Có thể nói đó là một xu hướng mới mà trong đó vai trò của các công nghệ như Internet vạn vật (Internet of Thing - IoT), Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence - AI), Dữ liệu lớn (Big data)… chiếm vai trò dẫn dắt chủ đạo. Trong đó, xu hướng xây dựng Thành phố thông minh (SmartCity) đang được nhiều thành phố, nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam đang trong quá trình triển khai và xây dựng. Thậm chí một số quốc gia đã xây dựng và ban hành những chính sách tổng thể để hướng tới mục tiêu trở thành Quốc gia thông minh (SmartNational) như Singapore, Ấn Độ ... Điều này cũng đồng nghĩa với cơ sở hạ tầng công nghệ mới, chính sách đúng đắn sẽ biến đổi thành phố, quốc gia của ngày hôm nay để trở thành thành phố, quốc gia đáng sống của ngày mai.
Trong nhiều năm qua, Cục Tin học hóa với chức năng quản lý nhà nước về lĩnh vực công nghệ thông tin nói chung và lĩnh vực thành phố thông minh nói riêng đã tiến hành nhiều nghiên cứu, đánh giá các mô hình, các giải pháp và kinh nghiệm triển khai thực tế thành phố thông minh trên thế giới. Trong giới hạn của bài viết này sẽ giới thiệu một trong nhiều giải pháp ứng dụng công nghệ IoT để quản lý hệ thống chiếu sáng công cộng hiện nay tại các đô thị trên thế giới.
Vậy giải pháp ứng dụng công nghệ IoT để quản lý hệ thống chiếu sáng công cộng như thế nào?
Trong lĩnh vực cơ sở hạ tầng của một thành phố nói chung, chiếu sáng đường phố và nơi công cộng là một dịch vụ cộng đồng quan trọng. Tuy nhiên với hệ thống đèn đường cũ và phương pháp quản lý lạc hậu có thể tiêu thụ tới 40% ngân sách dành cho năng lượng của một thành phố. Công nghệ IoT được sử dụng thông qua kết hợp cảm biến chiếu sáng công cộng và công nghệ năng lượng mới đầy hứa hẹn và tiết kiệm đang trở thành một giải pháp “Chiếu sáng công cộng thông minh” thay thế cho toàn bộ hệ thống cung cấp chiếu sáng công cộng thông thường hiện nay.
Thuật ngữ “Chiếu sáng công cộng thông minh” đề cập đến cơ sở hạ tầng chiếu sáng nơi công cộng (đường phố, công viên …) thực hiện vai trò cung cấp ánh sáng công cộng truyền thống với những tính năng, công nghệ mới được thiết kế để tăng hiệu quả, năng suất và dịch vụ. Một hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh phải đáp ứng được những yêu cầu sau:
- Giảm tiêu thụ năng lượng điện của chiếu sáng công cộng thông qua kiểm soát khoảng thời gian bật tắt của ánh sáng. Giai đoạn này có thể được kiểm soát bằng cách sử dụng cảm biến mức độ ánh sáng môi trường hoặc bộ hẹn giờ tích hợp.
- Điều chỉnh giảm cường độ chiếu sáng thông qua giảm lưu lượng điện áp của mỗi đèn, để tiết kiệm năng lượng điện tiêu thụ.
- Sử dụng đèn và các thiết bị có hiệu suất cao, bao gồm tích hợp các thiết bị thông minh có thể điều chỉnh, tự động phát hiện sự cố nguồn điện và các vấn đề liên quan đến đèn như: Đo và gửi dữ liệu về trạng thái của ánh sáng, mức độ chiếu sáng, mức tiêu thụ năng lượng, điện áp, dòng điện và hệ số công suất; nhận lệnh ngắt và điều khiển ánh sáng…
Mặt khác, hệ thống quản lý trung tâm từ xa phải có chức năng cho phép điều khiển và giám sát từng đèn riêng lẻ. Với hệ thống này, người vận hành có thể theo dõi các thông số chính của bất kỳ cột đèn nào, bóng đèn nào từ phòng điều khiển hoặc thông qua thiết bị di động. Dữ liệu thu được có thể được phân tích xử lý, cho phép tính toán thống kê và dự báo mức tiêu thụ, trạng thái tuổi thọ của bóng đèn, điện áp, lỗi … Thông qua phương pháp này cho phép thay đổi từ qui trình bảo trì khắc phục sang qui trình bảo dưỡng dự phòng với mục tiêu tiết kiệm chi phí, thời gian cho công tác bảo trì hệ thống.
