Có khoảng 75% dân số châu âu sống tại các khu vực thành thị. Thành phố thông minh hơn là bước phát triển tiếp theo của quá trình đô thị hóa, với sự đầu tư vào con người, nguồn vốn xã hội, quản lý tài nguyên, phát triển môi trường bền vững. Thành phố thông minh có thể được coi là một hệ sinh thái mới, với một số thành tố công nghệ cao. Hệ sinh thái thành phố thông minh là một hệ thống mở và linh hoạt, có khả năng tiêu thụ, chuyển hóa, giải phóng nguyên vật liệu, năng lượng để phát triển, thích ứng với những thay đổi và tương tác với con người và hệ sinh thái khác.

Ô nhiễm không khí gây hại cho sức khoẻ con người và môi trường. Mặc dù thực tế ô tô và khí thải công nghiệp đã giảm trong những năm gần đây nhưng nồng độ chất gây ô nhiễm không khí vẫn còn cao và vấn đề chất lượng không khí vẫn tồn tại. Một tỷ lệ đáng kể dân số Châu Âu sống ở các vùng - đặc biệt là các thành phố - nơi mà các chất gây ô nhiễm không khí đươc thải ra khí quyển vượt quá các tiêu chuẩn chất lượng không khí, gây ra hậu quả nghiêm trọng về sức khỏe. Nguy hiểm hơn nữa là khi một khu vực, quốc ra bị ô nhiễm không khí thì phạm vi ảnh hưởng của nó là rất rộng.

Tiếng ồn môi trường cũng ảnh hưởng đến một số lượng lớn người châu Âu và họ cũng nhận thức được đây là một trong những vấn đề chính về môi trường. Nó có thể ảnh hưởng đến con người cả về mặt sinh lý lẫn tâm lý, can thiệp vào các hoạt động cơ bản như ngủ, nghỉ ngơi, học tập và giao tiếp.

Ô nhiễm môi trường, tắc đường đang làm giảm chất lượng cuộc sống, gây mất thời gian đi lại và tiêu tốn rất nhiều nhiên liệu. Ủy ban châu âu ước tính chi phí tổn thất do việc tắc đường gây ra khoảng 150 tỷ USD mỗi năm ở châu âu. Dịch vụ tìm kiếm chỗ đỗ xe có sẵn sẽ làm giảm tắc đường, căng thẳng cho người lái xe, đồng thời tiết kiệm được nhiên liệu. Trên cơ sở tính toán ở Barcelona, Tây Ban Nha, hàng triệu lái xe phải dành trung bình 20 phút mỗi ngày để tìm kiếm chỗ đỗ xe, sản xuất 2.400 tấn khí thải CO2. Với các yêu cầu xuất phát từ người dân và chính phủ, tại thành phố Santander, dự án sáng kiến xây dựng bãi đỗ xe thông minh Santander thông minh được triển khai, với mục tiêu nâng cao chất lượng cuộc sống, ít tác động đến môi trường, giảm thiểu chi phí sinh hoạt.

Dự án Smart Santander

Dự án SMART SANTANDER, là dự án được phát triển bởi một vài công ty và tổ chức bao gồm: Telefonica I+D và trường đại học Cantabria với mục đích thiết kế, triển khai, đăng ký tại Santander và nó bao gồm các cảm biết, bộ điều khiển, camera, và màn hình hiển thị để cung cấp thông tin về thành phố. 1125 “Waspmotes” đã được triển khai để theo dõi các thông số khác nhau như tiếng ồn, nhiệt độ, độ sáng, CO và chỗ đậu xe miễn phí.

Hình 1: Bản đồ triển khai SmartSantander

Là duy nhất trên thế giới, SmartSantander thực sự là một cơ sở nghiên cứu thử nghiệm nhằm hỗ trợ các ứng dụng và dịch vụ điển hình cho các Thành phố thông minh trong tương lai. Dự án đặc biệt này đủ rộng, cởi mở và linh hoạt để cho phép liên kết theo chiều ngang và chiều dọc với các dự án khác và kích thích sự phát triển của các ứng dụng mới. Dự án này dự kiến triển khai 20.000 bộ cảm biến tại các thành phố châu Âu của Belgrade, Guildford, Lübeck và Santander (12.000), khai thác một loạt các công nghệ.

