Tóm tắt
Sự kết hợp giữa cơ sở hạ tầng kỹ thuật số hiện đại và Internet vạn vật (IoT) đã mở ra nhiều cơ hội phát triển công nghệ trong đời sống đô thị, đặc biệt là trong lĩnh vực chiếu sáng công cộng. Bài viết này cung cấp một cái nhìn toàn diện về hệ thống chiếu sáng đường phố thông minh được xây dựng dựa trên công nghệ IoT trong các thành phố thông minh. Ban đầu, trọng tâm là việc chuyển đổi từ chiếu sáng truyền thống sang công nghệ đèn LED – một bước tiến quan trọng giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí bảo trì. Tiếp theo, việc tích hợp các cảm biến và bộ điều khiển không dây giúp điều chỉnh độ sáng linh hoạt dựa trên lưu lượng giao thông và điều kiện môi trường thực tế. Hệ thống chiếu sáng thông minh không chỉ nâng cao hiệu quả vận hành mà còn đóng vai trò then chốt trong hệ sinh thái thành phố thông minh – nơi mọi thiết bị và dịch vụ đều được kết nối và điều phối qua nền tảng IoT. Mặc dù còn tồn tại những thách thức như chi phí đầu tư ban đầu cao, vấn đề bảo mật dữ liệu và yêu cầu bảo trì liên tục, hệ thống này vẫn tiềm ẩn nhiều lợi ích và có tiềm năng phát triển rất lớn.
————————-
Application of IoT-based smart street lighting system for smart cities
Abstract
The combination of modern digital infrastructure and the Internet of Things (IoT) has opened up many opportunities for technological development in urban life, especially in the field of public lighting. This article provides a comprehensive view of smart street lighting systems built on IoT technology in smart cities. Initially, the focus is on the transition from traditional lighting to LED technology – an important step to save energy and reduce maintenance costs. Next, the integration of wireless sensors and controllers helps to adjust the brightness flexibly based on traffic flow and actual environmental conditions. Smart lighting systems not only improve operational efficiency but also play a key role in the smart city ecosystem – where all devices and services are connected and coordinated via the IoT platform. Despite challenges such as high initial investment costs, data security issues and ongoing maintenance requirements, the system still has many potential benefits and great growth potential.
1.MỞ ĐẦU
Đô thị thông minh là sự kết hợp của nhiều công nghệ hiện đại nhằm thu thập, xử lý và phân phối dữ liệu hiệu quả, đồng thời áp dụng các giải pháp mạng, điện toán và bảo mật dữ liệu tiên tiến. Sự tích hợp này được thực hiện thông qua việc sử dụng các cảm biến điện tử và các phương pháp truyền thông hiện đại, nhằm thúc đẩy sự đổi mới trên nhiều lĩnh vực khác nhau và nâng cao chất lượng cuộc sống cho cư dân. Mục tiêu của đô thị thông minh là tối ưu hóa hoạt động hàng ngày của người dân và cơ sở hạ tầng, đồng thời thúc đẩy phát triển kinh tế bền vững.
Trong quá trình xây dựng đô thị thông minh, Internet kết nối vạn vật (IoT) đóng vai trò trung tâm khi cung cấp nền tảng kết nối chặt chẽ giữa các thiết bị, cảm biến và mạng lưới cần thiết cho các hoạt động quản lý và vận hành đô thị. Các mã 55 định danh duy nhất trong hệ thống IoT giúp tăng tốc độ và độ chính xác trong việc trao đổi thông tin qua nhiều mạng khác nhau, đồng thời góp phần quan trọng trong việc duy trì sự cân bằng giữa bảo vệ môi trường và quản lý tài nguyên thiên nhiên, vốn là yêu cầu thiết yếu trong các dự án công nghệ phát triển hiện nay.
Dân số toàn cầu đang gia tăng nhanh chóng cùng với quá trình đô thị hóa mạnh mẽ đã thúc đẩy nhu cầu nâng cao chất lượng cuộc sống tại các khu đô thị thông minh. Các đô thị này tận dụng công nghệ và dữ liệu để giải quyết những thách thức về môi trường, đồng thời tối ưu hóa hạ tầng và dịch vụ phục vụ người dân. Đến năm 2050, dự kiến khoảng 70% dân số thế giới sẽ sinh sống tại các đô thị, làm tăng áp lực lên các hệ thống quản lý tài nguyên, giao thông, an ninh và môi trường, từ đó yêu cầu các giải pháp thông minh để đáp ứng hiệu quả những nhu cầu này.
Với mục tiêu tạo ra môi trường sống bền vững, linh hoạt và hiệu quả, đô thị thông minh tích hợp các thiết bị IoT, hệ thống phân tích dữ liệu và tự động hóa để nâng cao khả năng ứng phó và phục hồi. Nhiều dự án ứng dụng IoT đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả trong các lĩnh vực như y tế, giao thông và quản lý đô thị, đồng thời nhấn mạnh vai trò quan trọng của việc triển khai các công nghệ toàn diện nhằm đảm bảo lợi ích công bằng và hiệu quả xã hội.
Bên cạnh đó, áp lực từ việc cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và chi phí năng lượng ngày càng tăng đã thúc đẩy nhu cầu cấp thiết về các chiến lược quản lý năng lượng hiệu quả hơn, nhằm hướng tới mục tiêu giảm phát thải carbon và chuyển đổi sang nền kinh tế ít carbon vào năm 2050. Trong bối cảnh đó, hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh, đặc biệt là việc chuyển đổi từ đèn truyền thống sang công nghệ đèn LED kết hợp với IoT, nổi lên như một giải pháp hiệu quả để giảm tiêu thụ năng lượng, giảm chi phí vận hành và bảo vệ môi trường.
