CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
28
KHOA H
ỌC
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG IOT TRONG THIẾT KẾ BIỆT THỰ 200M² THÔNG MINH QUA PHẦN MỀM EWELINK
RESEARCH ON IOT APPLICATION IN DESIGNING A SMART 200M² VILLA THROUGH EWELINK SOFTWARE Hoàng Văn Lâm1, Nguyễn Đắc Đạt1, Nguyễn Khánh Duy1, Lương Thị Minh Hoàn1, Nguyễn Mai Quỳnh1, Đoàn Đức Thắng2,* TÓM TẮT Trong các ngôi nhà hiện đại ngày nay, số lư
ợng trang thiết bị điện, điện tử
đang không ngừng gia tăng. Tuy nhiên, do khác nhau về ki
ến trúc việc điều khiển
các thiết bị còn nhiều bất cập, đặc biệt khi khoảng cách địa lí giữa chúng lớn. V
ì
vậy, việc áp dụng các công nghệ điều khiển tự động nhằm giải quyết t
ương tác
giữa môi trường và các thiết bị trong nhà một cách linh hoạt, dễ dàng là đi
ều tất
yếu. Trong phạm vi bài báo này, nhóm tác gi
hình nhà thông minh tích hợp phần cứng và ph
ần mềm sử dụng công nghệ
Internet of Things (IoT). Từ khóa: Nhà thông minh, internet, điều khiển tự động. ABSTRACT In
today's modern homes, the amount of electrical and electronic equipment
is constantly increasing. However, due to differences in architecture, controlling
devices still have many shortcomings, especially when the geographical distance
between them is large
. Therefore, the application of automatic control
technologies to solve the interaction between Flexible and easy home
environments and devices are inevitable. Within the scope of the article, the
authors build a smart home simulation system integrating ha
rdware and software
using Internet of Things (IoT) technology. Keywords: Smart home, internet, automatic control. 1Lớp Kỹ thuật Điện 05 - K14, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 2Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email:doanducthanghaui@gmail.com 1. GIỚI THIỆU 1.1. Tổng quan công nghệ IoT Thuật ngữ Internet of things (viết tắt là IoT) được hiểu một cách đơn giản là một mạng lưới vạn vật kết nối với nhau thông qua Internet. Chúng bao gồm các đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình và tất cả có khả năng truyền tải hay trao đổi thông tin hay dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, người với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và quan trọng hơn là sự có mặt của Internet. Nói đơn giản IoT là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối mọi thứ lại với nhau với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó. Có thể nói IoT có mặt trong hầu hết các lĩnh vực đời sống của chúng ta hiện nay từ văn hóa, du lịch, giáo dục, y học, truyền thông. Tất cả các lĩnh vực trên đều được ứng dụng từ các thành tựu của IoT. Như trước đây nếu chúng ta muốn thông tin liên lạc với nhau thì không còn cách nào khác đó là viết thư và truyền thư thông qua người giao nhận. Còn bây giờ thì thông qua các thiết bị thông minh, chúng được kết nối với nhau thông qua hệ thống wifi, 3G hay các ứng dụng riêng của từng hãng. Chưa đầy 10s đã có thể gửi tin nhắn đến một người hay nhiều người khác. Bên cạnh đó thì còn có nhiều ứng dụng khác như: Quản lý môi trường Quản lý hệ thống máy móc Quản lý hệ thống mua sắm trực tuyến Quản lý hệ thống giám sát an ninh Quản lý nhà thông minh Ứng dụng quản lý toàn bộ thiết bị cá nhân thông qua việc đồng bộ Mặc dù đã có từ lâu nhưng kỷ nguyên Internet of Things chỉ thực sự được chú ý và bùng nổ trong những năm gần đây, sau sự phát triển của smartphone, tablet và những kết nối không dây,… Và ngay sau khi nhận được sự chú ý của cộng đồng, IoT đã cho thấy tiềm năng của mình với những số liệu đáng kinh ngạc . IoT