Luận văn thạc sĩ Công nghệ thông tin: Một hướng ứng dụng iot cho máy lạnh nhằm tiết kiệm năng lượng tiêu thụ điện trong tòa nhà văn phòng thông minh

Điều này dẫn đếnđiện năng tiêu thụ sử dụng trong nhà thông minh và tòa nhà văn phòng thôngminh, trong đó chiếm tỉ lệ cao từ các thiết bị điều hòa và máy lạnh.. Trong giải pháp này, luận

ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHO HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

NGUYEN QUANG DAT

MỘT HUONG UNG DUNG IOT CHO MAY LẠNH

NHAM TIẾT KIỆM NANG LƯỢNG TIEU THU ĐIỆN

TRONG TOA NHA VAN PHONG THONG MINH

LUAN VAN THAC Si

NGANH CONG NGHE THONG TIN

Mã số: 8480201

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TIEN SĨ NGUYEN MINH SƠN

TP Hồ Chí Minh - Năm 2022

ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHO HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

NGUYEN QUANG DAT

MỘT HUONG UNG DUNG IOT CHO MAY LẠNH

NHAM TIẾT KIỆM NANG LƯỢNG TIEU THU ĐIỆN

TRONG TOA NHA VAN PHONG THONG MINH

LUAN VAN THAC Si

NGANH CONG NGHE THONG TIN

Mã số: 8480201

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TIEN SĨ NGUYEN MINH SƠN

TP Hồ Chí Minh - Năm 2022

LỜI CAM ĐOANTôi xin cam đoan rằng, đề tài “M6t hướng ứng dụng iot cho máy lạnh nhằmtiết kiệm năng lượng tiêu thụ điện trong tòa nhà văn phòng thông minh” là công

trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Minh Sơn.

Bên cạnh các kết quả tham khảo từ các công trình khác đã ghi rõ trích dẫn

nguồn gốc trong luận văn, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này làhoàn toàn trung thực và chưa từng được sử dụng hoặc công bồ trong bat kỳ công

trình nào khác.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 05 năm 2022

Tác giả

LỜI CẢM ƠNLời đầu tiên, xin trân trọng cảm ơn TS Nguyễn Minh Sơn đã tận tình hướng,

dẫn tôi trong quá trình học tập cũng như trong việc hoàn thành luận văn.

Xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô thuộc trường Đại Học Công Nghệ

Thông Tin — Dai Học Quốc Gia Thành Phó Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy

cho tôi trong thời gian học tập.

Do giới hạn kiến thức và khả năng lý luận của bản thân còn nhiều thiếu sót

và hạn chế, kính mong nhận được sự chỉ dẫn và đóng góp của quý Thay, Cô dé

bài luận văn của tôi được hoàn thiện hơn Xin chân thành cảm ơn!

Thành phó Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 05 năm 2022

Tác giả

TÓM TÁT

Trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, ngành công nghệ thông tin ở Việt

Nam đã có nhiều chuyển biến tích cực khi triển khai ứng dụng công nghệ thôngtin trong đời sống, xã hội người dân và doanh nghiệp Doanh nghiệp ứng dụng hệ

thống phần mềm quản lý, điều hành hiệu quả, do nhu cầu sử dụng văn phòng và

nhà ở cao cấp tăng nhanh, giải pháp nhà thông minh và giải pháp quản lý tòa nhàvăn phòng thông minh đã xuất hiện và được ứng dụng rộng rãi Điều này dẫn đếnđiện năng tiêu thụ sử dụng trong nhà thông minh và tòa nhà văn phòng thôngminh, trong đó chiếm tỉ lệ cao từ các thiết bị điều hòa và máy lạnh Do đó nhucầu thiết thực đòi hỏi phải tiết kiệm năng lượng điện tiêu thụ trong vận hành tòa

nhà văn phòng hoặc sử dụng điều hòa trong nhà thông minh dé tối ưu hoá chỉ phi

sử dụng gia đình và tạo sự hiệu quả trong công tác quản lý doanh nghiệp là rấtcần thiết

Theo nghiên cứu [1, 3], phần lớn điện năng tiêu thụ tiêu tốn khi sử dụng điều

hòa hoặc máy lạnh là do hành vi điều khiển nhiệt độ không tương thích với nhiệt

độ môi trường bên ngoài nhà, nhiệt độ phòng và không giám sát được khoảng

thời gian máy lạnh hoạt động khi có người trong phòng Dé cải tiến van đề này,luận văn này đề xuất giải pháp ứng dụng Công nghệ IoT cho máy lạnh nhằm tiết

kiệm năng lượng tiêu thụ điện trong tòa nhà văn phòng thông minh hoặc nhà

thông minh Trong giải pháp này, luận văn sẽ sử dụng thiết bị IoT có tích hợp giải

thuật phân tích nhiệt độ môi trường trong phòng, nhiệt độ bên ngoài và giám sát

người dùng máy lạnh đồng thời tại thời gian thực dé điều khiển nhiệt độ của máy

lạnh nhằm hướng đến tiết kiệm năng lượng

Kết quả dự kiến của dé tài là xây dựng một ứng dụng nền tảng di động(android) thể hiện khả năng quản lý, giám sát năng lượng tiêu thụ điện trong nhàthông minh hoặc căn hộ thông minh có tích hợp giải thuật tiết kiệm năng lượng

điện tiêu thụ.

CHƯƠNG 1 MỞ BAU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài -22222cc22cvvvvcrrrrrrrrrrrrrrrrrrvee 1

1.1.1 Giới thiệu dé tai

1.1.2 Lý do chon đề tà

1.1.3 Thách thức

1.2 Mục tiêu nghiên cứu + cs+rxerrerrsrxsrtrrrrrrrrrrrrrrrrrrie

1.2.1 Mục tiêu chung - + tt HH re 3

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu -z+2+szc2 4 1.3.1 Đối tượng

1.3.2 Pham vi nghiên cứu

1.4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực

tiễn - -1.4.1 Ý nghifa thyfeytiGn ĐC VÀ ẤẾ 4

14.2 Ý nghĩa Kiến HOC EM, SÀ ấi Zốtt ceoo.ceooooe 5CHƯƠNG 2 TONG QUAN 222252 2222222 2222111222221111112271112 2.1111 ce 6

P Na số

2.2 Các nghiên cứu liên quan

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIET KE GIẢI PH

LƯỢNG ĐIỆN

3.1 Khảo sát nhu cầu tiết kiệm điện khi sử dụng máy lạnh / máy điều

hòa trong văn phòng hoặc trong phòng ngủ/phòng làm việc

3.2 Đề xuất giải pháp tiết kiệm năng lượng điện lạnh trong tòa nhà 14CHƯƠNG 4 THỰC NGHIEM VÀ ĐÁNH GIÁ -: -¿ 22

4.1 Giải pháp điều hòa thông minh

4.1.1 Thiết lập kịch bản thử nghiệm theo khảo sát người dùng 224.1.2 Kết quả thực nghiệm khi áp dung thuật toán tiết kiệm năng lượng 23

4.2 Thảo luận

CHUONG 5 KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ 22cc22cccccccccee 30

CHUONG 6 TÀI LIEU THAM KHẢO ccccscsccccccc s> 3Ï

300000 00177

DANH MỤC VIET TAT

1 API Application Programming Interface

2 loT Internet of Things

3 LED Light Emitting Diode

4 LIRC Linux Infrared Remote Control

5 MIT Massachusetts Institute of Technology

6 MQTT Message Queuing Telemetry Transport

7 PC Personal Computer

8 UWP Universal Windows Platform

9 XMPP Extensible Messaging and Presence Protocol

DANH MỤC BẢNG BIÊUBang 1 — Khảo sát nhu cầu tiết kiệm điện và hành vi sử dụng máy lạnh/máy