Hệ thống chiếu sáng thông minh không chỉ nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mà còn cung cấp các chức năng như điều chỉnh độ sáng theo thời gian thực dựa trên lưu lượng giao thông và điều kiện môi trường, giám sát và phát hiện lỗi để hỗ trợ bảo trì. Những ưu điểm này khiến các đô thị thông minh ngày càng quan tâm đến việc áp dụng công nghệ nhằm xây dựng hạ tầng đô thị hiện đại, bền vững và thân thiện với môi trường.
Tuy nhiên, việc triển khai hệ thống chiếu sáng thông minh cũng gặp phải một số thách thức như chi phí đầu tư ban đầu cao, các vấn đề về bảo mật dữ liệu và quyền riêng tư, cũng như yêu cầu về bảo trì và vận hành hệ thống phức tạp. Việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng các giải pháp công nghệ mới, đồng thời thiết lập các chính sách và quy định phù hợp, là cần thiết để khai thác tối đa tiềm năng của hệ thống chiếu sáng thông minh dựa trên IoT trong tương lai
- DỊCH VỤ IoT CHO ĐÔ THỊ THÔNG MINH
Đô thị thông minh là sự kết hợp hài hòa giữa cơ sở hạ tầng vật lý, công nghệ tiên tiến và các hoạt động xã hội nhằm nâng cao hiệu quả vận hành đô thị và cải thiện chất lượng cuộc sống cho người dân. Trong đó, các dịch vụ dựa trên công nghệ Internet vạn vật (IoT) giữ vai trò trọng tâm khi cho phép kết nối, thu thập và quản lý dữ liệu từ nhiều thiết bị khác nhau một cách liên tục và theo thời gian thực.
Nhờ IoT, các thiết bị trong đô thị thông minh có thể giao tiếp và phối hợp với nhau thông qua mạng truyền thông đa dạng như Wi-Fi, Zigbee, mạng di động 4G/5G hoặc các mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN). Điều này giúp các cơ quan quản lý đô thị có thể giám sát và điều phối các hoạt động một cách hiệu quả, từ hệ thống giao thông, quản lý năng lượng, chăm sóc sức khỏe, đến quản lý chất lượng môi trường.
Các ứng dụng tiêu biểu của IoT trong thành phố thông minh bao gồm hệ thống bãi đỗ xe thông minh, cho phép người dùng dễ dàng tìm kiếm chỗ đỗ xe qua điện thoại thông minh, giúp giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn giao thông và ô nhiễm môi trường. Hệ thống quản lý rác thải tự động theo dõi mức độ đầy của các thùng rác để tối ưu lịch trình thu gom, nâng cao hiệu quả vận hành và giảm chi phí. Các cảm biến môi trường theo dõi chất lượng không khí, nhiệt độ, độ ẩm giúp cảnh báo sớm các nguy cơ ô nhiễm và đảm bảo sức khỏe cộng đồng. Bên cạnh đó, các hệ thống giám sát giao thông thông minh cho phép điều chỉnh tín hiệu đèn để giảm ùn tắc và tai nạn giao thông.
Nhiều kiến trúc IoT khác nhau đã được đề xuất để tích hợp vào các thành phố thông minh, với kiến trúc cơ bản bao gồm ba lớp như được trình bày trong Hình 2. Thật vậy, lớp đầu tiên, được gọi là lớp nhận thức, đóng vai trò quan trọng trong việc nắm bắt, thu thập, phân biệt và xác định thông tin từ các đối tượng trong thế giới vật lý. Lớp này kết hợp các thẻ, cảm biến, máy quét laser và các công nghệ tương tự. Lớp thứ hai, được gọi là lớp mạng, có chức năng truyền các gói tin qua một phương tiện truyền thông đáng tin cậy. Cuối cùng, lớp ứng dụng xử lý dữ liệu, kết hợp các đầu vào từ các nguồn khác nhau và trình bày dữ liệu.
– Lớp nhận thức: được gọi là lớp thiết bị, bao gồm nhiều loại cảm biến (bao gồm cảm biến nguồn), bộ truyền động, thẻ và đầu đọc (bao gồm thiết bị cảm biến (bao gồm Hệ thống định vị toàn cầu (GPS), máy ảnh hoặc thiết bị nhận dạng tần số vô tuyến (RFID)). Các thiết bị hỗ trợ Internet này có khả năng nhận thức, phát hiện vật thể, thu thập thông tin và trao đổi dữ liệu với các thiết bị khác thông qua mạng truyền thông Internet.
– Lớp mạng: được gọi là lớp kết nối, đóng vai trò quan trọng trong việc gửi thông tin từ lớp nhận thức đến lớp ứng dụng trong khi xem xét các hạn chế do khả năng của thiết bị, hạn chế mạng và hạn chế ứng dụng áp đặt. Lớp này giám sát việc truyền dữ liệu cảm biến thu thập được từ lớp nhận thức, tạo điều kiện xử lý, quản lý và khả năng truy cập trong mạng chính và ngược lại.
– Lớp ứng dụng: đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý dữ liệu được thu thập từ lớp mạng theo thời gian thực để kiểm soát hiệu quả các thiết bị IoT, cho phép phân phối điện năng và các chiến lược giám sát hiệu quả hơn. Nó sử dụng nhiều công nghệ IoT khác nhau để tạo điều kiện thuận lợi cho nhiều dịch vụ IoT và bao gồm cấu hình ứng dụng. Cấu hình này được giao nhiệm vụ xử lý dữ liệu, tính toán và giao tiếp với các tài nguyên.
