Mô hình mạng mắt lưới không dây để ghép nối với hệ thống đọc tự động chỉ số công tơ

Mô hình mạng mắt lưới không dây để ghép nối với hệ thống đọc tự động chỉ số công tơ Công ty điện lực Israel (Israel Electric Company - IEC) đã quyết định nghiên cứu một hệ thống dựa trên mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) để nâng cao kết quả hoạt động bằng cách áp dụng AMR không dây và theo dõi theo thời gian thực. Hệ thống đọc tự động chỉ số công tơ. I. Mở đầu Mục tiêu chủ yếu đối với phần lớn các hệ thống AMR/AMI (Automatic Meter Reading/Automatic Metering Infrastructure - đọc tự động chỉ số công tơ/cơ sở hạ tầng đo lường tự động) là cho phép tiếp nhận các dữ liệu cần thiết từ công tơ điện, không cần phải thực tế đấu nối hoặc tiếp cận, và cho phép điều khiển từ xa các mạch điện đấu gắn với công tơ nhờ một ứng dụng trung tâm điều khiển. Do có khả năng xác định chính xác mức tiêu thụ của khách hàng theo thời gian thực, nên các hệ thống AMR/AMI rất quan trọng đối với công ty điện lực, giúp công ty giảm chi phí vận hành và có được các hệ thống quản lý linh hoạt dựa trên theo dõi tiêu thụ điện năng theo thời gian thực. Hơn nữa, các hệ thống AMR/AMI có thể sử dụng để báo cáo các vụ chọc ngoáy công tơ theo thời gian thực, và cũng có thể cắt điện khách hàng hoặc nối điện trở lại từ xa. Vì vậy hệ thống AMR/AMI là một hệ thống đo lường thông minh theo thời gian thực cho các công ty điện lực có tiềm năng cải thiện hoạt động kinh doanh và độ tin cậy kỹ thuật của các tác nghiệp khác nhau thuộc công ty. II. Dự án của Công ty điện lực Israel Công ty điện lực Israel (Israel Electric Company - IEC) quyết định nghiên cứu một hệ thống dựa trên mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) để nâng cao kết quả hoạt động bằng cách áp dụng AMR không dây và theo dõi theo thời gian thực. Theo truyền thống, IEC sử dụng phương pháp đọc chỉ số công tơ bằng thủ công, theo đó nhân viên IEC phải đến tận nơi để đọc bằng mắt chỉ số. Lý do chính để IEC quyết định thu thập chỉ số công tơ bằng phương pháp không dây là tiềm năng hiệu quả về chi phí của phương pháp thu thập dữ liệu tiêu thụ điện năng dùng cho hệ thống lập hoá đơn. Sử dụng hệ thống AMR/AMI có thể cắt giảm chi phí vận hành, không cần nhân viên đọc chỉ số. Một lợi ích nữa là giá trị gia tăng dự kiến từ các dịch vụ mới như cắt giảm từ xa dịch vụ khách hàng, dịch vụ trả trước, tín hiệu về giá điện theo thời gian thực và kiểm tra việc sử dụng điện của khách hàng. IEC đã xác định một loạt các yêu cầu cần thực hiện trong mạng đo lường theo hướng áp dụng AMR/AMI, các hệ thống này hỗ trợ cả các chức năng hiện nay cũng như các yêu cầu nghiệp vụ tương lai: 1) Lập hoá đơn từ xa, bằng việc chuyển chỉ số công tơ qua mạng tới cổng của Trung tâm điều khiển của IEC để sử dụng cho việc tính hóa đơn và cho các mục đích quản lý. Mỗi lần đọc trên mạng được khởi đầu bởi trung tâm điều khiển. Tốc độ đọc tối đa là 30 phút một lần, tốc độ tối thiểu là 24 giờ một lần và nhiều nhất là 250 công tơ cho một phần tử cơ sở mạng (cell). 