điều hòa trong văn phòng, trong phòng ngủ hoặc phòng làm việc 12Bảng 2 — Thông số kỹ thuật - ccc¿22+++££2222222EEEE2Yv2vvvrrrrtrrrrrrrrrrkrrrrer 16

Bang 3 — Khảo sát mức độ thoải mái của khách hàng -. -: +- 23

Bang 4 — Thống kê công suất điện tiêu thu từ thang 9/2021 đến tháng 5/2022 28

DANH MỤC HÌNH ANH

Hình 1 Mô hình sử dụng năng lượng trong nhà thông minh [1] 1

Hình 2 Mô hình cho phải pháp điều hòa thông minh ứng dung IoT 16Hình 3 Giải thuật điều khiển máy lạnh hướng đến tiết kiệm năng lượng tiêu thụ914431493144415431515%49%149141845184551951584559431494549315345915E+9312331243151814511914315492354938194156/3814314241 18

Hình 4 Giải thuật điều chỉnh theo nhiệt độ Phòng 19

Hình 5 Màn hình quản lý điện năng tiêu thụ -5-5c55ccs++ 2

Hình 6 Công suất điện tiêu thụ trong tháng 11/2021 -: 24 Hình 7 Công suất điện tiêu thụ trong tháng 12/2021 :: 25

Hình 8 Công suất điện tiêu thụ trong tháng 1/2022 - - c c::-¿ 25

Hình 9 Công suất điện tiêu thụ trong tháng 2/2022 -ccccccc:c:+¿ 26 Hình 10 Công suất điện tiêu thụ trong tháng 3/2022 -: 27 Hình 11 Công suất điện tiêu thụ trong tháng 4/2022 :z¿s+ 27 Hình 12 Công suất điện tiêu thụ trong tháng 5/2022 -::-::-: 28

CHUONG 1 MỞ DAU1.1 Tinh cấp thiết của dé tài

1.1.1 Giới thiệu đề tai

Trong thời đại công nghệ 4.0 hiện nay, do nhu cầu sử dụng văn phòng vànhà ở cao cấp tăng nhanh, giải pháp nhà thông minh và giải pháp quản lý tòa nhàvăn phòng thông minh đã xuất hiện và được ứng dụng rộng rãi Theo nghiên cứu

[1] và các Công ty Siemens, Schneider thì điện năng tiêu thụ sử dụng trong nhà

thông minh (Hình 1) và tòa nhà văn phòng thông minh [2, 3] chiếm tỉ lệ cao trên30% từ các thiết bị điều hòa và máy lạnh Do đó nhu cầu thiết thực đòi hỏi phảitiết kiệm năng lượng điện tiêu thụ trong vận hành tòa nhà văn phòng hoặc sử dụngđiều hòa trong nhà thông minh dé tối ưu hoá chỉ phí sử dụng gia đình và tạo sựhiệu quả trong công tác quan lý doanh nghiệp là rat cần thiết

een

Hình 1 Mô hình sử dung năng lượng trong nhà thông minh [1]

Theo nghiên cứu [1, 3], phần lớn điện năng tiêu thụ tiêu tốn khi sử dụng điều

hòa hoặc máy lạnh là do hành vi điều khiển nhiệt độ không tương tích với nhiệt

độ môi trường bên ngoài nhà, nhiệt độ phòng và không giám sát được khoảng

thời gian máy lạnh hoạt động khi có người trong phòng Dé cải tiến vấn dé này,

luận văn này đề xuất giải pháp ứng dụng Công nghệ IoT cho máy lạnh nhằm tiết

kiệm năng lượng tiêu thụ điện trong tòa nhà văn phòng thông minh hoặc nhà

thông minh Trong giải pháp này, luận văn sẽ sử dụng thiết bị IøT có tích hợp giải

thuật phân tích nhiệt độ môi trường trong phòng, nhiệt độ bên ngoài và giám sát

người dùng máy lạnh đồng thời tại thời gian thực đề điều khién nhiệt độ của maylạnh nhằm hướng đến tiết kiệm năng lượng Kết quả dự kiến của dé tài được demomột ứng dụng Android thé hiện khả năng quản lý, giám sát năng lượng tiêu thụđiện trong nhà thông minh hoặc căn hộ thông minh có tích hợp giải thuật tiết kiệm

năng lượng điện tiêu thụ.

