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

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

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.

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.