2) Kết nối từ xa và giảm bớt dịch vụ. Hoạt động này là một lệnh chứ không phải là một chức năng điều khiển, có thể được khởi đầu bởi Trung tâm điều khiển và cần được thực hiện ở cấp công tơ trong vòng một vài giây. 3) Theo dõi quá tải, bằng việc chuyển chỉ số công tơ tới Trung tâm điều khiển, tại đó chỉ số được ghi lại hoặc sử dụng để kích hoạt việc cắt điện khách hàng từ xa, do đó nó hoạt động như cầu chì từ xa. 4) Theo dõi hiện tượng chọc ngoáy, bằng việc chuyển tới Trung tâm điều khiển sự thay đổi trạng thái của máy dò chọc ngoáy bố trí bên trong công tơ. 5) Triển khai và bảo trì đơn giản, chi phí thấp. Việc lắp đặt, tháo đi, bổ sung, thay thế và bảo trì được thực hiện bởi các nhân viên bình thường, không yêu cầu được đào tạo cho công việc đó. 6) Tính linh hoạt cao, đặc biệt khi các điều kiện lan truyền tần số rađio thay đổi, ví dụ như xây thêm hoặc dỡ bỏ ngôi nhà gần đó, hoặc thay đổi bên trong toà nhà nơi đặt công tơ, ví dụ như xây thêm tầng hoặc thêm bớt vách ngăn. Từ kinh nghiệm trước đó, IEC biết rằng một trong những yêu cầu khó khăn nhất của hệ thống AMR/AMI này là mạng truyền thông dữ liệu phải có độ tin cậy và tính năng cao, và một trong những mục tiêu chính đề ra là đáp ứng yêu cầu này. III. Mô hình mới của mạng cảm biến không dây A. Mở đầu Để đạt được một tập hợp các tính năng nghiêm ngặt cần phải có mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN). Trong nhiều trường hợp, tập hợp các tính năng này bao gồm: Đơn giản trong triển khai và bảo trì, cũng như linh hoạt cao đối với những thay đổi của môi trường xung quanh. Để đạt được tập hợp các tính năng này, mỗi mạng hiện đại gắn bó chặt chẽ với một tập hợp cụ thể các kỹ thuật trong số vô vàn các kỹ thuật được phát triển trong những năm qua. Mô hình WSN mô tả trong bài báo này áp dụng một số các kỹ thuật đó, được kết hợp theo một cách mới và độc nhất vô nhị, nhằm đáp ứng tập hợp các tính năng theo yêu cầu của mạng mắt lưới không dây được IEC dùng cho AMR. B. Mô hình hệ thống Mô hình mạng mắt lưới không dây (WMN) mô tả trong bài báo này là sự kết hợp độc đáo một số kỹ thuật, như tràn (flooding), truyền thông hợp tác (cooperative communication) và OLA (Opportunistic Large Arrays) với phần tử bổ sung là hòa đồng bộ. Phần tử cơ sở (cell) của mạng bao gồm một tập hợp các điểm nút và một bộ điều phối (coordinator, và khả năng có một bộ điều phối luân phiên để tăng độ tin cậy) và sử dụng tôpô mắt lưới. Bộ điều phối là một điểm nút chuyên môn hóa, điểm nút này hoạt động như một cổng truyền thông giữa Trung tâm điều khiển (vị trí trung tâm của Công ty điện lực) và mạng đó, đồng thời cũng như một bộ phận đơn giản quản lý phần tử mạng với khả năng tiếp nhận, truyền đi và lưu trữ: 1) Nhận từ Trung tâm điều khiển một bảng các điểm nút và lưu trữ lại. 2) Nhận từ Trung tâm điều khiển các lệnh tải hữu ích (payload command) và lưu trữ lại, sau đó chuyển chúng vào mạng. 3) Truyền các dữ liệu vận hành tải hữu ích tới những điểm cuối của phần tử mạng. 4) Nhận các dữ liệu tải hữu ích từ mạng các điểm nút và lưu trữ, sau đó chuyển tải hữu ích tới Trung tâm điều khiển, theo yêu cầu của Trung tâm điều khiển. 