Chiếu sáng công cộng thông minh là một phần quan trọng trong hệ sinh thái này, với khả năng điều chỉnh ánh sáng linh hoạt dựa trên lưu lượng giao thông và điều kiện môi trường, góp phần tiết kiệm năng lượng và nâng cao an toàn cho người dân.
Việc triển khai các dịch vụ IoT này không chỉ giúp tối ưu hóa hoạt động đô thị mà còn thúc đẩy phát triển kinh tế, bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng sống. Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả lâu dài, cần phải đối mặt và giải quyết các thách thức về bảo mật dữ liệu, quyền riêng tư, cũng như các vấn đề về tích hợp và quản lý hệ thống..
- CƠ SỞ HẠ TẦNG CHIẾU SÁNG ĐƯỜNG PHỐ THÔNG MINH
Với sự gia tăng nhanh chóng nhu cầu sử dụng năng lượng và các vấn đề liên quan đến môi trường, hệ thống chiếu sáng đường phố thông minh ngày càng trở thành một giải pháp ưu tiên trong việc xây dựng các đô thị bền vững. Hệ thống này kết hợp các nguồn sáng tiên tiến như đèn LED với các thiết bị cảm biến và bộ điều khiển thông minh, nhằm tối ưu hóa hiệu suất sử dụng năng lượng, nâng cao độ tin cậy và tăng cường an toàn cho người dân.
Các nghiên cứu về hệ thống chiếu sáng thông minh tập trung theo hai hướng chính: thứ nhất là tập trung vào việc nâng cao hiệu quả của các thiết bị chiếu sáng truyền thống; thứ hai là tập trung vào việc quản lý thông minh các hệ thống chiếu sáng để tối ưu hóa hoạt động. Bài viết này không chỉ đề cập đến việc thay thế và cải tạo đèn đường truyền thống bằng công nghệ LED mà còn đề cập đến việc sử dụng cơ sở hạ tầng thông tin và truyền thông và khả năng kết hợp nhiều quy trình khác nhau. Các phương pháp tiếp cận này liên quan đến hệ thống quản lý và giám sát cho toàn bộ thành phố thông minh. Như minh họa trong Hình 3 , hệ thống được đề xuất tập trung vào việc xác định ứng dụng chiếu sáng đường phố công cộng thông minh, nêu bật các thành phần chính của ứng dụng và đảm bảo:
– Giám sát từ xa cơ sở hạ tầng chiếu sáng đường phố.
– Quản lý thông minh đèn đường để điều chỉnh cường độ chiếu sáng tại mỗi đèn hoặc nhóm đèn, dựa trên thời gian trong ngày, ban đêm, điều kiện thời tiết và sự hiện diện của phương tiện và/hoặc người đi bộ trong khu vực được giám sát.
– Đảm bảo độ sáng đáp ứng các yêu cầu theo quy định của khu vực/quốc gia/tiêu chuẩn trong mọi điều kiện vận hành.
– Thiết lập cơ sở hạ tầng công nghệ mạng truyền thông cục bộ được triển khai thông qua các giao thức truyền thông tiên tiến.
– Giám sát tình hình giao thông và các tình huống khẩn cấp, bao gồm tắc nghẽn đường phố và va chạm, để có biện pháp phòng ngừa an toàn. – Đánh giá mức tiêu thụ năng lượng.
– Quản lý từ xa và điều khiển tất cả các dịch vụ để tổ chức điều khiển đèn đường và giám sát cảnh báo thông qua ứng dụng web. – Thiết lập tương tác từ xa giữa các thiết bị di động, điện thoại thông minh cũng như ứng dụng web bằng kết nối WiFi/Zigbee/4G/5G.
– Trích xuất toàn bộ dữ liệu theo thời gian thực, chia sẻ với ứng dụng web và cảnh báo cho quản lý từ xa.
– An toàn chung, đặc biệt là trong trường hợp kết nối hoặc hỏng linh kiện, được đảm bảo bằng cách kích hoạt điều kiện mặc định an toàn trong sơ đồ chiếu sáng đường phố thông minh. Do đó, tất cả các tính năng thông minh đều bị vô hiệu hóa và hệ thống hoạt động giống như sơ đồ ngắt kết nối thông thường.
Cơ sở hạ tầng của hệ thống chiếu sáng thông minh thường bao gồm ba thành phần chính:
3.1. Cột đèn thông minh Cột đèn thông minh là một thiết bị chiếu sáng đường phố được trang bị đèn LED, cảm biến chuyển động, cảm biến ánh sáng môi trường và bộ điều khiển để tự động điều chỉnh độ sáng phù hợp với điều kiện thực tế.
Các cột đèn thông minh được kết nối với nhau, có khả năng trao đổi các lệnh giám sát và yêu cầu thông tin với nhau và có thể giao tiếp với một đơn vị giám sát thông qua một cổng truyền thông tin. Đơn vị giám sát hoạt động như một trung tâm quản lý cơ sở hạ tầng, có nhiệm vụ chỉ huy và thiết lập cơ chế hoạt động từng đèn đường đồng thời giám sát trạng thái hoạt động của chúng. Việc giao tiếp giữa đơn vị giám sát và từng đèn đường thuận lợi thông qua mạng lưới kết nối không dây và có dây, đảm bảo phạm vi phủ sóng toàn diện trên toàn bộ khu vực triển khai của các thiết bị chiếu sáng đường phố. Bộ điều khiển đèn cục bộ đóng vai trò là các thành phần thông minh của đèn đường, được tích hợp với các cảm biến IoT trong khuôn khổ của một đô thị thông minh. Chúng chịu trách nhiệm thực hiện các lệnh nhận được từ đơn vị giám sát và cung cấp phản hồi cần thiết khi cần.