Bên cạnh đó, hệ thống này phải đảm bảo phù hợp cho 05 nhóm người dùng chủ yếu trong 03 khu vực chính như sau:
- Khu vực giao thông: Người lái xe; Người đi xe đạp; Người đi bộ;
- Khu vực giải trí đô thị: Người đi dạo trong công viên;
- Khu vực dân cư sinh sống: Cư dân cư trú, sinh sống hàng năm.
Ở phạm vi rộng hơn, hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh cho phép các thành phố và đô thị điều chỉnh, thực thi các chiến lược chiếu sáng phù hợp với các điều kiện cụ thể như: Thay đổi cường độ, màu ánh sáng để phù hợp với từng hoàn cảnh không gian, thời gian và địa điểm phù hợp với từng khu vực, từng nhóm người sử dụng khác nhau.
Những thành phần cơ bản của bộ đèn thông minh
Một cột đèn chiếu sáng nơi công cộng thông thường chỉ có 1-2 đèn LED và được cung cấp năng lượng thông qua hệ thống cáp điện. Hiện nay, ứng dụng về vật liệu chế tạo cho phép bóng đèn LED có tuổi thọ cao hơn, cường độ ánh sáng tốt hơn, tiêu thụ năng lượng điện ít hơn và có thể điều chỉnh chuyển đổi nhiều màu sắc khác nhau. Ứng dụng công nghệ IoT cho phép một bộ đèn thế hệ mới được tích hợp thêm bộ điều khiển, thiết bị cảm biến ánh sáng, cảm biến chuyển động.. và các modul kết nối để trở thành thiết bị chiếu sáng thông minh (xem hình 1).
Hình 1. Những thành phần cơ bản của bộ đèn thông minh (nguồn https://www.researchgate.net/publication/262352965)
Với đặc điểm hạ tầng phân tán với khoảng cách qui định của hệ thống cột đèn. Tùy theo nhu cầu và nguồn ngân sách đầu tư, các thành phố có thể lắp đặt tích hợp thêm một số hệ thống khác như: Camera giám sát an ninh, hệ thống cảm biến đỗ xe … hoặc có thể tích hợp trực tiếp để hệ thống trở nên toàn diện và đa năng hơn. Các vị trí được tận dụng bao gồm:
- Bên trên cột đèn: Lắp đặt tấm pin năng lượng-Bộ chuyển đổi năng lượng, biển báo điện tử, camera giám sát công cộng …
- Bên dưới cột đèn: Thùng rác thông minh, các bộ cảm biến đỗ xe, điểm sạc năng lượng cho xe điện …
Thành phần cơ bản của một hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh:
Hình 2. Hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh
(nguồn Smart Lighting Feasibility Study http://plg.org.au/)
Một hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh đa năng và tổng quát của thành phố thông minh bao gồm các thành phần chính như sau:
(1) Cảm biến/phần cứng thành phố thông minh (ví dụ: Thùng rác thông minh, cảm biến đỗ xe thông minh ..) có thể được kết nối với hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh. Với đặc điểm hạ tầng riêng phân tán, hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh có thể kích hoạt các khả năng cho các cảm biến/phần cứng này - cung cấp vị trí lắp đặt, kết nối và nguồn điện đáng tin cậy.
(2) Đèn chiếu sáng thông minh với bộ điều khiển, cảm biến khác nhau được nhúng bên trong cho phép quản lý cấu hình chiếu sáng cho toàn hệ thống và cấu hình riêng riêng cho bộ đèn. Ngoài ra nó cũng cung cấp khả năng kết nối và gắn kết cho các cảm biến liên quan khác.
(3) Khả năng kết nối - kết nối giữa các đèn trên toàn hệ thống, bao gồm cả cổng kết nối ứng dụng. Nó có thể bao gồm:
- Có dây cứng (Hard-wired hoặc Ethernet).
- Kết nối không dây trực tiếp với Internet thông qua công nghệ không dây như 3G, 4G hay mạng điện năng thấp (Low Power Networks).
- Mạng lưới không dây: Mỗi một bộ đèn thông minh có thể nói chuyện với các bộ đèn gần đó – gửi và nhận các thông điệp giữa chúng.