5) Cập nhật bảng các điểm nút đã lưu trữ cùng với trạng thái của các điểm nút (hoạt động/không hoạt động) và báo cáo các thay đổi về Trung tâm điều khiển. Hình 1- Sơ đồ khối phân tử cơ sở của mạng Tất cả các điểm nút của hệ thống, ngoại trừ bộ điều phối, đều đồng nhất và hoạt động vừa như một giao tiếp giữa bộ cảm biến (công tơ điện) và mạng, vừa như một thành viên nhận và phát của mạng. Các chức năng của chúng là: 1) Nhận các dữ liệu vận hành từ công tơ và lưu trữ lại. 2) Nhận các dữ liệu truyền tới, giải mã, ghi lại và thực thi các dữ liệu mạng theo các quy tắc sẽ được nêu chi tiết dưới đây. 3) Chuyển tiếp các dữ liệu vận hành tới công tơ. 4) Truyền các dữ liệu vận hành theo các quy tắc sẽ được nêu chi tiết dưới đây. Các tin truyền (transmission) sử dụng kỹ thuật điều biến/khử điều biến đánh tín hiệu dịch tần Gauss (Gaussian Frequency Shift Keying – GFSK) đồng bộ và nhảy tần số (frequency hopping) ở các băng tần 870/915 MHZ không cần cấp phép. Truyền thông giữa bộ điều phối và Trung tâm điều khiển, cũng như giữa điểm nút và công tơ như đã nêu là nhằm mô tả đầy đủ việc nghiên cứu, nhưng không thuộc phạm vi của bài báo này, do đó dưới đây bài báo chỉ tập trung vào vấn đề về vận hành mạng. C. Các quy tắc của điểm nút Những quy tắc sau đây áp dụng cho các tin truyền mà điểm nút nhận được: 1) Bỏ qua các tin truyền không thuộc về phần tử cơ sở điểm nút. 2) Các tin truyền thuộc về phần tử cơ sở điểm nút, nhưng không gửi tới điểm nút cụ thể thì được truyền đi ở khung tiếp sau. 3) Các tin truyền thuộc về phần tử cơ sở điểm nút và được gửi tới điểm nút cụ thể. Các tin truyền này lại được chia thành ba loại: 1) Lệnh của mạng từ bộ điều phối tới điểm nút. Khi nhận lệnh này, điểm nút khởi tạo truyền thông khung tiếp theo để gửi tải hữu ích tới bộ điều phối. 2) Các lệnh mạng khác của mạng từ bộ điều phối tới điểm nút được chấp hành theo quy tắc của mỗi lệnh. 3) Tải hữu ích, tải này được chuyển tiếp (forward) tới công tơ. D. Giao thức truyền thông Giao thức truyền thông cơ bản là đa truy cập phân chia thời gian (Time Division Multiple Access – TDMA) với kết cấu nhỏ nhất được gọi là khung con (subframe) và mang các dữ liệu sau: 1) Địa chỉ gốc và địa chỉ nơi nhận. 2) Một tập hợp nhỏ các dữ liệu lệnh và dữ liệu điều khiển của mạng. 3) Tải hữu ích - các dữ liệu vận hành khác nhau. Nhiều khung tương đồng được kết hợp trong một khung. Nsf - số lượng khung nhỏ trong một khung tương ứng với số lượng tối đa các bước nhảy giữa bộ điều phối và điểu nút ở xa nhất trong phần tử cơ sở, cộng với một số bảo vệ để bù cho các điều kiện lan truyền tần số rađio bị xấu đi. Đối với hệ thống được mô tả trong nghiên cứu trường hợp cụ thể này, Nsf là cố định. Tuy nhiên mô hình có thể cải thiện bằng cách điều chỉnh động Nsf trong các môi trường năng