Giải pháp
Dự án này có thể được giải thích rõ hơn với sơ đồ sau đây, cho thấy các nút, các mạng được tạo ra và kết nối với Cloud.

Hình 2: Sơ đồ giải pháp

Một trong những thách thức chính mà thành phố gặp phải trong suốt dự án SmartSantander là xây dựng và phát triển ứng dụng qua mạng không dây (OTAP) để điều khiển các nút từ xa. Libelium đã hợp tác với Đại học Cantabria để cải tiến hệ thống OTAP, tạo ra một mạng lưới mạnh mẽ hơn và có thể nâng cấp bất cứ lúc nào từ bất cứ nơi nào.

Trong dự án này 1,125 Waspmotes đã được triển khai tại các địa điểm khác nhau trong thành phố Santander, để đo 5 tham số khác nhau:

1. Nhiệt độ
2. Ánh sáng
3. CO
4. Tiếng ồn
5. Chỗ đỗ xe miễn phí

Có 5 loại cảm biến được kết nối với Waspmote thông qua Gases Sensor Board (CO sensor: Cảm biến đo nồng độ CO), Parking Sensor Board (cảm biến đỗ xe), Smart Cities Sensor Board (noise sensor: Cảm biến đo tiếng ồn) hoặc trực tiếp Waspmote (temperature and luminosity: Nhiệt độ và ánh sáng).

Hình 3: a) Gas Sensor Board b) Parking Sensor Board c) Smart Cities Sensor Board

Mỗi cảm biến có hai radio để giao tiếp với tần số 2.4GHz (trừ cảm biến đỗ xe). Ở một đầu của giao tiếp, DigiMesh là giao thức được chọn để gửi thông tin môi trường. Mặt khác, giao thức IEEE 802.15.4 được sử dụng để thực hiện các kiểm tra trong mạng. Tất cả các nút trong mạng SmartSantander có thể được sử dụng để kiểm tra các thuật toán mới mà không có bất kỳ thời gian chết, trong khi công dân vẫn nhận được thông tin về môi trường của họ.

Nếu trong 5 tham số này vượt quá ngưỡng đã được cài đặt sẵn, hệ thống sẽ phân tích thông tin và có thể phản ứng bằng cách gửi báo động đến nút trung tâm (cổng không dây, Meshlium, trong trường hợp này). Để biết vị trí của bộ cảm biến, mỗi Waspmote có thể tích hợp một hệ thống định vị toàn cầu (GPS) cung cấp thông tin vị trí chính xác và thời gian.

Libelium cung cấp một số mô-đun không dây cho truyền thông vô tuyến:

Bảng 1: Thông số các model

Chúng ta có thể đạt được 40 km với các điều kiện LOS (Line of Sight: truyền theo đường thẳng) sử dụng mô-đun 868MHz. Hiệu suất cao của Waspmote làm cho đọc các thông số chính xác và truyền dẫn có độ tin cậy cao và linh hoạt, đặt các nút này ở khoảng cách trung bình 1,5 km.

Trong các điều kiện nhất định có thể truyền tin bằng GPRS/3G, như một mô đun tiện lợi hơn, dự phòng các tình huống đột xuất như báo cháy. Vì mô đun GPRS / 3G là “quad-band”, nó có thể hoạt động ở bốn dải tần số khác nhau và hỗ trợ bất kỳ nhà cung cấp kết nối di động nào, làm cho nó có thể hoạt động trên khắp thế giới. Theo cách này, dự án chúng tôi mô tả phù hợp với bất kỳ quốc gia nào

Một trong những đặc điểm chính của Waspmote là tiêu thụ điện năng thấp:

• 9 mA, chế độ ON

• 62 μA, chế độ ngủ

• 0,7 μA, chế độ ngủ đông

Waspmote sẽ ngủ hầu hết thời gian, để tiết kiệm pin. Sau vài phút (do người sử dụng cài đặt), Waspmote khởi động, đọc từ các cảm biến, thực hiện giao tiếp không dây và chuyển sang chế độ ngủ.

