-mail: , , ,
2Công

Tóm tắt— Công nghệ truyền thông không dây Bluetooth 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.

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 email 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.

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:

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 môđun 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.

a)

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.

b)

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

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).

129


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.

Hình 7. Lưu đồ giải thuật chương trình thu thập dữ liệu Beacon trên
điện thoại thông minh.

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 8. Giao diện phần mềm quét tín hiệu Bluetooth Beacon.

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:

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]
[2]

[3]

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.

[5]

[6]

[7]
[8]
[9]

[10]

[11]

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.

[4]

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

131

[12]
[13]

[14]
[15]

[16]

[17]

IEEE 802.15 WPAN Task Group 1 (TG1). URL:
truy cập ngày 28/9/2019.
Bluetooth
Low
Energy.
URL:
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:
truy cập ngày
28/9/2019.
ezWATER - giải pháp nâng cao tính tự động trong nghiệp vụ ghi chỉ
số đồng hồ nước. URL: truy cập ngày 28/9/2019.
Đồng hồ nước SWM015B. URL: truy cập ngày 28/9/2019.
NB-IoT smart water meter-Residential. URL: truy cập
ngày 28/9/2019.
NB-IoT water meter. URL: truy cập ngày 28/9/2019.
iBeacon. URL: truy cập ngày
28/9/2019.
Bluetooth
Low
Energy
–
Networking
guide.
URL:
truy cập ngày 28/9/2019.
Adam

Warski,
“How
do
iBeacons
work?”.
URL:
truy cập
ngày 28/9/2019.
Texas Instruments - Bluetooth low energy Beacons. URL:
truy cập ngày
28/9/2019.
SH-Meters. URL: , truy cập ngày
28/9/2019.
MSP430G2x53
datasheet.
URL:
truy cập ngày
28/9/2019.
USR-BLE101. URL: truy cập ngày 28/9/2019.
Bluetooth
Overview.
URL:
/>truy cập ngày 28/9/2019.
Industrial-grade
and
low-power
BLE
module.
URL:
truy cập ngày 28/9/2019.

Optimizing Current Consumption in Bluetooth Low Energy Devices.
URL: truy cập ngày 28/9/2019.