Từ những thực tế ngày càng xuất hiện nhiều tòa nhà và văn phòng cao cấp

và mong muốn đồng hành cùng xu hướng phát triển công nghệ của thế giới, tôiquyết định chọn đề tài: “Mội hướng ứng dụng loT cho máy lạnh nhằm tiết kiệm

năng lượng tiêu thụ điện trong tòa nhà văn phòng thông mình ”.

1.12 Lý do chọn dé tài

Trước sự phát triển ngày càng mạnh của IoT, nhu cầu về nhà thông minhcũng tăng lên ở Việt Nam trong những năm gần đây Hơn nữa, tình hình nóng lêntoàn cầu, đây xu hướng sử dụng máy lạnh/ máy điều hòa ngày càng tăng nhưng

chi phi cho năng lượng điện cũng tăng theo, điều đó thúc day một giải pháp ứng

dụng IoT cho máy lạnh nhằm giúp tiết kiệm năng lượng điện tiêu thụ trong tòa

nhà văn phòng, nhà dân sinh thông minh.

Thách thức ở đây là phải phát triển được giải pháp IoT tích hợp được bất kỳ

hệ thống máy lạnh/ máy điều hòa nào đang có nhằm giảm chỉ phí, tăng khả năngcạnh tranh trên thị trường Hệ thống cho phép người dùng tương tác với thiết bịđiện tử, biến chúng từ thiết bị bình thường trở nên thông minh hơn

Ngoài ra, nguồn dữ liệu từ hành vi người dùng thu thập được từ thiết bị cóthé sử dung dé phát triển các hệ thống tự vận hành, tự khuyến nghị bằng việc pháttriển các mô hình máy học, học sâu trong tương lai Dữ liệu này chỉ chứa thóiquen sử dụng máy lạnh/ máy điều hòa, không chứa dữ liệu cá nhân, do đó loại trừkhả năng vi phạm quyén riêng tu

1.1.3 Thách thức

Phát triển các hệ thống trong hệ sinh thái nhà thông minh có khả năng tựđộng điều khiển theo điều kiện môi trường hoặc theo bat ky nhu cầu nào củangười dùng là một trong những van đề được quan tâm của các nhà nghiên cứu,

2

các kỹ sư nói riêng và các doanh nghiệp, người sử dụng nói chung Việc áp dụng

các kỹ thuật công nghệ thông tin tiên tiến vào quá trình phát triển và triển khai hệthống nhà thông minh hiệu quả, hợp lý cũng là một thách thức lớn

Hiện tại trên thị trường đã có các hãng có sản xuất máy lạnh/điều hòa tích

hợp giải pháp tương tự, tuy nhiên giá thành cao và phải lệ thuộc vào loại máy

lạnh của từng hãng có hỗ trợ, do đó nếu người dùng muốn sở hữu giải pháp nàythì buộc phải trang bị thiết bị mới

Các giải pháp phát triển thiết bị IoT và có thể tích hợp vào bat kỳ hệ thốngmáy lạnh nào mà người dùng đang sở hữu, và khiến cho chúng trở nên thôngminh hơn, tiết kiệm điện năng, người dùng có thể tương tác với thiết bị điện tử

gia đình là một hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn Trong luận văn này, sẽ trình bày

nghiên cứu định hướng ứng dụng đề giải quyết vấn đề này

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu chung

Ứng dụng công nghệ IoT vào giải pháp quản lý năng lượng điện tiêu thụ của

máy lạnh trong tòa nhà văn phòng thông minh hoặc nhà thông minh.