- Truyền thông qua đường dây điện: Thực hiện các tin nhắn trên các đường dây điện hiện có
(4) Kết nối Internet: Thông qua các điểm máy tính cục bộ tại các điểm khu vực.
(5) Hệ thống quản lý điều khiển – Thu thập, xử lý và phân tích dữ liệu của toàn hệ thống, đảm bảo các chức năng cơ bản sau:
- Điều khiển, tùy chỉnh và giám sát các đèn riêng lẻ hoặc các nhóm đèn đường cho từng khu vực;
- Theo dõi và quản lý năng lượng, sự cố của từng cột đèn, từng khu vực và toàn hệ thống;
- Giám sát hiệu suất;
- Kiểm soát màu sắc của ánh sáng;
- Đáp ứng các trường hợp khẩn cấp;
- Dự báo, lập kế hoạch bảo trì.
(6) Ứng dụng phần mềm thành phố thông minh – Thông qua môi trường Internet để cung cấp các dịch vụ khác nhau. Ví dụ: Dịch vụ kiểm soát ánh sáng thông minh cho người dân, điểm cung cấp năng lượng điên, hệ thống giám sát thùng rác thông minh hoặc dịch vụ SmartParking…
Vậy hệ thống này sẽ hoạt động như nào?
Để thỏa mãn nhu cầu cho 05 nhóm người dùng chủ yếu trong 03 khu vực chính đã nêu trên. Thông qua các cảm biến ánh sáng môi trường được tích hợp, khi ánh sáng tự nhiên yếu đi chúng sẽ kích hoạt hệ thống chiếu sáng tự động hoạt động và ngược lại. Ngoài ra với một số trường hợp đặc biệt khác như sương mù, mưa phùn ... nó thu thập và gửi dữ liệu cho hệ thống phân tích xử lý để tự điều chỉnh màu sắc ánh sáng cho phù hợp.
Trong quá trình hoạt động, các cảm biến chuyển động tích hợp được lập trình để chịu trách nhiệm điều tiết hoạt động:
- Kích hoạt ánh sáng nếu phát hiện sự chuyển động của người, thời gian bật sáng phải phù hợp với tốc độ di chuyển của từng nhóm người dùng.
- Làm tối ánh sáng nếu không phát hiện sự chuyển động xung quanh để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ.
- Ứng dụng quản lý chiếu sáng công cộng dành cho người dùng
Với ứng dụng phần mềm thành phố thông minh là một giải pháp giúp người dân có cơ hội tự quản lý ánh sáng công cộng tại khu vực giao thông và khu vực giải trí đô thị. Thông qua ứng dụng cài đặt, điện thoại thông minh trở thành công tắc cho phép kích hoạt chiếu sáng đường phố, công viên.
Dựa trên dịch vụ vị trí GPS của điện thoại thông minh, ứng dụng có thể xác định tuyến đường đi bộ hoặc xe đạp có được chiếu sáng hay không. Ánh sáng được bật lên tự động khi người dân nhập vùng kích hoạt. Nếu họ ở ngoài vùng kích hoạt, ánh sáng sẽ tự động tắt. Ứng dụng cài đặt cũng tự tắt theo thời gian để ngăn tiêu thụ pin không cần thiết.
Hình 3. Ứng dụng quản lý ánh sáng công cộng cho người dân
(nguồn https://amsterdamsmartcity.com/products/amsterdam-offers-smartphone-app-for-cityzens-to-manage-street-lighting)
Ứng dụng quản lý chiếu sáng công cộng dành cho nhà quản lý vận hành
Bên cạnh ứng dụng quản lý, điều khiển và vận hành hệ thống tại trung tâm điều khiển, ứng dụng di động với các tính năng tương tự cũng được phát triển và cài đặt trên điện thoại thông minh dành cho nhà quản lý và vận hành.
Hình 4. Ứng dụng quản lý ánh sáng công cộng cho nhà vận hành quản lý (nguồn https://amsterdamsmartcity.com/products/amsterdam-offers-smartphone-app-for-cityzens-to-manage-street-lighting
Ngoài chức năng quản lý chiếu sáng công cộng thông minh, cơ sở hạ tầng của hệ thống này được kích hoạt để hoạt động như một mạng cảm biến diện rộng, thu thập và truyền dữ liệu liên quan đến nhiều ứng dụng dịch vụ khác như: Vận chuyển, môi trường, quản lý thành phố, năng lượng, an toàn và bảo mật.