có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như tự động hóa ngôi nhà, mua sắm thông minh, quản lí các thiết bị cá nhân, đồng hồ đo thông minh, phản hồi trong các tình huống khẩn cấp, quản lí môi trường. Hiện nay nhiều hãng, công ty, tổ chức trên thế giới đang nghiên cứu các nền tảng giúp xây dựng nhanh ứng dụng dành cho IoT. Đại học British Columbia ở Canada hiện đang tập trung vào một bộ toolkit cho phép phát triển phần mềm IoT chỉ bằng các công nghệ/tiêu chuẩn Web cũng như giao thức phổ biến. Công ty như ioBridge thì cung cấp giải pháp kết nối và điều khiển hầu như bất kì thiết bị nào có khả năng kết nối Internet, kể cả đèn bàn, quạt máy... Internet of Thing đang là chìa khóa của thành công trong tương lai gần. Bên cạnh đó, công nghệ không dây đáp ứng đa tiêu chuẩn đang giúp giảm giá thành các mặt hàng thiết
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 29
bị kết nối không dây; và những giao thức Internet mới đã giúp hiện thực hóa việc kết nối hàng tỷ thiết bị vào mạng lưới Internet. Hiện trên thị trường đang có ngày càng nhiều thiết bị di động giá rẻ, sự cải thiện về điều kiện kinh tế của nhóm khách hàng Châu Á đã dẫn đến sự gia tăng theo cấp số nhân về sử dụng thiết bị di động ở khu vực này. 1.2. Tổng quan về nhà thông minh Nhà thông minh (Home automation, domotics, smart home hoặc Intellihome) là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được điều khiển hoặc tự động hoá hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển. Hệ thống điện tử này giao tiếp với người dùng thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính bảng hoặc một giao diện web. Trong nhà thông minh, đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối với Internet và điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động theo lịch. Các thiết bị này có thể tự đưa ra cách xử lý tình huống được lập trình trước, hoặc là được điều khiển và giám sát từ xa. Sau đây là các lợi ích tuyệt vời đem đến cho bạn từ một hệ thống tự động hóa nhà thông minh: Lợi ích 1: Tăng thêm sự an toàn qua việc điều khiển chiếu sáng và thiết bị điện. Một lợi ích nữa của home automation đó là tăng thêm sự an toàn cho gia đình và ngôi nhà. Bạn có thể kiểm soát các thiết bị điện dù nhỏ và cả việc chiếu sáng, bằng một cái chạm nhẹ đầu ngón tay vào thiết bị công nghệ yêu thích của bạn. Không chỉ tiết kiệm tiền điện cho bạn thông qua việc tự động tắt khi không có người, lighting control còn có thể tự động bắt tắt đèn theo chu kỳ để đánh lừa kẻ xấu tưởng bạn vẫn có nhà. Điều này làm tăng thêm độ an toàn và an ninh cho nhà bạn. Hình 1. Điều khiển đèn bật tắt qua điện thoại Lợi ích 2: Gia tăng quan sát thông qua camera an ninh Chúng ta không thể có mặt ở mọi nơi cùng lúc. Điều này khiến chúng ta thường bỏ lỡ nhiều việc đang diễn ra, có lẽ với ngay cả trong nhà hay sân vườn mình. Với hệ thống tự động hóa nhà thông minh, có thể dễ dàng quan sát thấy việc đang diễn ra. Các camera an ninh sẽ gia tăng độ an toàn cho gia đình bằng cách ghi nhận lại các hình ảnh khi nó phát hiện có chuyển động hoặc tự động ghi hình tại một thời điểm nhất định nào đó trong ngày. Hình 2. Quan sát nhà qua điện thoại Lợi ích 3: Tiết kiệm thời gian Dễ dàng tiết kiệm được các khoảng thời gian quý báu và dành hiệu năng tốt hơn cho công việc. Lợi ích 4: Tiết kiệm tiền và gia tăng độ tiện nghi của ngôi nhà Như vừa đề cập trên, hệ thống home automation giúp bạn tiết kiệm tiền. 1.3. Nguyên tắc hoạt động của nhà thông minh Nhà thông minh được hiểu là hệ thống các thiết bị điện tử gia dụng được kết hợp với nhau thành mạng thiết bị và hoạt động theo kịch bản