Nghiên cứu tích hợp giải thuật phân tích nhiệt độ môi trường trong phòng,

nhiệt độ bên ngoài và giám sát người dùng máy lạnh đồng thời tại thời gian thực

để điều khiển nhiệt độ của máy lạnh nhằm hướng đến tiết kiệm năng lượng

1.2.2 Mục tiêu cụ thể

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ IoT trong quản lý năng lượng điện tiêu thụ

của máy điều hoà, máy lạnh trong tòa nhà văn thông minh, hoặc nhà thông minh.

Nghiên cứu dé xuất giải pháp kết nối thiết bị IoT quản lý điện năng tiêu thụmáy lạnh, máy điều hòa tích hợp vào ứng dụng quản lý tòa nhà văn phòng thôngminh hoặc nhà thông minh Nghiên cứu và tìm hiểu các giao thức giao tiếp MQTThoặc XMPP kết nói điều khiển các thiết bị máy lạnh/điều hòa trong thời gian thực,theo nhiệt độ phòng cần điều khiển

Nghiên cứu phân tích nhiệt độ môi trường trong phòng, nhiệt độ bên ngoài

và giám sát người dùng máy lạnh đồng thời tại thời gian thực dé điều khiển nhiệt

3

độ của máy lạnh/điều hòa với công suất tiêu thụ thấp nhằm hướng đến tiết kiệm

năng lượng.

Thu thập và giám sát tình hình năng lượng tiêu thụ máy lạnh/điều hòa được

sử dụng theo thời gian đề kiểm soát, điều khiển năng lượng điện tiêu thụ, và đưa

ra các cảnh báo mức độ tiêu thụ điện của máy lạnh, máy điều hòa trong từng thời

điểm

Xây dựng kịch bản đánh giá kiểm tra năng lượng tiêu thụ điện của máy lạnh,máy điều hòa trong một văn phòng thông minh hoặc một phòng ngủ thông minh

dé chứng minh khả năng tiết kiệm điện năng tiêu thụ của giải pháp đề xuất của

luận văn này.

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

13.1 Đối tượng

Do hạn chế về mặt thời gian nghiên cứu nên luận văn tập trung vào giải phápIoT cho bài toán điều hòa thông minh

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Giải pháp điều hòa thông minh có khả năng thu thập và giám sát tình hình

năng lượng điện tiêu thụ của máy lạnh/điều hòa được sử dụng theo thời gian để

kiểm soát, điều khiển năng lượng điện tiêu thụ, và đưa ra các cảnh báo mức độ

tiêu thụ điện của máy lạnh, máy điều hòa trong từng thời điểm.

1.4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

1.4.1 Ý nghĩa thực tiễn

Giải pháp đề xuất trong luận văn theo hướng ứng dụng công nghệ IoT cho

phép tích hợp thiết bị điều khiển máy lạnh/máy điều hòa bằng tín hiệu hồng ngoạikết nối với internet bằng wifi nhằm điều khiển các máy lạnh/máy điều hòa đápứng nhiệt độ môi trường người sử dụng mà có khả năng tiết kiệm năng lượng.Thiết bị điều khiển máy lạnh/máy điều hòa có tích hợp thuật toán so sánh vớinhiệt độ môi trường để cân bằng nhiệt độ môi trường và nhiệt độ phòng Bên cạnh

đó, giải pháp có tích hợp với thiết bị đo công suất cũng kết nói với cloud bằngwifi nhằm theo dõi công suất tiêu thụ theo thời gian Giải pháp có khả năng thu

4

thập và giám sát tình hình tiêu thụ máy lạnh/ máy điều hòa được sử dụng theothời gian, tự động điều chỉnh khi không có người trong phòng, đưa ra các mứccảnh báo mức độ tiêu thụ điện của máy lạnh/ điều hòa góp phần tiết kiệm điệnnăng tiêu thụ, bảo vệ môi trường Kết quả của luận văn này sẽ cung cấp giải phápứng dụng trong các tòa nhà văn phòng, hoặc phòng ngủ trong nhà nhằm tiết kiệm

năng lượng điện.

