Hệ thống quản lý năng lượng trong nhà thông minh

Bài viết Hệ thống quản lý năng lượng trong nhà thông minh đưa ra mô hình hệ thống quản lý năng lượng trong nhà thông minh (Smart Home Energy Management hay SHEM) với mục tiêu: Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát tòa nhà; Xây dựng chiến lược sử dụng năng lượng theo hướng tiết kiệm và tối ưu hóa.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 HỆ THỐNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG NHÀ THÔNG MINH SMART HOME ENERGY MANAGEMENT Nguyễn Tường Minh1, Đặng Hoàng Anh1,*, Đào Văn Dũng1 DOI: https://doi.org/10.57001/huih5804.2023.062 TÓM TẮT Sự tăng trưởng số lượng đô thị nước ta (đến năm 2020 862 đô thị) kéo theo gia tăng mật độ dân số Điều khiến nhu cầu sử dụng lượng ngày tăng cao: năm 2020 2210,9kWh/người/năm năm 2015 1535,1kWh/người/năm Báo cáo Bộ Công Thương cho thấy mức lãng phí điện nước ta cao, từ 10 - 50% Việc sử dụng điện hợp lý ngày nhận nhiều quan tâm Vì vậy, mục tiêu nghiên cứu đưa giải pháp giúp người sử dụng việc kiểm soát tiết kiệm lượng Hiện nay, cách mạng công nghiệp 4.0 với phát triển mạnh mẽ Internet of Things, hệ thống nhà thông minh ngày phổ biến hồn tồn hỗ trợ xử lý vấn đề thông qua thực thi tự động chiến lược sử dụng lượng hiệu Trong nghiên cứu này, tác giả đưa giải pháp xây dựng hệ thống quản lý lượng tịa nhà Hệ thống cho phép tích hợp, điều khiển thiết bị có sẵn thị trường tảng tập trung Từ hệ thống phân tích thói quen sử dụng hỗ trợ thiết lập chức việc tự động hóa tối ưu lượng điện sử dụng GIỚI THIỆU Từ khóa: Tiết kiệm lượng, kiểm sốt lượng, vận hành tối ưu, nhà thông minh Với phát triển mạnh mẽ công nghệ, tỷ lệ phổ cập Internet smartphone cao, công nghệ 5G, hệ thống nhà thông minh dần tiếp cận với nhiều người Hệ thống nhà thơng minh có ưu điểm tiện nghi, an toàn, đại tiết kiệm lượng Tuy nhiên, tiết kiệm lượng thể với người sử dụng thơng qua hóa đơn sử dụng điện vào cuối tháng Điều khiến người sử dụng bị động ý định hành động tiết kiệm điện Vì hệ thống quản lý lượng nhà thông minh vô cần thiết ABSTRACT The growth of the number of urban areas in our country (as of 2020, there were 862 urban areas) has led to an increase in population density This has resulted in an increasing demand for energy usage: in 2020, it was 2210.9kWh/person/year compared to 1535.1kWh/person/year in 2015 A report by the Ministry of Industry and Trade shows that the level of electricity waste in our country is very high, ranging from 10-50% Rational electricity usage is receiving increasing attention Therefore, the aim of this study is to provide solutions to help users control and save energy Currently, in the 4.0 industrial revolution with the strong development of the Internet of Things, smart home systems are becoming increasingly popular and can completely support the processing of this issue through the automatic execution of efficient energy usage strategies In this study, the author proposes a solution to build an energy management system in buildings The system allows integration and control of available devices on the market on the same centralized platform The system will analyze usage habits and support the establishment of functions in optimizing the use of electricity through automation Keywords: Energy saving, energy management, optimal operation, smart home Trường Điện - Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội Email:anh.danghoang@hust.edu.vn Ngày nhận bài: 23/10/2022 Ngày nhận sửa sau phản biện: 