Chiếu sáng công cộng thông minh như một nền tảng thành phố thông minh
Với đặc điểm hạ tầng cột đèn phân bổ theo vị trí, có mặt khắp mọi nơi. Nó cung cấp nguồn điện lưới có sẵn với khả năng hiển thị tốt cho các cảm biến khác nhau và khả năng kết nối không dây. Hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh đang được sử dụng và dần trở thành một nền tảng IoT cho việc thu thập dữ liệu của thành phố thông minh thông qua hỗ trợ kết nối internet cho các ứng dụng và sản phẩm khác nhau:
• Giám sát chất lượng môi trường / chất lượng không khí: Các cột chiếu sáng cho phép triển khai và kết nối cảm biến tiếng ồn và chất lượng không khí dễ dàng tại các địa điểm cụ thể để thu thập dữ liệu thời gian thực trên toàn thành phố.
• Theo dõi giao thông: Các cảm biến giao thông kết nối với hệ thống chiếu sáng đường phố cung cấp dữ liệu giám sát và tắc nghẽn giao thông chính xác, linh hoạt hơn. Cung cấp các phương án điều khiển tín hiệu đèn giao thông phù hợp thực trạng đường phố, điều kiện thời tiết hoặc các sự kiện khác.
• Bãi đỗ xe thông minh: Mạng lưới chiếu sáng công cộng có thể cung cấp cơ sở hạ tầng mạng cho cảm biến đỗ xe được nhúng trong chỗ đỗ xe hoặc được sử dụng để gắn camera phát hiện xe để cung cấp thông tin thời gian thực về chỗ đỗ.
Ngoài ra, nhờ chia sẻ cùng một cơ sở hạ tầng mạng, phạm vi ứng dụng của thành phố thông minh được mở rộng hơn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:
• Quản lý chất thải thông minh: Các cảm biến thùng rác có thể sử dụng mạng chuyên dùng hoặc một mạng chung tích hợp để cung cấp dữ liệu để tối ưu hóa việc lên kế hoạch thu gom chất thải thông qua dữ liệu thời gian thực tình trạng của thùng đựng rác.
• Tin nhắn công cộng / biển báo kỹ thuật số: Cung cấp hạ tầng cho mạng thông tin công cộng bao gồm các thiết bị bảng thông tin xã hội, giao thông và đỗ xe ... cho phép thông tin công cộng được chuyển tiếp đến hệ thống điện thoại thông minh hoặc ứng dụng OBU trong xe hơi.
• Cung cấp hạ tầng cho hệ thống video giám sát độ nét cao: Phục vụ giám sát, quản lý giao thông và an toàn công cộng.
Lời kết
Hiện nay tại Việt Nam, một số thành phố như Hà Nội, Đà Nẵng, Hồ Chí Minh… đang trong quá trình xây dựng, triển khai thành phố thông minh. Ở đó, ứng dụng công nghệ IoT trong quản lý chiếu sáng công cộng là một phần không thể thiếu trong lĩnh vực hạ tầng đô thị. Với đặc điểm hạ tầng riêng của hệ thống cột đèn truyền thống, tùy vào chiến lược phát triển của từng đô thị, hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh là một bổ sung quan trọng để tạo ra những phương pháp tiếp cận mới cho hạ tầng của một đô thị thông minh để từ đó tạo ra một nền tảng IoT chung cho việc thu thập dữ liệu của toàn bộ thành phố.
Lê Việt Hưng
Tài liệu tham khảo:
1. Smart Street Lighting as a Smart City Platform. Richelle Elberg - Principal Research Analyst: Eric Woods - Research Director http://www.navigantresearch.com
2. Intelligent Road and Street lighting in Europe. On behalf of the E-Street project (www.e-streetlight.com)
3. Smart Lighting Feasibility Study. http://plg.org.au/
4. Geo Light System. https://amsterdamsmartcity.com/products/amsterdam-offers-smartphone-app-for-cityzens-to-manage-street-lighting
5. https://www.researchgate.net/publication/262352965)
6. Envisioning the future of public lighting with citizens for upcoming technologies. https://doi.org/10.1080/14606925.2017.1352698