## Tổng quan nghiên cứu

Thị trường đồng hồ nước thông minh tại khu vực Châu Á - Thái Bình Dương dự kiến đạt hơn 300 triệu USD vào năm 2024, tăng hơn 85 triệu USD so với các năm trước, với tốc độ tăng trưởng khoảng 30% mỗi năm. Tại Việt Nam, việc triển khai đồng hồ nước thông minh mới chỉ bắt đầu từ năm 2017 với hơn 1.000 thiết bị được lắp đặt tại trung tâm TP.HCM, mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc nâng cao năng suất lao động và quản lý nước. Tuy nhiên, các nhà máy nước vẫn chủ yếu sử dụng phương pháp thủ công trong việc ghi chỉ số và thanh toán, gây nhiều hạn chế về hiệu quả và độ chính xác.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào đánh giá các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu tiết kiệm năng lượng cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh, nhằm kéo dài thời gian hoạt động của thiết bị đọc chỉ số nước, vốn được cấp nguồn pin với tuổi thọ từ 3-5 năm. Mục tiêu cụ thể là phân tích, mô phỏng và so sánh hiệu năng của hai giao thức CTP (Collection Tree Protocol) và RPL (IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy Networks) trong môi trường mạng đồng hồ nước thông minh tại Việt Nam.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu trong từng cụm mạng đồng hồ nước thông minh, sử dụng công cụ mô phỏng Cooja trên hệ điều hành Contiki. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để lựa chọn giao thức phù hợp, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành hệ thống đo lường tự động, giảm thất thoát nước và chi phí vận hành.

---

## Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

### Khung lý thuyết áp dụng

- **Giao thức CTP (Collection Tree Protocol):** Xây dựng cấu trúc cây định tuyến thu thập dữ liệu với chi phí tối thiểu dựa trên thước đo ETX (Expected Transmission Count), giúp giảm số lần truyền và tiết kiệm năng lượng. CTP sử dụng các bản tin điều khiển, dữ liệu và xác nhận để duy trì cấu trúc mạng và tránh vòng lặp định tuyến.

- **Giao thức RPL (IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy Networks):** Thiết kế cho mạng LLNs với cấu trúc DODAG (Destination Oriented Directed Acyclic Graph), hỗ trợ nhiều tuyến đường dự phòng, sử dụng các bản tin ICMPv6 (DIO, DAO, DIS) để xây dựng và duy trì mạng. RPL tối ưu hóa việc định tuyến dựa trên hàm mục tiêu và thứ bậc (Rank) của các nút.

- **Khái niệm chính:**
  - ETX: Số lần truyền kỳ vọng để gửi thành công một gói tin.
  - DODAG: Đồ thị định hướng không vòng, kết thúc tại nút gốc.
  - Rank: Vị trí tương đối của nút trong DODAG.
  - Hàm mục tiêu: Quyết định lựa chọn nút cha dựa trên các tiêu chí tối ưu.

### Phương pháp nghiên cứu

- **Nguồn dữ liệu:** Thu thập từ các tài liệu khoa học trong và ngoài nước, các báo cáo thị trường, và dữ liệu thực tế từ các dự án triển khai đồng hồ nước thông minh tại Việt Nam.

- **Phương pháp phân tích:** Phân tích lý thuyết các giao thức CTP và RPL, xây dựng mô hình mô phỏng mạng đồng hồ nước thông minh sử dụng hệ điều hành Contiki và công cụ mô phỏng Cooja.

- **Cỡ mẫu và chọn mẫu:** Mô phỏng mạng với khoảng 37 nút trong một cụm, mô phỏng các kịch bản mạng thực tế tại khu đô thị Vinhome và các khu vực đô thị khác.

- **Timeline nghiên cứu:** Nghiên cứu lý thuyết và thu thập dữ liệu trong 6 tháng đầu, mô phỏng và đánh giá trong 6 tháng tiếp theo, tổng kết và đề xuất trong 3 tháng cuối.

---

## Kết quả nghiên cứu và thảo luận

### Những phát hiện chính

- **Hiệu năng truyền dữ liệu:** Giao thức CTP đạt tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu thành công cao hơn 90%, trong khi RPL đạt khoảng 85% trong các kịch bản mô phỏng tương tự.

- **Tiêu thụ năng lượng:** CTP tiêu thụ năng lượng trung bình thấp hơn khoảng 15% so với RPL, nhờ vào cơ chế lựa chọn tuyến đường tối ưu dựa trên ETX.

- **Số lần thay đổi nút cha:** RPL có số lần thay đổi nút cha trung bình cao hơn 20% so với CTP, gây ra sự không ổn định trong mạng và tăng tiêu thụ năng lượng.

- **Số bước nhảy trung bình:** CTP duy trì số bước nhảy trung bình thấp hơn 10% so với RPL, giúp giảm độ trễ truyền dữ liệu.

### Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính khiến CTP có hiệu năng tốt hơn là do sử dụng thước đo ETX chính xác để lựa chọn tuyến đường ít lỗi và ít tiêu tốn năng lượng. RPL mặc dù cung cấp nhiều tuyến đường dự phòng nhưng cơ chế quản lý phức tạp hơn dẫn đến tiêu thụ năng lượng cao và sự thay đổi nút cha thường xuyên, ảnh hưởng đến độ ổn định mạng.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng sử dụng CTP cho các mạng cảm biến không dây có yêu cầu tiết kiệm năng lượng cao. Việc mô phỏng trên công cụ Cooja cho phép đánh giá chi tiết các chỉ số hiệu năng, có thể trình bày qua biểu đồ so sánh tỷ lệ thành công, tiêu thụ năng lượng và số lần thay đổi nút cha.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu là cung cấp cơ sở lựa chọn giao thức phù hợp cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh tại Việt Nam, góp phần kéo dài tuổi thọ thiết bị và nâng cao hiệu quả quản lý.

---

## Đề xuất và khuyến nghị

- **Triển khai giao thức CTP cho mạng đồng hồ nước thông minh:** Tăng tỷ lệ thành công truyền dữ liệu lên trên 90%, giảm tiêu thụ năng lượng, thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, do các công ty cấp nước và nhà cung cấp thiết bị thực hiện.

- **Phát triển các thuật toán định tuyến năng lượng hiệu quả:** Tối ưu hóa việc phân nhóm và phân công vai trò trong mạng, giảm tiêu hao pin, áp dụng trong 3 năm tới, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

- **Xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo năng lượng:** Giám sát mức năng lượng các nút để tránh sử dụng các nút yếu, nâng cao độ bền mạng, triển khai trong 1 năm, do nhà quản lý mạng và đơn vị vận hành.

- **Đào tạo và nâng cao nhận thức cho nhân viên vận hành:** Về công nghệ đồng hồ nước thông minh và giao thức định tuyến, giúp vận hành hiệu quả, thực hiện liên tục, do các công ty cấp nước và trường đại học phối hợp.

---

## Đối tượng nên tham khảo luận văn

- **Các nhà quản lý và vận hành hệ thống cấp nước:** Nắm bắt công nghệ mới, lựa chọn giải pháp phù hợp để nâng cao hiệu quả quản lý và giảm thất thoát nước.

- **Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật viễn thông, công nghệ thông tin:** Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình mô phỏng và đánh giá giao thức mạng không dây.

- **Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị đồng hồ nước thông minh:** Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm tối ưu về năng lượng và hiệu suất truyền dữ liệu.

- **Các cơ quan chính sách và quản lý nhà nước:** Định hướng phát triển hạ tầng đo lường tự động, xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách hỗ trợ ứng dụng công nghệ mới.

---

## Câu hỏi thường gặp

1. **Giao thức CTP và RPL khác nhau như thế nào?**  
CTP sử dụng cây định tuyến dựa trên thước đo ETX để tối ưu chi phí truyền dữ liệu, trong khi RPL xây dựng cấu trúc DODAG với nhiều tuyến đường dự phòng, phù hợp với mạng tổn hao nhưng phức tạp hơn.

2. **Tại sao tiết kiệm năng lượng lại quan trọng trong mạng đồng hồ nước thông minh?**  
Thiết bị đồng hồ nước sử dụng pin với tuổi thọ giới hạn (3-5 năm), tiết kiệm năng lượng giúp kéo dài thời gian hoạt động, giảm chi phí bảo trì và thay thế.

3. **Mô phỏng Cooja có vai trò gì trong nghiên cứu?**  
Cooja là công cụ mô phỏng mạng không dây trên hệ điều hành Contiki, giúp đánh giá hiệu năng giao thức trong môi trường giả lập gần với thực tế.

4. **Làm thế nào để giảm thất thoát nước nhờ đồng hồ nước thông minh?**  
Thông qua việc giám sát liên tục, cảnh báo rò rỉ và dữ liệu chính xác, giúp phát hiện và xử lý kịp thời các sự cố trong mạng lưới cấp nước.

5. **Chi phí đầu tư đồng hồ nước thông minh có cao không?**  
Hiện tại chi phí gấp 3-4 lần đồng hồ cơ học truyền thống, tuy nhiên lợi ích về hiệu quả quản lý và tiết kiệm nước mang lại giá trị lâu dài.

---

## Kết luận

- Đã đánh giá và so sánh hiệu năng của hai giao thức định tuyến thu thập dữ liệu CTP và RPL cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh.  
- Giao thức CTP thể hiện ưu thế vượt trội về tỷ lệ thành công truyền dữ liệu và tiết kiệm năng lượng.  
- Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn giao thức phù hợp, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý nước và kéo dài tuổi thọ thiết bị.  
- Đề xuất các giải pháp triển khai và phát triển công nghệ phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.  
- Hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung vào phát triển thuật toán định tuyến năng lượng hiệu quả hơn và mở rộng mô hình mô phỏng cho mạng quy mô lớn.

**Hành động tiếp theo:** Các đơn vị quản lý và doanh nghiệp cần phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế giao thức CTP, đồng thời đào tạo nhân lực vận hành để tận dụng tối đa lợi ích từ công nghệ đồng hồ nước thông minh.