1.4.2 Ý nghĩa khoa học

Giải pháp nghiên cứu trong luận văn này cần tích hợp thuật toán phân tích

đữ liệu nhiệt độ môi trường bên ngoài, nhiệt độ bên trong phòng cùng với hành

vi sử dụng (hoặc hành vi điều khiển) máy lạnh/máy điều hòa trong phòng dé điều

khiển máy lạnh/máy điều hòa hoạt động cung cấp nhiệt độ phù hợp nhằm tiết kiệm điện Ngoài ra, khi giải pháp này triển khai trên diện rộng thì dữ liệu người

dùng sẽ được lưu trữ trên cloud càng nhiều và càng hữu ích dé nghiên cứu các

giải pháp máy học, học sâu nhằm phát triển các hệ thống máy lạnh/ điều hòa tự

vận hành, ngày càng thông minh hơn.

CHƯƠNG 2 TỎNG QUAN2.1 Cơ sở lý thuyết

Qua quá trình phát triển của lịch sử con người, các cuộc cách mạng về côngnghệ đóng một vai trò rất quan trọng, thay đổi cuộc sống của con người, theo

hướng hiện đại hơn, tiện nghỉ hơn Đi đôi với quá trình phát triển của con người

là những thay đổi do chính tác động của con người trong tự nhiên, trong môitrường sống, chúng tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm môi trường, khí hậuthay đổi, v.v Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng, các dịch vụ, các tiện ích từ

đó cũng được hình thành và phát triển Đặc biệt là áp dụng các thành tựu công

nghệ của các ngành điện tử viễn thông, công nghệ thông tin vào trong thực tiễn

cuộc sống con người Công nghệ IoT được tích hợp vào trong mục đích nghiêncứu, sản xuất, kinh doanh, v.v , phạm vi này ngày càng được mở rộng, lớn mạnh,

để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu thực tiễn khác nhau Hiện nay,

mặc dù khái niệm IoT đã trở nên khá quen thuộc và được ứng dụng khá nhiều

trong các lĩnh vực của đời sống con người, đặc biệt ở các nước phát triển có nền

khoa học công nghệ tiên tiến Tuy nhiên, những công nghệ này chưa được áp

dụng một cách rộng rãi ở Việt Nam, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhucầu sử dụng Song, nó vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiêncứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng

Các công nghệ khác nhau đã được sử dụng đề xây dựng các hệ thống tự độnghóa gia đình, Al-Ali & Al- Rousan (2004) đã xây dựng một hệ thống tự động hóa

gia đình dựa trên ngôn ngữ lập trình Java, trong đó tất cả các thiết bị tự động trong

nhà được kết nối vật lý với một bảng nhúng có tích hợp với PC hoạt động nhưmột máy chủ web cung cấp quyền truy cập từ xa vào hệ thống đã xây dựng Hệthống tự động hóa gia đình dựa trên Java cung cấp một giải pháp an toàn do tínhnăng bảo mật tích hợp được công nghệ Java chuyền giao Tuy nhiên, hệ thốngkhông hiệu quả về mặt chỉ phí do yêu cầu các thông số kỹ thuật chất lượng caocủa PC cũng như môi trường có dây được cài đặt đắt tiền Hơn nữa, vì hệ thống

phụ thuộc chủ yếu vào giao tiếp có dây nên khả năng điều khién từ xa bị hạn chế

[5].

