Nội dung

PHÂN BAN SỬ DỤNG ĐIỆN | 655 TRUYỀN THÔNG TRONG SMART HOUSE VÀ TÁC ĐỘNG VỚI HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM Nguyễn Thanh Minh Tổng công ty Điện lực TP. Hà Nội Tóm tắt: Nhà thông minh (tiếng Anh: home automation, smart home, smart house hoặc Intellihome) trong khoảng 10 năm trở lại đây đang phát triển rất nhanh. Cùng với cuộc cách mạng khoa học công nghệ 4.0, xu hướng vạn vật kết nối IoT đang trở nên hết sức dễ dàng và tiện lợi. Số lượng các thiết bị có thể kết nối mạng Internet đã vượt qua dân số toàn cầu và dự kiến đạt 20 tỷ thiết bị trong năm 2020. Các thiết bị trên chủ yếu giao tiếp với nhau thông qua 03 kênh truyền thông chính gồm: kênh truyền PLC (Power line communication) sử dụng trực tiếp hệ thống dây điện bên trong các tòa nhà để liên kết giữa các phần tử với nhau; kênh truyền dụng sóng tần số RF với dải tần số sử dụng từ 300 MHZ đến 500 MHZ và kênh truyền sử dụng dụng sóng tần số cao Wifi với dải tần sử dụng là 2400 MHZ  60 GHZ. Tuy nhiên vấn đề đặt ra cho các hệ thống nhà thông minh trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đều chưa được chuẩn hóa trong hệ thống truyền thông. Mặt khác việc liên kết giữa các phần tử trong hệ thống Smart House hiện nay hoàn toàn có thể ảnh hưởng đến hệ thống truyền thông khác của ngành điện. Bài viết tập trung phân tích hiện trạng các hệ thống truyền thông trong các mô hình Smart House. Đề cập đến nguy cơ ảnh hưởng của các hệ thống đó đối với các hệ thống thông tin của ngành điện nói riêng. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Những tiện ích đối với con người khi được sống trong những ngôi nhà thông minh là vô cùng to lớn. Bên cạnh đó đối với cộng đồng, đối với ngành điện thì những ngôi nhà thông minh cũng đem lại nhiều hiệu quả to lớn khác như là khả năng tiết kiệm năng lượng. Với việc điều khiển tự động, đặt lịch trình hay hẹn giờ hoạt động cho các thiết bị điện, kiểm soát từ xa mọi lúc mọi nơi hoạt động của các thiết bị điện khi rời nhà hoặc thiết bị ở vị trí không nhìn thấy trực tiếp (trên tầng, ngoài vườn)... sẽ giúp tiết kiệm một lượng điện năng không nhỏ trong mỗi hóa đơn điện lực hàng tháng. Khi tỉ trọng những căn nhà thông minh tăng lên trên toàn bộ hệ thống lưới điện, đồng nghĩa với việc sản lượng điện năng tiết kiệm được sẽ tăng theo. Tuy nhiên, một vấn đề lớn đặt ra cho các hệ thống nhà thông minh trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng là việc chuẩn hóa các thiết bị, hệ thống. Hiện có rất nhiều thương hiệu cho nhà thông minh, tuy vậy chưa có chuẩn công nghiệp nào được đặt ra. Các gói smart house hiện nay sử dụng các giao thức riêng cho từng công ty và không tương thích với nhau. Các công ty cung cấp nhà thông minh hạn chế việc cài đặt 656 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 độc lập của cá nhân bằng cách không cung cấp tài liệu chi tiết về sản phẩm. Mặt khác việc liên kết giữa các phần tử thông qua các kênh truyền hoàn toàn có thể ảnh hưởng đến hệ thống truyền thông khác của ngành điện. Cụ thể hiện nay các hệ thống Smart House có 3 cách truyền thông, giao tiếp chính giữa các thiết bị gồm có: + Truyền thông hữu tuyến (có dây) – hay còn gọi là hệ thống PL(Power line communication) sử dụng trực tiếp hệ thống dây điện bên trong các tòa nhà để liên kết giữa các phần tử với nhau. + Truyền thông vô tuyến (không dây) sử dụng sóng tần số cao RF để liên kết mạng lưới truyền tin. Dải tần số RF thường sử dụng từ 300 MHZ đến 500 MHZ (cụ thể là 433 MHZ; 315 MHZ). + Truyền thông vô tuyến (không dây) sử dụng sóng tần số cao Wifi để liên kết mạng lưới truyền tin. Khoảng tần số Wifi thường sử dụng là 2400 MHZ 2460, 2405, 2480 MHZ. 2. PHÂN TÍCH SỰ ẢNH HƯỞNG, GÂY NHIỄU ĐƯỜNG TRUYỀN CÓ THỂ CÓ ĐỐI VỚI CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TRONG SMART HOUSE ĐỐI VỚI NGÀNH ĐIỆN 2.1. Hệ thống truyền thông qua đường dây điện PLC Hệ thống truyền thông dùng PLC được nghiên cứu và áp dụng sớm nhất. Bằng việc kết hợp chính hệ thống dây cáp cấp điện của các thiết bị làm môi trường truyền tin, giao tiếp giữa các thiết bị trong nhà thành 1 hệ thống. Hình 1: Mô hình hệ thống smart house sử dụng công nghệ PLC PHÂN BAN SỬ DỤNG ĐIỆN | 657 Ngay từ ban đầu, giải pháp này đã vướng phải rất nhiều các rào cản như kỹ thuật ghép nối, kỹ thuật xử lý nhiễu và kỹ thuật mã hóa thông tin… Những năm gần đây nhờ công nghệ vi mạch số phát triển nên một số hệ thống mới đã khắc phục được những điểm yếu cố hữu của dạng kết nối PLC. Ví dụ điển hình là công ty ATS (Hà Lan) phát minh vào năm 2002. Công nghệ sử dụng được gọi tên là PLC BUS. Hệ thống không những vận dụng những ưu thế của công nghệ X10 của Mỹ như: không cần lắp đường dây cáp, giá thành rẻ, độ ổn định tín hiệu của PLC BUS gấp 20 40 lần so với công nghệ X10 mà còn có thể qua bảng điều khiển biết được trạng thái của các thiết bị điện trong hệ thống. Điều này sẽ thúc đẩy sự phát triển của quá trình “mạng hoá” hệ thống điện tự động gia đình, bởi PLC BUS là bằng chứng rõ ràng cho thấy thời đại Internet hoá căn nhà. Trên thực tế, hiện nay quá trình phát triển Internet trên toàn cầu đã cho thấy trước xu thế phát triển Internet hoá các hệ thống sau này. Công nghệ PLC BUS giải quyết được những vấn đề như: PLC BUS sử dụng hệ thống đường dây điện sẵn có trong nhà để thực hiện việc điều khiển hệ thống tự động gia đình, không cần phải lắp đặt đường dây cáp. Đối với tất cả mọi người, ngay cả những người đã sử dụng hệ thống điện tự động có dây cáp trước đây, việc lắp đặt PLC – BUS rất đơn giản [1]. Cũng phải nói thêm là kỹ thuật X10 đã được phát triển từ những năm 80 của thế kỷ trước, tuy nhiên do việc sử dụng đơn giản và dễ sử dụng cho nên đến ngày nay vẫn còn được nhiều đơn vị sử dụng. Ta cũng phải kể đến một số hệ thống khác mới được đưa ra gần đây như: Lonworks là một giao thức lớp mạng được tạo ra bởi Công ty cổ phần Echelon, sử dụng kỹ thuật điều chế BPSK với dải tần khoảng 125 kHz  140 kHz (chính) và 110 kHz 125 kHz (phụ); CEBus của Liên minh Công nghiệp điện tử (EIA) và HomePlug giao tiếp bằng cách sử dụng Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) trong băng tần cao hơn hẳn đó là dải tần từ 4,49 20,7 MHz, HomePlug có sự vượt bậc hơn, cao hơn tần số và băng thông được sử dụng. Hiện nay PLC chia làm hai lớp chính PLIC và PLOC, PLIC (Powerline Indoor Telecoms). Đây chính là công nghệ PLC để sử dụng trong nhà, tức là chúng ta có thể sử dụng mạng điện lưới trong nhà để thiết lập một mạng trao đổi thông tin giữa các thiết bị dùng trong nhà với nhau, PLOC (Powerline Ourdoor Telecoms). Đây là kỹ thuật PLC sử dụng để trao đổi thông tin giữa các trạm điện với nhau và với mạng gia đình. BPL chính là ứng dụng của PLOC có khả năng cung cấp cho người sử dụng khả năng truy cập Internet băng rộng với tốc độ vượt trội so với ADSL (40 Mbps) [2]. Vấn đề đặt ra đó là việc chúng ta chưa có quy định về sử dụng băng tần đối với hệ thống kết nối PLC. VD: Hiện tại băng tần làm việc của hệ thống PLC của VINASINO là 132 kHz với phương pháp điều chế sóng mang BPSK (điều chế dịch pha nhị phân) và thực hiện theo tiêu chuẩn EN50065 1  Đặc tính tín hiệu truyền trên lưới điện hạ thế trong tầm tần số từ 3 148,5 kHz. Tuy nhiên, hiện tại Việt Nam vẫn còn có nhiều đơn vị vẫn đang phát triển công nghệ smart house dựa trên nền hệ thống băng tần này. Ví dụ đó là đang sử dụng kiểu mã hóa ASK với tần số 135 kHz với dải