động hơn hoặc trong các môi trường ở đó khó dự kiến trước số lượng bước nhảy cần thiết. Cách cải thiện như vậy vượt ra ngoài phạm vi bài báo này, và sẽ được triển khai sau này trong các công trình nghiên cứu bổ sung. Để lan truyền thông báo (message) từ điểm nút khởi tạo tới điểm nút nơi nhận, các điểm nút sử dụng kỹ thuật tràn đã nêu ở trên. Tất cả các nút nhận được một tin truyền sẽ chuyển tiếp chính xác tin truyền đó trong khung nhỏ theo liền sau khung nhỏ đi trước, theo kỹ thuật truyền thông hợp tác. Quá trình lặp đi lặp lại Nsf lần và sau đó dừng lại. Các dữ liệu được thu thập từ các điểm nút bằng cách hỏi vòng (polling), do bộ điều phối khởi đầu. Để thu thập dữ liệu từ một điểm nút cụ thể, mô hình sử dụng chu trình gồm hai khung - một khung từ bộ điều phối đến một điểm nút của mạng, bằng cách hỏi điểm nút cụ thể và một khung từ điểm nút cụ thể đó, để gửi dữ liệu của nó tới bộ điều phối, hoặc thu thập một bộ dữ liệu đầy đủ từ toàn bộ phần tử cơ sở mạng. Bộ điều phối hỏi tất cả Nn điểm nút đó theo một trật tự hỏi được ấn định cho hệ thống được mô tả trong công trình nghiên cứu này. Bộ điều phối lưu trữ các dữ liệu thu thập được để sau đó chuyển tiếp tới Trung tâm điều khiển theo yêu cầu. Như vậy, nếu thời gian của một khung nhỏ là Tsf, số lượng các điểm nút trong phần tử cơ sở của mạng là Nn và thời gian nghỉ là Tr, thì thời gian thu thập một bộ dữ liệu đầy đủ từ toàn bộ phần tử cơ sở của mạng Tssf, được gọi là siêu khung sẽ là: Tssf = [(Tsf x Nsf) + Tr] x Nn x 2 (1) Tương tự như OLA, mô hình này được thực hiện trong tầng vật lý, do đó thực tế loại trừ thời gian gián tiếp cho việc định tuyến (routing) của các can thiệp tầng cao hơn (MAC và tầng mạng) và chứng tỏ hiệu quả cao như đã được trình bày trong nhiều tài liệu. Sự tương đồng chỉ có đến thế. Khác với OLA, mô hình này sử dụng chế độ lan truyền đồng bộ, bằng cách sử dụng cách đồng bộ hoá ở mức khung và mức bit. Thay vì hoạt động theo mô hình “tích phân rồi phóng điện (integrate-and-fire) của OLA, mô hình “hoà đồng bộ rồi phóng điện” (synchronize-and-fire) được sử dụng, do đó đạt được khả năng kiểm soát hiệu ứng “thác” (avalanche) và khiến cho mạng trở nên tiên đoán được và quản lý được. Đồng bộ hóa cũng được thực hiện ở tầng vật lý, bằng cách sử dụng tin truyền để đồng bộ hoá trở lại các điểm nút ở khởi đầu của mỗi khung, phù hợp với nguyên tắc cộng tác truyền thông. Đồng bộ hóa cho phép các tin truyền có độ dài chu kỳ thay đổi khớp với các yêu cầu của trường hợp cụ thể (trong trường hợp các ràng buộc về tiết kiệm năng lượng có tầm quan trọng rất lớn, đồng bộ hóa cho phép các hệ thống duy trì ở chế độ tiêu thụ công suất thấp nhất cho phần lớn thời gian). Độ dài này của chu kỳ (D) là một trong các thông số mạng được gửi từ bộ điều phối tới các điểm nút và đội dài này có thể được Trung tâm điều khiển kiểm soát. IV. Thực hiện mô hình, tính năng và kết quả Hệ thống AMR/AMI dựa trên mô hình mạng mắt lưới không dây (WMN) được trình bày trong bài báo này