Sriskanthan và cộng sự (2002) đã phát triển một hệ thống tự động hóa giađình dựa trên Bluetooth trong đó mỗi thiết bị vật lý trong nhà được kết nối với bộ

điều khiển phụ Bluetooth cục bộ thông qua các kết nói có dây Mỗi thiết bị giao

tiếp với bộ điều khiển phụ Bluetooth cục bộ và sau đó tất cả bộ điều khiển phụBluetooth cục bộ giao tiếp với bộ điều khiển chính thông qua kết nói không dây

Trái ngược với hệ thống tự động hóa gia đình dựa trên Java, kiến trúc hệ thống tự

động hóa gia đình dựa trên Bluetooth làm giảm sự xâm nhập của cài đặt có dây

do sử dụng công nghệ không dây Tuy nhiên, một số khả năng xâm nhập vẫn còn

đó do giao tiếp có dây giữa các thiết bị gia dụng và bộ điều khiển phụ Bluetooth.Hơn nữa, hệ thống này kết nối một bộ điều khién phụ Bluetooth với nhiều thiết

bị vật lý trong nhà do chi phí của công nghệ Bluetooth phù hợp dé có bộ điều

khiển phụ Bluetooth chuyên dụng cho từng thiết bị Thêm vào đó, việc sử dụng

một bộ điều khiển phụ Bluetooth được chia sẻ giữa nhiều thiết bị gia dụng thực

sự gây ra độ trễ truy cập [6].

Zhu và cộng sự (2010) đề xuất Hệ thống điều khiển bằng giọng nói cho hệthống Tự động hóa gia đình dựa trên ZigBee Mô-đun nhận dạng giọng nói tựđộng được sử dụng dé dịch các lệnh thoại và gửi chúng đến bộ phận điều khiểncủa hệ thống được thiết kế thông qua mạng ZigBee Mỗi thiết bị gia dụng tự độngđược kết nối với một mô-đun ZigBee chuyên dụng đê vận hành và điều khiển nó

từ xa Tương tự như hệ thống tự động hóa gia đình dựa trên Java, việc phát triển

Hệ thống điều khiển bằng giọng nói cho hệ thống Tự động hóa gia đình dựa trênZigBee không hiệu quả về chỉ phí do chỉ phí của mô-đun ZigBee; do đó hệ thốngđang trở nên không kinh tế khi số lượng thiết bị gia dụng tự động được mở rộng.Hơn nữa, hệ thống nhận dạng giọng nói phải có một mô-đun hạn chế tiếng ồn.Khi xem xét các nghiên cứu hàn lâm về hệ thống tự động hóa gia đình, rõ ràng làcác hệ thống được phát triển với các công nghệ hiện có khác nhau như Bluetooth,

Java và ZigBee đang gặp phải một số điểm không hoàn hảo và hạn chế như chỉ

phí, độ trễ truy cập, khả năng xâm nhập cài đặt có dây và tiêu thụ điện năng [7].

Trong nghiên cứu, tác giả đã chọn công nghệ khác biệt và sáng tạo nhưng hiện có là IoT IoT được coi là công nghệ mang tính cách mang trong tương lai của internet (Gubbi và cộng sự 2013) [8].

Ma (2011) tuyên bé rằng ý tưởng ban đầu về IoT được dé xuất vào cuối năm

1990 thông qua MIT Auto-ID Labs IoT liên quan nhiều hơn đến mạng cảm biến

không dây, mạng truyền thông di động và Internet IoT có thé được định nghĩa là

một mạng kết nói mọi đối tượng vật lý hiện có trên thế giới với một địa chỉ duynhất để cung cấp các dịch vụ nhanh chóng và thông minh [9]

2.2 Các nghiên cứu liên quan

Các nghiên cứu gần đây hiện có và các nghiên cứu được thực hiện về điềukhiển thiết bị gia dung từ xa chủ yếu tập trung vào việc sử dụng các thiết bị loTnhư Raspberry Pi do Raspberry Pi Foundation phát triển Raspberry Pi là thiết bịhiéu qua vé chi phí, mạnh mẽ và kích thước nhỏ, được coi là một máy tính bảng

đơn kích thước nhỏ Raspberry Pi có thể hoạt động bằng các nền tảng khác nhau

như: RISC OS, Arch Linux, Pidora, Raspbian và Microsoft Windows 10 IoT core (Harrington, 2015) [10].