Cấu thành cơ bản của cột điện thông minh bao gồm các thành phần chính: đèn LED, bộ điều khiển ánh sáng cục bộ, cảm biến thông minh, cổng truyền dẫn.
a, Đèn LED
Hệ thống chiếu sáng đường phố thông minh không thể hoàn thiện nếu thiếu đèn LED. Việc lựa chọn loại đèn là yếu tố quan trọng trên mọi con phố để tạo nên hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh, tiết kiệm năng lượng. Do đó, việc cải tạo bằng cách thay thế trực tiếp các cột đèn thông thường bằng công nghệ đèn LED sẽ tiết kiệm đáng kể chi phí hiện đại hóa và phát triển hệ thống chiếu sáng đường phố thông minh. Thật vậy, một bóng đèn không phải đèn LED công suất 130 W cung cấp mức độ sáng tương đương với một bóng đèn LED công suất 70 W. Theo đó, chi phí điện giảm 46% chỉ bằng cách thay thế cột đèn, giúp tiết kiệm 32% chi phí hàng năm cho mỗi thiết bị so với lắp đặt ban đầu. Hiện nay, công nghệ đèn LED được áp dụng rộng rãi ở hầu hết các đô thị như một trong những giải pháp thay thế tối ưu cho đèn đường nhờ phản ứng nhanh, mức tiêu thụ điện năng thấp hơn và diện tích chiếm dụng nhỏ hơn. Trái ngược với các cột đèn thông thường, đèn đường LED sở hữu những đặc điểm sau:
– Tuổi thọ kéo dài từ 50.000 đến 100.000 giờ hoạt động trong điều kiện tiêu chuẩn, có khả năng kéo dài hơn nữa thông qua việc sử dụng hệ thống điều khiển thông minh.
– Độ bền cao hơn do được chế tạo không cần kính, được gắn trên bảng mạch, phát ra ánh sáng mát, không có vật liệu độc hại và cho phép chuyển mạch nhanh.
– Hiệu suất cao hơn, thường dao động từ 100 đến 120 lumen trên một watt từ nguồn sáng, khiến chúng phù hợp cho các ứng dụng trên đường bộ.
– Tần suất bảo trì thấp hơn so với các thiết bị đèn đường truyền thống.
– Tạo ra hoa văn phát sáng giúp tăng cường khả năng quan sát của người dùng đồng thời đảm bảo sự thoải mái tối đa cho mắt, cung cấp tầm nhìn tốt hơn cho người đi bộ và phương tiện dọc theo tuyến đường và giảm thiểu ô nhiễm ánh sáng.
– Giảm mức sử dụng năng lượng lên đến 50% trong khi vẫn duy trì độ chiếu sáng tương đương so với đèn đường thông thường và tỏa ra ít nhiệt hơn.
– Dễ quản lý và bảo trì, thời gian hoàn vốn ngắn hơn.
b, Bộ điều khiển ánh sáng cục bộ
Bộ điều khiển đèn chiếu sáng cục bộ cần hoạt động liên tục 24/7, nhằm hỗ trợ các tiện ích IoT bổ sung hoặc duy trì khả năng phản hồi đối với các lệnh điều khiển từ đơn vị giám sát trung tâm. Do đó, việc triển khai các bộ điều khiển có khả năng giám sát thời gian thực – bao gồm trạng thái hoạt động của đèn, các thông số điện, khả năng điều chỉnh độ sáng dựa trên thời gian trong ngày và lưu lượng giao thông, cũng như thiết lập liên kết truyền thông để truyền dữ liệu thu thập được đến đơn vị giám sát – có thể mang lại lợi ích rõ rệt về mặt tiết kiệm năng lượng và vận hành hiệu quả.
Để đạt được các mục tiêu này, bộ điều khiển cần đảm bảo mức tiêu thụ điện năng được tối ưu hóa trong khi vẫn duy trì độ chiếu sáng phù hợp với điều kiện thời tiết thực tế. Ngoài ra, thiết bị còn đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện và dự đoán các sự cố kỹ thuật, góp phần ngăn ngừa trục trặc và nâng cao hiệu quả quá trình khôi phục lỗi. Cụ thể, các hư hỏng phần cứng – như bóng đèn cháy – có thể được phát hiện sớm, thậm chí dự đoán trước, kèm theo thông tin về vị trí cụ thể. Điều này tạo điều kiện cho việc tổ chức các nhóm bảo trì theo lịch trình tối ưu, tính toán lộ trình hiệu quả nhất để xử lý toàn bộ các sự cố trong cùng khu vực, qua đó giảm thiểu chi phí và thời gian khắc phục.