tùy biến nhằm tạo ra môi trường sống tiện nghi, an toàn, tiết kiệm năng lượng. Một hệ thống nhà thông minh cơ bản bao gồm một máy tính điều khiển trung tâm, được gọi là máy chủ (Home Server), có nhiệm vụ kết nối các thiết bị với nhau và điều khiển toàn bộ hệ thống nhà. Các thiết bị gia dụng đầu cuối là những vật dụng điện tử trong nhà như các thiết bị an ninh, hệ thống cửa, điều hòa, rèm mành, hệ thống đèn, quạt thông gió, ti vi, bếp gas… Các thiết bị này được kết nối với nhau trong hệ thống mạng thiết bị bằng công nghệ truyền dữ liệu, qua đường điện (Power line communication - PLC) hoặc không dây (Zigbee) và được kết nối trực tiếp đến Home Server. Cuối cùng là hệ thống các phần mềm điều khiển ngôi nhà cài đặt trên Home Server, trên các thiết bị điều khiển và các thiết bị điện tử gia dụng đầu cuối. Chủ nhân của Hệ thống nhà thông minh có thể kiểm soát, điều khiển ngôi nhà cũng như các thiết bị trong nhà bằng nhiều phương tiện như: điện thoại di động, tablet, laptop… ở bất kì đâu và bất kỳ lúc nào. 1.4. Tiêu chuẩn nhà thông minh Tự động hóa hoạt động của ngôi nhà. Các thiết bị cảm biến, giám sát sẽ thu thập thông tin của ngôi nhà như nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa... Các thông tin thu thập được sẽ được phân tích ở bộ xử lý trung tâm. Từ kết quả phân tích được sẽ đưa ra các điều khiển hoạt động của các thiết bị cho phù hợp nhất. Ngoài ra các tính năng như bật đèn, đóng mở rèm…
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
30
KHOA H
ỌC
cũng có thể được cài đặt hoạt động tự động theo ý muốn của người sử dụng. Đảm bảo an ninh, an toàn cho ngôi nhà. Hiện nay hệ thống giám sát an ninh như camera, dấu vân tay hoặc nhận dạng qua hình ảnh đã và đang được sử dụng rất phổ biến. Hầu như nhà nào cũng được trang bị đầy đủ, vì vậy các hệ thống nhà hiện nay đang được đánh giá có chất lượng an ninh, an toàn rất tốt. Đem lại sự thoải mái cho người sử dụng. Đây là tiêu chí đánh giá quan trọng nhất cho mỗi ngôi nhà. Mỗi ngôi nhà sẽ được thiết kế sao cho đem lại sự thoải mái nhất cho người sử dụng. Qua đó nâng cao chất lượng cuộc sống cho mỗi người sử dụng. Cung cấp các dịch vụ giải trí chất lượng cao. Ngày nay nhu cầu giải trí của người sử dụng ngày càng cao. Để đáp ứng được nhu cầu này cho người sử dụng, mỗi ngôi nhà đều được trang bị các hệ thống giải trí có chất lượng tốt nhất. Cung cấp khả năng giám sát, điều khiển từ xa. Mỗi ngôi nhà thông minh đều được trang bị các hệ thống giám sát, các hệ thống này đều được kết nối tới thiết bị của người sử dụng nên ngôi nhà luôn được giám sát rất tốt. Các thiết bị đều được kết nối tới bộ quản lý trung tâm vì thế người sử dụng có thể điều khiển bất kỳ thiết bị nào ở mọi nơi vào mọi thời điểm khi mà các thiết bị đã được kết nối qua internet. Tăng hiệu suất các hệ thống, giảm điện năng tiêu thụ. Với các hệ thống điều khiển đơn giản nhưng hiệu quả thì năng lượng luôn được tiết kiệm một cách tối ưu. 1.5. Một số hãng sản xuất nhà thông minh Tại Việt Nam hiện nay, nhu cầu lắp đặt nhà thông minh chưa nhiều vì đây là một lĩnh vực còn khá mới. Nhà thông minh được lắp đặt chủ yếu tại các tòa nhà mới xây, khu chung cư cao cấp và một số ít biệt thự, khách sạn sang trọng. Hiện tại, thị trường nhà thông minh ở Việt Nam chia thành hai phân khúc là trung cấp và cao cấp. Với phân khúc cao cấp khách hàng phải bỏ từ vài trăm triệu tới vài tỉ động cho trọn bộ giải pháp nhà thông minh. Các đơn vị thực hiện thường là đối tác ủy quyền của những ông lớn về công nghệ trên thế giới như Mỹ, Pháp, Đức,… Còn đối với nhà thông minh Việt Nam, khách hàng chỉ mất chi phí từ 30 - 50 triệu là có thể hoàn thiện một căn hộ chung cư thông minh. Và với chi phí từ 70 - 100 triệu động cho một căn biệt thự đầy đủ giải pháp. Không những thế, việc thi công chỉ mất từ 2 - 3 ngày mà không đập phá hay phải đi dây lại hệ thống điện. Sau đây là một số tập đoàn sản xuất nhà thông minh nổi tiếng: - Tập đoàn Scheneide - Pháp Scheneider là một tập đoàn lớn trên thế giới cung cấp thiết bị điện. Ngày 18/ 4/2017 tập đoàn Scheneider đã khánh thành nhà máy chuyên sản xuất thiết bị điện cho giải pháp nhà thông minh tại khu công nghệ cao Sài Gòn, Quận 9, TPHCM. Có thể xem đây là một trong những nhà máy có quy mô lớn nhất của tập đoàn Scheneider trong chuỗi cung ứng toàn cầu gồm hơn 200 trung tâm sản xuất. Các thiết bị điện thông minh của Scheneider đều có những ưu điểm vượt trội về chất lượng cũng như độ bền của sản phẩm. Tuy nhiên mẫu mã thiết kế của sản phẩm chưa thật sự sắc xảo, tinh tế. So với giá thành mà khách hàng phải bỏ ra rất cao để sở hữu một thiết bị điện của Scheneider. - Nhà thông minh Smart 4G - Mỹ Smart 4g tập đoàn chuyên về tư vấn và cung cấp thiết bị nhà thông minh, được thành lập từ năm 1986 có trụ sở chính tại Mỹ. Giải pháp nhà thông minh của Smart 4G cũng tương tự như các hãng nhà thông minh hiện nay chưa có gì nổi trội và khác biệt lớn. Thiết kế thiết bị điện thông minh của hãng được đánh giá là chưa được đẹp, thiết kế của sản phẩm vẫn còn 1 phần nào đó hơi thô chưa được sang trọng. Giá thành sản phẩm khá cao so với mức thu nhập của người Việt Nam. - Công ty nhà thông minh TIS Smarthome - Mỹ TIS SMART HOME là thương hiệu đến từ Mỹ với kinh nghiệm hơn 15 năm trong lĩnh vực nhà tự động (home automation) và nhà thông minh (smart home). Văn phòng và nhà máy của TIS được đặt tại Texas. Sau đó, nhằm muốn giảm chi phí sản xuất thiết bị nên TIS đã dời xưởng sản xuất về Hong Kong - Trung Quốc, điều này giúp thiết bị thông minh của TIS có giá thành khá tốt so với các hãng khác. về thiết kế sản phẩm của TIS, thiết kế mặt kính hiện đại và sang trọng. Sản phẩm đạt chất lượng tiêu chuẩn châu Âu. Công ty đã có những dự án công trình lớn như Vinhome Tân Cảng, khu căn hộ cao cấp Horizon, khu dân cư Fezzila, biệt thự biển, bãi giữ xe quy mô lớn ở các trung tâm thương mại. Hiện nay, TIS cũng đang đẩy mạnh vào phân khúc các hộ gia đình trung lưu muốn sở hữu nhà thông minh... 2. WEBSERVER VÀ CÁC MODULE BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH Trong phần 2 trình bày về các thành phần phần cứng của hệ thống nhà thông minh, từ đó phân tích và lựa chọn giải pháp thiết kế mô hình nhà thông minh phục vụ các nhu cầu cơ bản với giá thành thấp. Giới thiệu về công nghệ Web sever Web server hay còn gọi là máy chủ web, trong đó được kết nối và liên kết mạng máy tính mở rộng. Máy chủ web được cài đặt các chương trình để phục vụ ứng dụng web, chứa toàn bộ dữ liệu và nắm quyền quản lý. Web server có thể lấy thông tin requess từ phía trình duyệt web và gửi phần hồi tới máy khách thông qua HTTP hoặc giao thức khác. Web server với nhà thông minh Ứng dụng web server là một thành phần quan trọng trong một hệ thống nhà thông minh. Nó cho phép người sử dụng điều khiển và quản lý các thiết bị thông qua giao diện web trực tuyến. Bằng cách sử dụng web server, người dùng có thể truy cập và kiểm soát các thiết bị của mình từ bất kỳ đâu có kết nối internet. Trong nhà thông minh, ứng dụng web server có thể được sử dụng để đưa ra các tính năng sau:
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 31
