Theo tổ chức ABI Research, tốc độ tăng trưởng kép của công nghệ vô tuyến diện rộng công suất thấp LPWAN (low-power, wide area networks) đạt hơn 53%/năm (năm 2023) và sẽ có hơn một tỷ thiết bị IoT được kết nối trên toàn cầu. Với hai công nghệ chủ đạo LoRaWAN và NB-IoT, phần lớn các ứng dụng của công nghệ LPWAN dành cho công tơ nước và công tơ điện tử.

Với nhiều ưu điểm của công nghệ LPWAN hiện nay trên thế giới đã và đang ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực với tốc độ phát triển rất nhanh. Tại Việt Nam, ngày 01/08/2018, Thủ tướng Chính phủ chính thức ban hành Quyết định số 950/QĐ-TTg về phê duyệt "Đề án phát triển đô thị thông minh bền vững Việt Nam giai đoạn 2018 - 2025 và định hướng đến năm 2030". Ngoài ra, ngày 16/11/2020, Bộ Thông tin Truyền thông đã ban hành Thông tư số 38/2020/TT-BTTTT ban hành Quy chuẩn Việt Nam số QCVN 122:2020/BTTTT “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về thiết bị vô tuyến mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) băng tần 920 MHz đến 923 MHz”. Quy chuẩn này được phép áp dụng rộng rãi với dải băng tần hoàn toàn miễn giấy phép. Đây cũng là tiền đề cho Cloud Energy phát triển các giải pháp IoT để góp phần xây dựng thành phố thông minh.

LoRaWAN là công nghệ với tiêu chuẩn mở được đưa ra bởi các tổ chức uy tín thuộc liên minh công nghệ phi lợi nhuận (LoRaWAN Alliance) đảm bảo khả năng tương tác giữa các thiết bị và sự phát triển vượt trội của công nghệ IoT trong thời đại công nghệ 4.0. LoRaWAN có đặc điểm phủ sóng rất rộng, băng thông thấp, kích thước gói tin nhỏ và tuổi thọ pin dài. Mỗi cổng thu sóng LoRaWAN có khả năng phủ sóng với diện tích có bán kính tối đa 2km trong khu đô thị; bán kính 8km ngoài đô thị và đến bán kính 15km ở khu vực trống không có vật che khuất. Tốc độ truyền nhận dữ liệu đạt lên đến 50kbps.

Nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Ươm tạo doanh nghiệp công nghệ thuộc trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã tiến hành ứng dụng công nghệ mạng truyền thông vô tuyến diện rộng công suất thấp LPWAN (LoRa, NB-IoT) để quản lý năng lượng thông minh cho tòa nhà, hệ thống điện năng lượng mặt trời.

Nghiên cứu được thực hiện qua hai giai đoạn, với các nội dung đã được tiến hành như: trong giai đoạn 1, hoàn thành các nội dung gồm nghiên cứu hoàn thiện thiết bị với các tần số cụ thể, phù hợp với tiêu chí kết nối LPWAN tại Việt Nam; nghiên cứu thiết kế/chế tạo mô đun NB-IoT RS485 có khả năng kết nối công tơ điện (Vinasino, Gelex); nghiên cứu/xây dựng API lưu trữ dữ liệu; nghiên cứu/xây dựng website dành cho người dùng quản lý. Trong giai đoạn 2, các nội dung đã được hoàn thành gồm nghiên cứu/xây dựng website dành cho người dùng khách hàng (xây dựng các tính năng theo dõi lượng sử dụng, cho phép chỉnh sửa thông tin cá nhân, thông báo các trường hợp bất thường); xây dựng phương pháp phân tích dữ liệu thành các báo cáo về năng lượng; xây dựng hệ thống cảnh báo sự cố (cảnh báo sự cố mất điện cục bộ, cảnh báo sự cố quá tải cục bộ); xây dựng hệ KPI mẫu cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng (xây dựng hệ KPI áp dụng cho công tơ điện, cảnh báo khi các thông số vi phạm KPI đã cài đặt); nghiên cứu phương pháp tích hợp mô đun cùng công tơ điện để theo dõi lượng sử dụng điện năng (phương pháp tích hợp mô đun thông qua cổng xung, thử nghiệm tích hợp mô đun trên các công tơ điện để theo dõi lượng sử dụng điện năng thông qua cổng RS485).