Việc giám sát và điều hành theo thời gian thực không chỉ cho phép bảo trì dự đoán mà còn giúp hạn chế các can thiệp khẩn cấp tốn kém, vốn có thể ảnh hưởng đến lưu thông giao thông. Hơn nữa, các bộ điều khiển ánh sáng cục bộ còn có thể được phân loại dựa trên khả năng thu thập dữ liệu về hệ thống điện. Nhờ khả năng giám sát thông số điện theo thời gian thực, các thiết bị này hoạt động như các trạm phân tích phân tán trong hệ thống chiếu sáng đô thị, cung cấp thông tin giá trị về 62 trạng thái vận hành của lưới điện mà chúng kết nối. Đồng thời, chúng cũng cung cấp dữ liệu hữu ích cho đơn vị quản lý hạ tầng năng lượng đô thị, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành toàn hệ thống.
c, Cảm biến thông minh
Hệ thống chiếu sáng đường phố thông minh được tích hợp các cảm biến IoT nhằm thu thập dữ liệu môi trường và hoạt động xung quanh. Dữ liệu này sau đó được truyền đến bộ điều khiển trung tâm để phân tích và đưa ra các hành động điều chỉnh phù hợp đối với hệ thống đèn chiếu sáng. Các cảm biến được kết nối với nhau thông qua giao thức truyền thông không dây ZigBee, và phối hợp chặt chẽ với hệ thống giám sát nhằm đảm bảo khả năng điều khiển, theo dõi và tối ưu hóa hoạt động của đèn đường.
Với sự phổ cập của kết nối internet tại các khu vực đô thị, các hệ thống chiếu sáng dựa trên công nghệ IoT đang ngày càng được triển khai rộng rãi, góp phần nâng cao hiệu quả năng lượng và chất lượng dịch vụ công cộng.
Cảm biến thông minh là những thiết bị hỗ trợ IoT có khả năng kết nối internet và thực hiện giám sát theo thời gian thực các thông số như: điều kiện thời tiết, mức độ ánh sáng tự nhiên, các yếu tố môi trường, tình trạng giao thông, hướng chiếu sáng và chất lượng không khí. Dữ liệu thu thập được được truyền về hệ thống điều khiển để xử lý và phối hợp với các dịch vụ giám sát nhằm phân tích, trực quan hóa thông tin và hỗ trợ ra quyết định.
Có nhiều loại cảm biến IoT được sử dụng trong hệ thống chiếu sáng thông minh, bao gồm:
– Cảm biến độ ẩm
– Cảm biến nhiệt độ
– Cảm biến ánh sáng môi trường
– Cảm biến âm thanh, rung
– Cảm biến chuyển động, vận tốc, độ dịch chuyển
– Cảm biến LDR (Light Dependent Resistor – điện trở phụ thuộc ánh sáng)
– Cảm biến PIR (Passive Infrared – hồng ngoại thụ động)
– Cảm biến hồng ngoại (IR) Những cảm biến này không chỉ góp phần tự động hóa hệ thống chiếu sáng mà còn cung cấp dữ liệu có giá trị cho các mục đích phân tích và quy hoạch đô thị thông minh.
d, Cổng truyền dẫn
Gateway là một thành phần thiết yếu trong hệ thống chiếu sáng đường phố thông minh, đóng vai trò trung gian kết nối các điểm cuối từ nhiều mạng giám sát khác nhau, đồng thời đảm bảo quá trình liên lạc giữa các nút mạng được duy trì liên tục và ổn định. Thông thường, các gateway trong hệ thống này hoạt động với tốc độ truyền dữ liệu mạng Gigabit và tuân thủ các tiêu chuẩn công nghiệp nghiêm ngặt để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy cao.
Gateway thường được gọi là IoT Gateway vì nó cho phép tích hợp và trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị cảm biến hỗ trợ IoT, góp phần xây dựng hệ sinh thái chiếu sáng thông minh kết nối toàn diện.
Các chức năng chính của gateway bao gồm:
– Tăng cường bảo mật hệ thống: Cung cấp các lớp bảo vệ để ngăn chặn truy cập trái phép và bảo vệ dữ liệu truyền qua mạng.
– Trung gian giao tiếp máy – máy (M2M): Đóng vai trò là cầu nối truyền thông giữa các thiết bị IoT, đảm bảo luồng dữ liệu liên tục và chính xác.
– Khả năng cấu hình và quản lý thiết bị: Cho phép người quản trị dễ dàng thiết lập, giám sát và điều chỉnh các thông số thiết bị từ xa.
– Bộ nhớ đệm và truyền phát dữ liệu: Lưu trữ tạm thời dữ liệu thu thập được, đóng vai trò là bộ đệm và hỗ trợ truyền phát dữ liệu hiệu quả.
– Hỗ trợ dịch vụ ngoại tuyến và điều khiển thời gian thực: Duy trì khả năng điều khiển hệ thống ngay cả khi mất kết nối mạng, giúp đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định.
– Xử lý dữ liệu cục bộ: Thực hiện các tác vụ như tổng hợp, tiền xử lý, làm sạch và lọc dữ liệu trước khi gửi về hệ thống giám sát trung tâm, giúp giảm tải truyền thông và cải thiện hiệu quả xử lý.
3.2. Mạng lưới truyền thông
Để tối ưu hóa việc quản lý hệ thống chiếu sáng đường phố thông minh, việc kết nối các cột đèn với hệ thống giám sát thông qua một hạ tầng mạng phù hợp là điều thiết yếu. Do đặc điểm cấu hình tĩnh của hệ thống chiếu sáng đô thị, cả mạng có dây và không dây đều là những lựa chọn khả thi để thiết lập kết nối giữa các thiết bị.
Các công nghệ truyền thông không dây phổ biến bao gồm WiFi, ZigBee, 4G/5G, trong khi các giải pháp có dây như truyền thông qua đường dây điện (PLC) và Ethernet cũng thường được sử dụng. Hệ thống thường được triển khai với kiến 64 trúc kết hợp giữa mạng truyền thông cục bộ và mạng truyền thông từ xa. Trong đó, mạng cục bộ hỗ trợ trao đổi thông tin giữa các cột đèn thông minh, còn mạng truyền thông từ xa đảm nhiệm việc kết nối hệ thống chiếu sáng với đơn vị giám sát trung tâm.