- Điều khiển các thiết bị thông qua giao diện web trực tuyến: Người sử dụng có thể dễ dàng điều khiển và quản lý các thiết bị nhà thông minh của mình bằng cách sử dụng giao diện web trực tuyến. - Theo dõi và kiểm soát tiêu thụ năng lượng: Ứng dụng web server có thể được sử dụng để giúp người dùng theo dõi và kiểm soát tiêu thụ năng lượng của các thiết bị nhà thông minh của họ. - Tích hợp với các tính năng thông minh khác: Ứng dụng web server có thể được tích hợp với các tính năng thông minh khác trong hệ thống nhà thông minh, chẳng hạn như điều khiển bằng giọng nói hoặc tự động hóa thông minh. - Truy cập từ xa: Người dùng có thể truy cập và kiểm soát các thiết bị nhà thông minh của mình từ bất kỳ đâu có kết nối internet. Với những tính năng trên, ứng dụng web server là một phần không thể thiếu trong một hệ thống nhà thông minh và có thể giúp nâng cao trải nghiệm sử dụng của người dùng. Modul Wemos mini d1 WeMos D1 Mini là board mạch được phát triển dựa trên Module Esp8266-12, là thiết bị nhỏ gọn được tích hợp Wifi để dễ dàng kết thực hiện các ứng dụng thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị thông qua Wifi. 3. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH Hình 3. Sơ đồ điều khiển Yêu cầu thiết kế chế tạo ngôi nhà thông minh cho một căn chung cư có diện tích 100m2. Kết quả dự kiến: tổng quan về hệ thống điều khiển, giám sát nhà Internet; tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát nhà thông minh qua Internet sử dụng công nghệ IoT; mô hình thực nghiệm; đánh giá kết quả thực nghiệm. Mô hình nhà thông minh được chế tạo bằng bìa fomex: Chiều dài: 50cm; Chiều rộng: 20cm; Chiều cao: 30 cm Mô hình dự kiến gồm 4 phòng trong đó: - Phòng khách có cửa ra vào đóng mở bằng mật khẩu qua thiết bị sevro nhận tín hiệu từ Arduino Nano, Cảm biến khí ga, nhiệt độ, độ ẩm và đèn led. - 2 phòng ngủ trang bị mỗi phòng một đèn led. Hình 4. Mô phỏng nhà thông minh qua Auto Cad Hình 5. Mạch điều khiển Hình 6. Màn hình giám sát
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
32
KHOA H
ỌC
4. KẾT LUẬN Mô hình nhà thông minh cho 1 căn chung cư điều khiển và giám sát bằng công nghệ IoT có ý nghĩa rất lớn về nhiều mặt trong đời sống xã hội. IoT thúc đẩy quá trình khai thác, trao đổi và sử dụng dữ liệu trong nhiều công việc khác nhau. Điều này tạo ra những thay đổi tích cực trong công tác quản lý, nghiên cứu, sản xuất và chế tạo sản phẩm, giúp nâng cao chất lượng các sản phẩm, dịch vụ, đem đến những sản phẩm và chất lượng đáp ứng đúng nhu cầu của người dùng. Qua đề tài này em mong muốn sử dụng kiến thức học được trong thời gian sinh viên để thực hiện việc tiếp cận với công nghệ và xu hướng của thế giới. Hiện nay, thiết lập hệ thống IoT vào ngôi nhà đang là xu hướng được nhiều doanh nghiệp, hộ gia đình theo đuổi để tăng hiệu quả hoạt động và tăng khả năng chống chịu trước các rủi ro. Bởi vậy nên trong tương lai IoT và nhà thông minh chắc chắn sẽ ngày càng phổ biến và được ứng dụng vô cùng rộng rãi. IoT với nhà thông minh sẽ mở ra nhiều cơ hội giúp các doanh nghiệp và ngôi nhà an toàn, tiện lợi, tiết kiệm thời gian hơn từ đó cuộc sống người dân được cải thiện rất nhiều. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Iot maker vietnam, 2022. Internet of things cho người mới bắt đầu. Thuviensach.vn. [2]. Nguyễn Viết Thống, 2018. IoT là gì?, Ứng dụng của IoT trong đời sống. https://doluongtudong.com/iot-la-gi-ung-dung-iot-trong-doi-song/ [3]. Andrew howe, 2018. The smarthome book: Simple ideas to assist with your smarthome renovation. Amazone.com, Tr.V. [4]. IoT là gì và ứng dụng trong công nghiệp. https://batiea.com/bai-viet/tim-hieu-ve-iot-internet-of-things-la-gi-va-ung-dung-trong-cong-nghiep.