Trong đó, về kết quả nghiên cứu hoàn thiện thiết bị với các tần số cụ thể, phù hợp với tiêu chí kết nối LPWAN tại Việt Nam, nhóm thực hiện đã xác định được các tần số cụ thể của thiết bị cho kết nối LoRaWAN tại Việt Nam; xác định tần số và loại mô đun NB-IoT cho nhà mạng Viettel; nghiên cứu thiết kế/chế tạo mô đun NB-IoT RS485.

Cụ thể như xác định dải tần số 920 – 923MHz (AS923-2); nhiệm vụ chu kỳ (Duty Cycle): tải về ít hơn 1%, tải lên ít hơn 1% thời gian; kiểu kích hoạt (Activation) ABP hoặc OTAA; phiên bản (Version) 1.0.2 trở lên; lớp (Class): A, B, C; cường độ tín hiệu nhỏ hơn 25mW EIRP (13.97 dBm EIRP). Ngoài ra cũng xác định cụ thể các tần số tải lên danh định, tần số tải xuống danh định, chuyển đổi tốc độ truyền công nghệ LoRaWAN thành cấu hình, tốc độ bit (Bit rate), dung lượng gói tin,… Với phương pháp phân tích phổ sóng thông qua thực nghiệm tại hiện trường, nhóm thực hiện đề tài đã ghi nhận kết quả phổ sóng với các tần số trên đủ tiêu chuẩn để phát triển ứng dụng LoRaWAN trên diện rộng. Điển hình kết quả đo phổ sóng tại khu vực Phong Phú, Bình Chánh (Thành phố Hồ Chí Minh) cho cường độ nền từ -110bBm đến -106dBm.

Về thiết kế/chế tạo mô đun NB-IoT RS485, các tác giả đã hoàn thành thiết kế PCB bo mạch mô đun NB-IoT RS485; lập trình firmware cho mô đun NB-IoT; thiết kế phần nhựa mô đun NB-IoT RS48. Trong đó, mạch PCB được thiết kế nguyên lý bao gồm khối vi xử lý (sử dụng MCU STM32L151C8T6 dòng ARM Cortex M3 Microcontroller IC 32 -Bit 32Mhz 64KB Flash, 48LQFP có cấu hình mạnh, giá thành thấp, dễ tìm mua và dễ sử dụng); khối nguồn (sử dụng nguồn 220VAC qua module chuyển đổi xuống 5VDC, từ 5VDC sử dụng IC HT7530 chuyển xuống 3VDC để cung cấp cho mạch,…); khối giao tiếp (có chuẩn RS485 để giao tiếp với các thiết bị công nghiệp, sử dụng chip ST3485, giao tiếp NFC để cấu hình thiết bị sử dụng IC ST25DV64K giao tiếp qua chuẩn I2C). Mạch PCB đã được gia công hoàn thiện bởi nhà máy tại Khu Công nghệ cao Thành phố Hồ Chí Minh.

Thiết bị quản lý năng lượng thông minh Cloud Energy giúp ứng dụng công nghệ mạng truyền thông vô tuyến diện rộng công suất thấp LPWAN (LoRa, NB-IoT) để quản lý năng lượng thông minh cho tòa nhà, hệ thống điện năng lượng mặt trời. Từ đó mang lại hiệu quả về kinh tế - xã hội và môi trường, vì đã góp phần giải quyết bài toán tiết kiệm điện năng trong việc sử dụng nguồn năng lượng điện tại các tòa nhà, căn hộ cao cấp, đô thị thông minh. Trong quá trình thực hiện nhiệm vụ, nhóm nghiên cứu đã triển khai áp dụng giải pháp cho một số tòa nhà tại TP. Hồ Chí Minh như Tòa nhà The Lancaster (22 - 22 bis Lê Thánh Tôn, Bến Nghé, Quận 1); Tòa nhà Dreamplex 195 (195 Điện Biên Phủ, Phường 15, Quận Bình Thạnh); Khu biệt thự Lancaster Eden (39 Trần Lựu, Phường An Phú - An Khánh, TP. Thủ Đức).

Nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ tiếp tục phát triển các mô hình kinh doanh và mở rộng thị trường trong nước cũng như quốc tế, đẩy mạnh tiếp cận thị trường và thương mại hóa dòng sản phẩm thiết bị quản lý năng lượng thông minh này. Đồng thời, định hướng nghiên cứu và phát triển các giải pháp/thiết bị khác nhằm đáp ứng kịp thời xu hướng quản lý năng lượng thông minh tại Việt Nam.

N.P.D (tổng hợp)