Thiết lập này cho phép đơn vị giám sát thu thập các dữ liệu quan trọng như: mức tiêu thụ năng lượng, tình trạng giao thông và điều kiện thời tiết, từ đó đưa ra các quyết định điều hành phù hợp theo thời gian thực.
Trong mô hình này, giao tiếp giữa các cột đèn thông minh chủ yếu dựa trên giao thức ZigBee (IEEE 802.15.4) – một tiêu chuẩn toàn cầu được công nhận rộng rãi cho kết nối không dây giữa các thiết bị IoT. ZigBee cho phép tích hợp dễ dàng vào các nền tảng phần mềm IoT thông qua các gateway tương thích.
Ngoài ra, nhiều chính sách định tuyến được triển khai trong mạng ZigBee nhằm hỗ trợ trao đổi hiệu quả các thông điệp điều khiển và truy vấn thông tin giữa các cột đèn. Gateway có thể gửi lệnh hoặc yêu cầu dữ liệu đến một cột cụ thể, một nhóm cột được chỉ định, hoặc toàn bộ hệ thống đèn đang được liên kết mạng.
Bên cạnh đó, giao tiếp giữa gateway (hoạt động như bộ điều phối mạng) và hệ thống giám sát trung tâm – cũng như với các thiết bị đầu cuối của người dùng như điện thoại thông minh – được hỗ trợ thông qua các kết nối mạng diện rộng như WiFi, 4G, hoặc 5G.
a, Mạng có dây
Một phương pháp trực tiếp để tích hợp tất cả các cột đèn thông minh vào một mạng có dây là tận dụng hệ thống dây điện hiện có để truyền tải dữ liệu điều khiển. Cách tiếp cận này được thực hiện thông qua giao thức truyền thông qua đường dây điện (Power Line Communication – PLC), cho phép chuyển đổi lưới điện thành một hạ tầng viễn thông.
Trong hệ thống này, truyền thông dữ liệu được thực hiện bằng cách siêu đặt các tín hiệu điều chế lên trên dòng điện xoay chiều đang được phân phối đến các thiết bị. Nhờ đó, cùng một đường dây điện vừa cung cấp năng lượng, vừa đóng vai trò là phương tiện truyền dữ liệu, giúp giảm chi phí triển khai và tận dụng tối đa cơ sở hạ tầng hiện hữu.
b, Mạng không dây
Các mô-đun truyền thông không dây thường được lắp đặt trực tiếp trên cột đèn hoặc gần đèn LED, đóng vai trò như giao diện kết nối giữa hệ thống đèn và 65 mạng điều khiển. Những mô-đun này cho phép kết nối không dây hai chiều với cả hệ thống giám sát trung tâm và các thiết bị mạng khác, hỗ trợ việc truyền và nhận dữ liệu như: thông tin từ cảm biến, trạng thái hoạt động và mức cường độ ánh sáng của đèn. Một số mô-đun còn được trang bị ăng-ten ngoài để tối ưu hiệu quả truyền dẫn, trong khi một số khác tích hợp thiết bị định vị GPS, giúp quản lý vị trí của các cột đèn một cách chính xác và hiệu quả [79].
Các phương án mạng phổ biến để truyền thông không dây trong hệ thống chiếu sáng thông minh có thể được phân loại thành ba mô hình chính:
– Mạng di động (Cellular Networks):
+ Mạng di động hiện nay có độ phủ sóng rộng lớn, bao phủ khoảng 95% dân số toàn cầu và hầu hết các khu vực có người sinh sống. Nhờ vào phạm vi này, mạng di động trở thành một giải pháp lý tưởng cho việc kết nối các cột đèn với đơn vị giám sát trung tâm. Việc triển khai tương đối đơn giản – chỉ cần trang bị mỗi cột đèn một modem di động và kích hoạt kết nối là có thể tích hợp vào hệ thống.
+ Các mạng di động hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu đa dạng, từ vài kbps đến hàng trăm Mbps, phục vụ nhiều ứng dụng từ đo lường từ xa cơ bản đến các ứng dụng đòi hỏi băng thông lớn hơn. Trong lĩnh vực chiếu sáng thông minh, các giao thức IoT di động như LTE Cat-M1 và NB-IoT (Narrowband IoT) đang dần trở nên phổ biến. Đây là các tiêu chuẩn thuộc nhóm LPWAN (Low Power Wide Area Network), cho phép truyền dữ liệu tầm xa (hàng km) với tốc độ bit thấp và tiêu thụ năng lượng tối thiểu, phù hợp với các thiết bị chiếu sáng cần kết nối bền vững và tiết kiệm.
– Mạng LPWAN phi di động (Non-Cellular LPWAN):
+ Các công nghệ LPWAN không dựa trên mạng di động đang ngày càng phổ biến trong các giải pháp chiếu sáng đường phố thông minh, chủ yếu nhờ khả năng giảm chi phí vận hành liên quan đến hạ tầng mạng. Trong số các công nghệ này, LoRaWAN và Sigfox nổi bật nhờ vào khả năng truyền dữ liệu ở tốc độ thấp với mức tiêu thụ điện năng rất thấp, đồng thời có thể phủ sóng một khu vực rộng lớn.
+ LoRaWAN (Long Range Wide Area Network): sử dụng phổ tần không được cấp phép, hỗ trợ liên lạc hai chiều, mã hóa dữ liệu đầu-cuối và được tối ưu cho các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp.