01/02/2023 Ngày chấp nhận đăng: 15/3/2023 * Website: https://jst-haui.vn Ngày ngay, với phát triển xã hội, sống người ngày tiện nghi đại Nhu cầu lượng ngày tăng cao, đặc biệt lượng điện Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) cho biết: Trong giai đoạn 10 năm 2011-2020, nhu cầu điện Việt Nam tăng trưởng cao, bình quân gần 10%/năm Kết đánh giá Bộ Công Thương EVN kế hoạch cung cấp điện giai đoạn 2020-2025, việc đảm bảo cung cấp điện giai đoạn gặp nhiều khó khăn, thách thức, trường hợp xảy tượng thời tiết cực đoan Để giảm bớt gánh nặng lên mạng lưới điện quốc gia giảm bớt chi phí sử dụng, hộ gia đình quan cần thực giải pháp tiết kiệm điện Hệ thống nhà thông minh giải pháp hiệu cho vấn đề Trong báo này, tác giả đưa mô hình hệ thống quản lý lượng nhà thơng minh (Smart Home Energy Management hay SHEM) với mục tiêu:  Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát tòa nhà  Xây dựng chiến lược sử dụng lượng theo hướng tiết kiệm tối ưu hóa PHƯƠNG PHÁP 2.1 Hệ thống giám sát điều khiển tòa nhà Việc xây dựng hệ thống giám sát điều khiển nhằm thu thập, hiển thị liệu hoạt động tòa nhà, thực mệnh lệnh người dùng thơng qua giao diện giọng nói giúp vận hành tự động chiến lược sử dụng lượng mà hệ thống quản lý lượng đề Hệ thống xây dựng với thành phần bao gồm: Bộ điều khiển trung tâm, thiết bị giám sát cảm biến, điều khiển giao diện người dùng (hình 1) Vol 59 - No 2A (March 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 177 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Hình Thiết bị điều khiển hồng ngoại QCT Hình Sơ đồ mô tả hệ thống giám sát điều khiển nhà thông minh 2.1.1 Bộ điều khiển trung tâm Hệ thống lắp đặt nhà tầng quận Hai Bà Trưng Các tính chất hệ thống mà tác giả hướng tới tính linh hoạt (trong lắp đặt), hiệu ổn định Bộ điều khiển trung tâm cài đặt phần mềm mã nguồn mở openHab [2], Influxdb [5], Mosquitto [1], có vai trò não giúp thu thập, xử lý liệu điều khiển hoạt động hệ thống 2.1.2 Thiết bị cảm biến, giám sát lượng điều khiển Thiết bị giám sát lượng sử dụng có khả theo dõi thu thập liệu thơng số điện từ lộ điện tịa nhà Hệ thống điện ngơi nhà chia làm lộ tải cho điều hòa phụ tải tầng Thiết bị có khả đo liên tục kênh pha gửi liệu điều khiển trung tâm thông qua giao thức MQTT 2.1.3 Giao diện người dùng Sau kết nối tất phần cứng hệ thống vào điều khiển trung tâm, tác giả tiếp tục xây dựng giao diện theo dõi điều khiển Giao diện người dùng xây dựng giúp người dùng dễ dàng việc theo dõi thông số điều khiển thiết bị nhà Phần mềm openHab 3.3.0 cung cấp giao diện người dùng hợp gọi MainUI hỗ trợ việc xây dựng giao diện đáp ứng hầu hết điều kiện [2] Để đáp ứng tính chất linh hoạt ổn định tịa nhà, tác giả sử dụng thiết bị cảm biến (cảm biến nhiệt độ độ ẩm, cảm biến từ cửa, ) thiết bị điều khiển (mặt công tắc thông minh) sử dụng giao thức không dây Zigbee: giao thức truyền thơng tiêu tốn lượng, tính bảo mật cao, khả mở rộng số lượng node gần vô hạn theo nguyên lý mesh [6] Các thiết bị kết nối với điều khiển trung tâm thông qua Gateway chuyển đổi giao thức Zigbee MQTT Tuy nhiên Gateway thị trường nhà sản xuất thiết lập để tương thích với sản phẩm ứng dụng hãng Vì để dễ dàng quản lý cách thống nhất, Gateway flash firmware Tasmota: firmware mã nguồn mở dành cho chip ESP8266 ESP32 hỗ trợ kết nối MQTT để liên kết với tảng IoT khác (openHab, HASS, ) [3] Khi Gateway kết nối thiết lập thiết bị sử dụng giao thức Zigbee thị trường Hình Giao diện người dùng a) b) c) Hình a) Gateway b) cảm biến chuyển động