Quá trình triển khai

Triển khai mạng cảm biến không dây được thực hiện bởi IDOM và TTI Norte, hai công ty Tây Ban Nha chuyên về viễn thông và kỹ thuật. Thứ nhất, một nghiên cứu về độ bao phủ đã được thực hiện để biết nơi để đặt cảm biến và bộ lặp để tối đa hóa diện tích bao phủ của dự án. Nghiên cứu đã chia thành phố thành 22 khu vực khác nhau.

Hình 4: Ví dụ về 1 vùng Santander bao gồm Meshlium và các nút cảm biến của nó

Mỗi khu vực có một cổng không dây Meshlium để thu thập dữ liệu từ các cảm biến: số lượng cảm biến phụ thuộc vào khu vực phải bao phủ. Quá trình này liên quan đến việc triển khai khu vực theo vùng, tạo ra các mạng độc lập hoạt động trên các kênh tần số khác nhau mà không có sự can thiệp từ nhau.

Thứ nhất, cảm biến được kiểm tra nghiêm ngặt sau đó mỗi nút được đặt trong một hộp IP-65 có thể được triển khai trong điều kiện khắc nghiệt của thành phố Santander.

Hình 5: Hộp SmartSantander có chứa Waspmote với bộ cảm biến tiếng ồn

Các cảm biến được đặt trên các cột đèn hoặc mặt tiền tòa nhà, tăng tính thẩm mỹ của thành phố. các hộp sẽ sử dụng chung điện với các bóng đèn chiếu sáng mà không có bất kỳ nguy hiểm cho công trình công cộng. Sử dụng máy biến áp để điều chỉnh dòng điện và điện áp cung cấp năng lượng cho các nút.

Hình 6: Hộp cảm biến SmartSantander đặt trên một đèn chiếu sáng (Waspmote ở bên trong)

Mặt khác, Waspmotes đã được triển khai ở các vị trí khác nhau trong thành phố Santander, đo từ trường để phát hiện xem có chỗ đỗ xe miễn phí hay không. Cảm biến từ trường được nối với Waspmote thông qua “Smart Parking Sensor Board”. Những cảm biến này phát hiện ra sự biến thiên của từ trường tạo ra bởi một chiếc xe đậu trên nó. Để làm được điều đó, cảm biến được chôn dưới bề mặt đường bên trong vỏ chống thấm nước.

Hình 7: a) Các Waspmotes chôn dưới bề mặt đường b) Hiển thị các điểm đỗ xe miễn phí

Mỗi Meshlium thu thập dữ liệu từ tất cả các cảm biến trong vùng của nó, lưu trữ dữ liệu trong cơ sở dữ liệu MySQL và gửi thông tin tới Internet thông qua kết nối 3G hoặc Ethernet. Meshliums được đặt trên đỉnh của tòa nhà để tối đa hóa diện tích bao phủ.

Hình 8: Meshliums được sử dụng trong dự án SmartSantander

Kết quả của việc cài đặt này, các thông số môi trường có thể được theo dõi để nghiên cứu thêm và người dân cũng có thể biết chúng nhờ các bản đồ thời gian thực có sẵn để xem. Hơn nữa, dự án SmartSantander là một mạng lưới quy mô lớn để thử nghiệm cho phép các nhà nghiên cứu từ khắp nơi trên thế giới kiểm tra các thuật toán khác nhau trong một môi trường thực.

Tài liệu tham khảo:

- Smart Parking and environmental monitoring in one of the world’s largest WSN

- Advancing e-Government using Internet of things: A system review of benefit - Paul Brous and Marijn Janssen, Delft University of Technology, Delft, The Neithelands.

- The Internet of Things, A survey of topic and trends; Springer Science, Business Media, New York 2014 - Andrew Witmore, Anurag Agarwal, Lidaxu.

Nguyễn Hồng Quân