+ Sigfox: thiết kế một chiều, đơn giản hóa việc truyền dữ liệu định kỳ hoặc thông báo cảnh báo, với độ tin cậy cao trong môi trường đô thị đông đúc.
– Mạng lưới dạng mesh (Mesh Networks):
+ Trong mô hình này, các cột đèn thông minh được tổ chức thành các cụm, cho phép giao tiếp dạng hop-by-hop giữa các thiết bị lân cận. Mạng mesh sử dụng các công nghệ truyền thông tầm ngắn, tiết kiệm chi phí, điển hình là IEEE 802.15.4 (ZigBee) hoặc Bluetooth Low Energy (BLE).
+ Mỗi cụm cột đèn có thể được liên kết với một hoặc nhiều nút mạng chuyên dụng được trang bị giao diện truyền thông tầm xa (ví dụ: cáp quang hoặc kết nối di động). Nút mạng này đóng vai trò là gateway, trung gian giữa đơn vị giám sát và toàn bộ cụm đèn, chịu trách nhiệm truyền tải dữ liệu, gửi lệnh điều khiển và nhận thông tin phản hồi từ các thiết bị đầu cuối.
+ Việc sử dụng mạng mesh giúp tăng cường độ tin cậy và khả năng phục hồi, vì thông điệp có thể được định tuyến qua nhiều đường đi nếu một kết nối nào đó bị gián đoạn. Đồng thời, kiến trúc này cũng giảm tải cho mạng truyền thông chính, nâng cao hiệu quả quản lý hệ thống chiếu sáng ở cấp độ khu vực.
3.3. Ứng dụng giám sát và điều khiển
Một khía cạnh quan trọng của hệ thống chiếu sáng đường phố thông minh là tính thân thiện với người dùng và khả năng tương tác hiệu quả giữa người vận hành và cơ sở hạ tầng chiếu sáng. Trong kiến trúc hệ thống này, đơn vị giám sát đóng vai trò là máy chủ điều khiển trung tâm, có thể được triển khai tại chỗ hoặc trên nền tảng đám mây, tùy thuộc vào quy mô và yêu cầu vận hành của từng khu vực. Để đảm bảo khả năng điều khiển và giám sát từ xa hiệu quả, hệ thống tích hợp ứng dụng web và ứng dụng di động nhằm cung cấp giao diện quản lý trực quan và linh hoạt. Khi kết hợp với các cảm biến IoT tiên tiến, cơ sở hạ tầng kết nối hiện đại và phần mềm ứng dụng mạnh mẽ, các nền tảng này cung cấp nhiều tính năng và chức năng nổi bật như sau:
– Lựa chọn chế độ vận hành và cấu hình hoạt động chi tiết cho từng cột đèn;
– Giám sát và điều khiển toàn diện, bao gồm lập lịch bật/tắt, điều chỉnh độ sáng (dimming), và phát hiện mất điện;
– Phát hiện và cảnh báo điều kiện bất thường trong hệ thống hoạt động;
– Chẩn đoán dự đoán (predictive diagnostics) nhằm phân tích, phát hiện lỗi chức năng, xác định các đèn bị trục trặc và lên kế hoạch bảo trì phòng ngừa;
– Giao diện trực quan hiển thị dữ liệu tiêu thụ năng lượng, chẩn đoán kỹ thuật, thông tin môi trường và các thống kê vận hành;
– Phân tích dữ liệu và tạo báo cáo sử dụng, bao gồm mức tiêu thụ điện hiện tại và trung bình, công suất đỉnh, lượng tiết kiệm năng lượng, lưu lượng giao thông, điều kiện thời tiết và các cảnh báo liên quan;
– Tương tác với nhiều điểm cuối trong hệ sinh thái đô thị thông minh, như đèn đường, đèn đỗ xe, đèn sân vườn, đèn mặt đất và đèn giao thông;
– Phân tích dữ liệu toàn diện từ các điểm cuối để hỗ trợ ra quyết định;
– Bảo mật và lưu trữ dữ liệu, bao gồm mã hóa và quản lý truy cập;
– Thúc đẩy việc tích hợp năng lượng tái tạo, tối ưu chi phí vận hành;
– Quản lý người dùng hệ thống, phân quyền cho các vai trò như quản lý, vận hành và quản trị viên cấp cao;
– Xác thực người dùng dựa trên các chính sách bảo mật được quy định bởi đơn vị giám sát;
– Nâng cao an toàn đô thị, hỗ trợ phản ứng khẩn cấp và điều chỉnh hệ thống theo nhu cầu thực tế.
Đặc biệt, ứng dụng di động không chỉ bao gồm toàn bộ chức năng có trong giao diện web, mà còn cho phép người quản lý được ủy quyền điều chỉnh mức độ sáng theo thời gian thực của các đèn cụ thể. Điều này rất quan trọng trong các tình huống khẩn cấp, nơi các cơ quan chức năng như cảnh sát có thể chủ động tương tác với hạ tầng chiếu sáng để tăng cường khả năng quan sát và bảo đảm an toàn công cộng.
- XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Hệ thống chiếu sáng thông minh dựa trên IoT sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ với sự tích hợp thêm nhiều tính năng và dịch vụ đa dạng nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng, bảo vệ môi trường và cải thiện chất lượng cuộc sống trong các thành phố thông minh.
Một trong những xu hướng nổi bật là sự phát triển của các cột đèn đa chức năng, không chỉ thực hiện nhiệm vụ chiếu sáng mà còn được trang bị thêm các thiết bị như camera giám sát an ninh, cảm biến môi trường, màn hình hiển thị thông tin công cộng và trạm sạc xe điện. Việc tích hợp này giúp tối ưu hóa không gian đô thị và cung cấp nhiều tiện ích hơn cho cư dân.