tần hoạt động rộng từ 658 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 95 kHz đến 148,5 kHz, hoặc sử dụng tiêu chuẩn của Trung Quốc với tần số hoạt động là 120 135 kHz (cụ thể sử dụng chip KQ130E)… Với việc cùng sử dụng chung một dải tần khá hẹp lại trên cùng một đường truyền vật lý chung, hệ thống dây điện trong nhà và hệ thống cấp điện của EVN hoàn toàn có thể chồng lấn và can nhiễu lên nhau. Thực tế đường dây điện lực là một môi trường truyền thông rất nhạy cảm, các đặc tính của kênh thay đổi theo thời gian tuỳ thuộc vào tải và vị trí, cho đến nay các đặc tính cụ thể của kênh vẫn là những vấn đề được nghiên cứu nhằm đưa ra các giải pháp xử lý hiệu quả. Thông tin tham khảo: Theo tiêu chuẩn của châu Âu năm 1991 xác định chuẩn tín hiệu trên đường hạ thế nằm trong khoảng từ 3 kHz tới 148,5 kHz (băng tần không cần đăng ký). Trong băng tần này được chia thành 5 băng con. Trong đó, hai băng đầu 3  9 và 9  95 kHz là dành cho nhà cung cấp điện lực và ba băng còn lại dành cho khách hàng. Băng A, sóng mang có thể từ 9 kHz tới 95 kHz dùng cho việc trao đổi thông tin giữa khách hàng và nhà cung cấp. Băng C được dùng cho khách hàng sử dụng các giao thức truy nhập, băng B cũng được dùng cho khách hàng, tuy nhiên không có giao thức truy nhập nên có thể coi băng này là băng thông tin tự do. Các hệ thống PLC hoạt động ở dải tần đến 30 MHz được xem xét như là hệ thống PLC băng rộng [3]. 2.2. Hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sóng tần số RF Truyền thông không dây sử dụng băng tần RF thông thường nằm trong dải tần số từ 300 500 MHz. Hình 2: Thiết bị truyền nhận sử dụng sóng RF để điều khiển PHÂN BAN SỬ DỤNG ĐIỆN | 659 Như ta được biết hiện tại băng tần sóng RF của công ty Vinasino đang sử dụng là dải tần số: 406 ~ 410 MHz ( với tần số trung tâm: 408.925 MHz) [4] và hệ thống RF Mesh của công ty CPC (Tổng công ty Điện lực miền Trung) hoạt động ở tần số 408 ± 37.5 MHz [5], đây là tần số đã được CPC thuê riêng nhằm phục vụ hệ thống RF Mesh, nhằm tránh bị nhiễu tín hiệu với Wifi hay Bluetooth. Tuy nhiên đây cũng là dải tần số mà hầu hết các thiết bị sử dụng sóng RF trong các ngôi nhà thông minh đang sử dụng. Đơn giản nhất như các hệ thống cửa cuốn tự động, hệ thống điều khiển đóng mở ô tô từ xa cũng đang sử dụng chính các dải tần này để điều khiển các thiết bị. Dải tần chủ yếu của các thiết bị này thường là các tần số: 433 MHz; 315 MHz. Bản thân giữa các băng tần của Vinasino cũng hoàn toàn có thể gây bất ổn định cho hệ thống truyền nhận dữ liệu RF Mesh của CPC khi các công tơ khác hãng để cạnh nhau trong khu vực phủ sóng RF. 2.3. Đối với hệ thống truyền thông vô tuyến (không dây) sử dụng sóng tần số cao (Wifi) Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác. Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz và mới nhất là tần số 60 GHz. Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình. Hình 3: Mô hình hệ thống smart house sử dụng công nghệ Wifi Tại Việt Nam, Bộ Thông tin và Truyền thông đã phê duyệt quy hoạch băng tần cho các hệ thống thông tin di động tế bào số của Việt Nam trong các dải tần 821 960 MHz và 1710 2200 MHz. Theo quyết định này, băng tần cho 3G (IMT 2000) gồm 660 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 các đoạn sau: 1900 1980 MHz, 2010 2025 MHz và 2110 2170 MHz [6]. Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn. WiFi có thể hoạt động trên cả ba tần số và có thể nhảy qua lại giữa các tần số khác nhau một cách nhanh chóng. Việc nhảy qua lại giữa các tần số giúp giảm thiểu sự nhiễu sóng và cho phép nhiều thiết bị kết nối không dây cùng một lúc. Hiện nay xu hướng phát triển mới nhất trong kết nối các thiết bị trong smart house đều hướng đến sử dụng kết nối Wifi. Do bản thân công nghệ kết nối này đã đảm bảo khả năng an toàn cũng như bảo mật, khả năng kháng nhiễu và mã hóa thông tin, đường truyền đều đáp ứng cho nhu cầu theo hướng “vạn vật kết nối _ IoT”. Kết nối vạn vật giữa các thiết bị gia dụng với nhau cũng như kết nối được cả với các thiết bị cầm tay, di động hiện có của chúng ta hiện tại và trong cả tương lai. Một mô hình hệ thống được khuyến nghị sử dụng đó là sử dụng giao thức truyền thông Zigbee với những ưu điểm như tính linh động, khả năng mở rộng và khả năng hoạt động ổn định khiến ZigBee trở nên vượt trội so với các giao thức truyền thông khác, đặc biệt đối với một hệ thống điều khiển/giám sát trong công nghiệp. Cụ thể, ZigBee là một tiêu chuẩn mở đã được tạo ra để giải quyết nhu cầu thị trường đối với một chi phí hiệu quả, các tiêu chuẩn dựa trên giải pháp mạng không dây có hỗ trợ dữ liệu tốc độ thấp, tiêu thụ ít năng lượng, an ninh và độ tin cậy cao. Sự vững mạnh của tiêu chuẩn ZigBee, kết hợp với những lợi ích của mạng lưới không dây, làm cho ZigBee trở thành sự lựa chọn hàng đầu cho các giải pháp điều khiển/giám sát, thu thập dữ liệu… đang phát triển ngày nay. Hiện nay trên thị trường đã xuất hiện rất nhiều thiết bị hỗ trợ giao thức ZigBee. Chip cho Zigbee có nhiều nguồn cung cấp như Ember, Freescale, Microchip Technology và Texas Instruments với giá từ 3$. Các module hoàn thiện và dùng được ngay cũng được cung cấp từ nhiều nguồn như Atmel, CEL, Digi, Jennic, Lemos và RFM với giá cao hơn chip gấp nhiều lần. Các hệ thống thu thập dữ liệu điện từ xa trên thế giới hầu hết sử dụng chuẩn Zigbee. Tuy nhiên, do Zigbee chủ yếu dùng tần số 2.4 GHz, trùng tần số với Wifi (các thiết bị hộ gia đình) và Bluetooth, nên chúng vẫn có thể bị nhiễu tín hiệu nhau. 3. KẾT LUẬN Hệ thống nhà thông minh chắc chắn sẽ là một xu thế phát triển tất yếu trong tương lai gần. Việc ứng dụng khoa học công nghệ, đặc biệt là các tiến bộ trong hệ thống truyền thông giao tiếp giữa các thiết bị sẽ dần dần kết nối các hệ thống với nhau. Bản thân các thiết bị đo đếm, điều khiển và thu thập dữ liệu của ngành điện cũng là một trong những thiết bị như vậy. Do vậy chúng ta cần sớm có những nghiên cứu chuyên sâu, hội thảo và hội nghị khoa học để phân tích đánh giá đúng về các hệ thống truyền thông trong hệ thống Smart House. Bộ Thông tin và Truyền thông cần sớm có những quy định pháp lý đối với các hệ thống thông tin, cụ thể với dải tần số 3 148,5 KHz và PHÂN BAN SỬ DỤNG ĐIỆN | 661 300 500 MHz. Đây là dải tần có băng tần hẹp, có nhiều thiết bị dân sự do các hãng sản xuất đã và đang sử dụng khoảng tần số này nhưng chưa được quản lý cấp phép sử dụng. Ngoài ra đối với các đơn vị quản lý nhà nước, cần có công tác thống kê và phân tích hiện trạng sử dụng các hệ thống truyền thông trong cộng đồng. Từ đó có số liệu đánh giá cụ thể, đưa ra định hướng cho các ngành có liên quan trong việc phát triển, sử dụng hệ thống truyền thông nói chung. Đối với các đơn vị phát triển các hệ thống công tơ điện tử thông minh, cần nghiên cứu và lựa chọn hệ thống truyền thông cũng như công nghệ phù hợp, đáp ứng với xu hướng phát triển của nền công nghệ mới của thế giới. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.autohome.com.vn. [2] http://icon.com.vn/vns8390348630/Truyenthongtrenduongdaydienluc.aspx [3] Tiêu chuẩn EN 500651 standard. [4] Đặc tính kỹ thuật của công tơ điện tử của Công ty cổ phần Thiết bị điện VINASINO http://vinasino.vn [5] Đặc tính kỹ thuật của công tơ điện tử của Trung tâm Sản xuất thiết bị đo điện tử điện lực miền Trung . https://emec.cpc.vn [6] Quyết định số 25/2008/QĐBTTTT, ngày 16/4/2008 của Bộ Thông tin và Truyền thông.