c) cảm biến nhiệt độ, độ ẩm Thiết bị điều khiển điều hòa sử dụng có sẵn thị trường (điều khiển hồng ngoại QCT) điều khiển chip ESP8266 flash firmware Tasmota để kết nối với điều khiển trung tâm thông qua giao thức MQTT (hình 3) Hệ thống nhà thơng minh điều khiển giọng nói hỗ trợ thiết bị Google Home Phần mềm openHab truy cập mạng nội nên để kết nối openHab với hệ sinh thái Google cần thông qua add-on openHabCloud [2] Điều khiển giọng nói có khả kiểm sốt điều khiển thiết bị đâu Tuy nhiên có số hạn chế độ trễ ảnh hưởng Internet nhà 2.2 Xây dựng chiến lược sử dụng lượng hiệu Sau thời gian hoạt động nhà, hệ thống thu liệu lượng điện tiêu thụ, trạng thái ngơi nhà thói quen sử dụng thiết bị điện người dùng 178 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 2A (3/2023) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Các thông số gửi từ thiết bị giám sát lượng bao gồm điện áp, dịng điện, cơng suất tiêu thụ hệ số công suất Tiến hành phân tích thơng số điện áp dịng điện giúp hệ thống đánh giá trạng thái điện ngơi nhà: độ ổn định điện áp dịng điện, dải điện áp có gây tổn hại đến thiết bị hay không, đưa cảnh báo kip thời Hình Đồ thị điện áp phụ tải Các thơng số công suất tiêu thụ hệ số công suất giúp hệ thống tính tốn mức độ hao phí điện KẾT LUẬN Hệ thống nhà thơng minh dần trở nên phổ biến vấn đề tối ưu hóa lượng sử dụng cịn với nhiều người Vì vậy, dự án thiết kế hệ thống quản lý lượng nhà thông minh điều cần thiết để tối đa hóa hoạt động tịa nhà Dự án có khả phát triển kết hợp với giải pháp lượng tái tạo hướng tới nearly-Zero Energy Building (nZEB) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Eclipse Foundation, Inc, 2019 The Platform for Open Innovation and Collaboration | The Eclipse Foundation Eclipse.org https://www.eclipse.org/ [2] OpenHAB www.openhab.org, 2022 https://www.openhab.org/ [3] News - Tasmota tasmota.github.io https://tasmota.github.io/docs/ [4] Grafana - The open platform for analytics and monitoring Grafana Labs, 2019 https://grafana.com/ [5] InfluxData, Inc., 2022 InfluxDB OSS 1.8 Documentation docs.influxdata.com https://docs.influxdata.com/influxdb/v1.8/ [6] Y Zhou, X Yang, X Guo, M Zhou, L Wang, 2007 A Design of Greenhouse Monitoring & Control System Based on ZigBee Wireless Sensor Network 2007 International Conference on Wireless Communications, Networking and Mobile Computing, doi: 10.1109/wicom.2007.638 [7] MQTT Version 3.1.1 docs.oasis-open.org, 2015 http://docs.oasisopen.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/mqtt-v3.1.1.html AUTHORS INFORMATION Nguyen Tuong Minh, Dang Hoang Anh, Dao Van Dung School of electrical and electronic engineering, Hanoi University of Science and Technology Hình Đồ thị công suất tiêu thụ lộ tải ngày Các tác giả tiếp tục tìm mối tương quan liệu lượng cảm biển như: lượng tiêu thụ điều hòa nhiệt độ phịng, nhiệt độ ngồi trời, từ đánh giá độ hiệu sử dụng thiết bị điện: điều hòa, quạt, đưa điều chỉnh phù hợp việc xây dựng chiến lược sử dụng lượng tự động hóa tịa nhà KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ Hiện hệ thống giám sát điều khiển bước đầu đưa vào sử dụng Trong thời gian tới sau thu thập đầy đủ liệu, tác giả bắt đầu xây dựng chế độ tự động hóa thơng minh chiến lược sử dụng lượng tối ưu Kết hướng tới cuối mơ hình SHEM thể rõ việc tiết kiệm điện tối đa hóa lượng Các kết thu tiếp tục công bố nghiên cứu khoa học sau Website: https://jst-haui.vn Vol 59 - No 2A (March 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 179