Trí tuệ nhân tạo (AI) cũng được ứng dụng rộng rãi trong việc phân tích dữ liệu lớn (Big Data) thu thập từ các cảm biến để dự đoán nhu cầu chiếu sáng theo từng thời điểm và khu vực, từ đó điều chỉnh hệ thống một cách linh hoạt và hiệu quả hơn. AI còn hỗ trợ trong việc phát hiện sự cố sớm và đề xuất phương án bảo trì tối ưu.
Năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, ngày càng được tích hợp vào hệ thống chiếu sáng thông minh nhằm giảm sự phụ thuộc vào lưới điện và giảm phát thải khí nhà kính. Các tấm pin mặt trời được lắp đặt trên cột đèn giúp cung cấp năng lượng sạch và góp phần vào mục tiêu phát triển bền vững.
Bên cạnh đó, việc nâng cao an ninh mạng và bảo mật dữ liệu là một yếu tố không thể thiếu để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn, tránh các rủi ro từ các cuộc tấn công mạng. Các giải pháp bảo mật tiên tiến sẽ được áp dụng để bảo vệ thông tin cá nhân và dữ liệu vận hành hệ thống.
Tương lai của hệ thống chiếu sáng thông minh không chỉ là chiếu sáng mà còn là một phần quan trọng trong mạng lưới dịch vụ đô thị tích hợp, góp phần xây dựng các thành phố thông minh, bền vững và đáng sống hơn.
- KẾT LUẬN
Hệ thống chiếu sáng thông minh dựa trên công nghệ Internet kết nối vạn vật (IoT) là một thành phần thiết yếu trong kiến trúc và phát triển của các đô thị thông minh hiện nay. Hệ thống này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng, giảm chi phí vận hành mà còn cải thiện mức độ an toàn và chất lượng cuộc sống cho cư dân đô thị
Việc chuyển đổi từ các hệ thống chiếu sáng truyền thống sang các giải pháp chiếu sáng thông minh dựa trên đèn LED và công nghệ IoT mang lại nhiều lợi ích về kinh tế và môi trường. Ngoài ra, khả năng điều khiển linh hoạt, giám sát từ xa và tích hợp với các dịch vụ đô thị khác giúp hệ thống này trở thành nền tảng vững chắc cho phát triển bền vững.
Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, hệ thống chiếu sáng thông minh cũng đối mặt với những thách thức như chi phí đầu tư ban đầu cao, vấn đề bảo mật và quyền riêng tư dữ liệu, cùng với yêu cầu về bảo trì và vận hành phức tạp. Việc giải quyết những thách thức này thông qua nghiên cứu công nghệ, chính sách phù hợp và sự hợp tác đa bên sẽ là yếu tố then chốt để khai thác tối đa tiềm năng của hệ thống.
Hệ thống chiếu sáng thông minh dựa trên IoT không chỉ là một giải pháp kỹ thuật mà còn là một phần quan trọng trong chiến lược phát triển đô thị bền vững, góp phần xây dựng các thành phố hiện đại, thông minh và đáng sống hơn trong tương lai.
—————————————————
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- Nguyễn Hông Tiến (2024), Chiếu sáng xanh để phát triển đô thị bền vững, Tạp chí Môi trường Xây dựng;
- Phan Hồng Khôi (2023), Xu hướng phát triển thành phố thông minh và chiếu sáng thông minh toàn cầu, Tạp chí Ánh sáng và Cuộc sống;
- Nguyễn Thanh Tùng, Nghiên cứu xây dựng hệ thống các module điều khiển chiếu sáng tích hợp kiểm soát trên điện thoại thông minh;
- Nguyễn Văn Thao (2018), Công nghệ chiếu sáng LED và ứng dụng, Nxb Thanh Niên;
- S. Roy, D.K. Jana, A. Mishra (2024), Linguistic interval type 2 fuzzy logic based Exigency Vehicle routing: ioT system development for smart city applications with soft computing-based optimization;
- A. Gharaibeh, M.A. Salahuddin, S.J. Hussini, A. Khreishah, I. Khalil, M. G uizani, A. Al-Fuqaha (2017), Smart cities: a survey on data management, security and enabling technologies;
- E. Park, A.P. Del Pobil, S.J. Kwon (2018), The role of Internet of Things (IoT) in smart cities: technology roadmap-oriented approaches;
- G. Pasolini, C. Buratti, L. Feltrin, F. Zabini, C. De Castro, R. Verdone, O. Andrisano (2018), Smart city pilot projects using LoRa and IEEE802.15.4 technologies;
- K.H. Bachanek, B. Tundys, T. Wi´sniewski, E. Puzio, A. Maroušková (2021), Intelligent street lighting in a smart city concepts—A direction to energy saving in cities: an overview and case study;
- P. Mishra, G. Singh (2023), Energy management systems in sustainable smart cities based on the internet of energy: a technical review;
- D. Jin, C. Hannon, Z. Li, P. Cortes, S. Ramaraju, P. Burgess, N. Buch, M. Shahidehpour (2021), Smart street lighting system: a platform for innovative smart city applications and a new frontier for cyber-security;
Nguyễn Văn Minh 1,2, *
1, TS. GĐ. Nguyễn Văn Minh ; 1, Dr. Nguyễn Văn Minh
2, Công ty Cổ phần Kiến trúc, Đầu tư và Thương mại Việt Nam;
2, Dr, Vietnam Architecture, Investment and Commercial JSC
Theo TC AS&CS số in tháng 6/2025