đã được lắp đặt vào tháng 8/2005 trong một khu gồm các toà nhà nhiều tầng cho nhiều người thuê do IEC (Công ty điện lực Israel) lựa chọn để đại điện cho môi trường điển hình. Sau một năm thử nghiệm và khai thác thương mại, và kể từ đó hệ thống bao gồm một bộ điều phối và 100 điểm nút. Bộ điều phối được lắp trên một trụ ngoài phố của IEC và được nhà thầu chính của dự án (Công ty Motorola) kết nối với Trung tâm điều khiển của IEC. Kết nối sử dụng là loại rađio điểm - điểm của Motorola. Việc lắp đặt công tơ do các nhân viên bình thường chuyên về công tơ của IEC thực hiện cho các toà nhà 10 tầng và 4 tầng, khoảng cách từ toà nhà ở xa nhất tới bộ điều phối là 220 yard (200 m), được xác định là yêu cầu về khoảng cách lớn nhất đối với IEC. Tất cả các công tơ đều được kết nối với các thẻ (card) vô tuyến sử dụng các bộ phát sóng vô tuyến 100 mW trong dải tần không cần giấy phép 916 MHz và hoạt động như các điểm nút. Với 100 điểm nút (Nn = 100), thời gian khung nhỏ Tsf = 10 msec, số lượng bước nhảy Nsf được đặt là 20 và thời gian nghỉ được đặt là 800 msec, thời gian siêu khung để thu thập một bộ đầy đủ các dữ liệu từ toàn bộ phần tử cơ sở mạng là 200 sec. Tốc độ lấy mẫu cao nhất qui định là 30 phút một lần. Do đó có thể tăng qui mô của phần tử cơ sở mạng lên tới 900 công tơ cho một phần tử cơ sở mà không cần bất kỳ thay đổi nào về tham số, như vậy vượt xa các yêu cầu của nghiên cứu cụ thể này. Sự đơn giản và tốc độ triển khai đã vượt quá sự kỳ vọng, không có bất kỳ trục trặc nào được ghi nhận trong quá trình lắp ráp. Sau khi bộ điều phối được lắp đặt và các điểm nút/công tơ cuối cùng được triển khai, hệ thống bắt đầu hoạt động ngay sau vài phút, không cần điều chỉnh, tất cả các công tơ đều trả lời như dự kiến. Kể từ khi triển khai dự án đến thời điểm viết bài báo này (trên 2 năm), IEC đã thử nghiệm toàn diện toàn bộ hệ thống: Kiểm tra định kỳ mỗi tuần một lần tất cả các chỉ số công tơ và sự hoạt động của toàn hệ thống trong suốt một tuần, đôi khi vài lần một ngày. Mạng đã hoạt động đúng theo các yêu cầu kỹ thuật, không có bất kỳ trục trặc nào, mặc dầu có nhiều công việc xây dựng đã được thực hiện trong khu vực, trên đường phố, ngoại trừ trường hợp có một công tơ ngừng hoạt động do hỏng về cơ khí. Trục trặc này được phát hiện ngay trong ngày bởi một trong các thử nghiệm do trung tâm điều khiển thực hiện bởi vì thẻ không dây vẫn tiếp tục hoạt động. Nhân viên phụ trách công tơ của IEC đã thay thế công tơ. V. Kết luận Bài báo mô tả một mạng mắt lưới không dây hoạt động rất đồng bộ được thực hiện để đọc tự động chỉ số công tơ và theo dõi theo thời gian thực bằng phương pháp không dây. Mô hình sử dụng kỹ thuật tràn OLA cải tiến và truyền thông hợp tác, thêm vào đó là chế độ lan truyền độc đáo được đồng bộ hoá ở mức bit. Hệ thống sử dụng mô hình này được thực hiện thành công tại dự án thử nghiệm AMR/AMI của Công ty điện lực Israel và đến nay vẫn hoạt động theo đúng các yêu cầu kỹ thuật đề ra, không có bất kỳ trục trặc nào.