IoT là một công nghệ phức tạp va nó bao gồm bốn lớp: lớp dịch vụ ứng dụng,lớp tích hợp thông tin, lớp trao đồi dữ liệu và lớp cảm biến đối tượng Lớp dịch

vụ ứng dụng cung cấp các dịch vụ làm hài lòng cho những người dùng khác nhau

Lớp tích hợp thông tin dé tích hợp thông tin không rõ ràng thành kiến thức có thé

sử dụng được, tổng hợp lại và làm sạch thông tin không rõ ràng thu được từ mạng

Độ thông suốt của quá trình truyền dữ liệu được xử lý bởi lớp trao đồi dữ liệu.Các đối tượng cảm biến và thu thập dữ liệu được xử lý bởi lớp thứ tư là lớp cảmbiến đối tượng IoT kết nói tat cả các đối tượng vật lý thông minh và không thongminh do có sẵn lớp cảm biến đối tượng (Ma, 2011) Bảng 1 tóm tắt các hạn chế

của các công nghệ tự động hóa gia đình hiện có khác nhau và các giải pháp giải

quyết IoT Trong nghiên cứu này, sẽ thảo luận về hai nền tảng khác nhau đó là

8

Raspbian, Hệ điều hành phổ biến nhất được sử dụng cho Raspberry Pi và lõiMicrosoft Windows 10 IoT, Hệ điều hành mới được nâng cấp được phát triển bởiMicrosoft Raspbian là một mã nguồn mở dựa trên Linux Nó là một nền tảngđược sửa đổi từ Hệ điều hành Debian Hệ điều hành Raspbian được phát triển

đành riêng cho Raspberry Pi và do đó nó được gọi là Raspbian Raspbian kế thừa

gần như tat cả các tính năng của Debian, bao gồm trên 35.000 gói phan mềm miễnphí Những người mới bắt đầu sử dụng Raspberry Pi rat nên bắt đầu với Raspbian

vì nó được thiết kế để dễ sử dụng với các gói phần mềm khác nhau (Harrington,

2015) [10].

Windows 10 IoT core là một phiên bản sáng tạo của Windows 10 và dang

nhắm mục tiêu đến các thiết bị nhúng vừa và nhỏ có hoặc không có màn hình

hiển thị Raspberry Pi 2, Raspberry Pi3, Minnow Board MAX và Dragon Board

410c (Azure Austin, 2015; Microsoft, 2016) Lõi Windows 10 IoT dự định có rào

can truy cập thấp; do đó làm cho nó dé dàng xây dựng các thiết bị chuyên nghiệp.Lõi Windows 10 IoT tương thích với các ngôn ngữ mã nguồn mở khác nhau vàhoạt động hiệu quả với nền tảng Visual Studio (Azure Austin, 2015) [11]

Window 10 IoT core mang tat cả các tính năng mạnh mẽ của Windows vàothiết bị của bạn như lưu trữ trực tuyến, cập nhật Windows tự động thông qua

internet, giao diện người dùng, bảo mật các API UWP; nền tảng phong phú dé dễ

dàng kiểm soát các ứng dụng được thiết kế và các dịch vụ dựa trên đám mây

(Microsoft, 2016; Anders, 2016) [12, 13].

Celebre và cộng sự (2015) đã sử dụng các thiết bị di động hỗ trợ Siri dé điều

khiển từ xa các thiết bị gia dụng, đó là máy điều hòa không khí, tivi, rem cửa số

và đèn sử dụng Raspberry PI với Hệ điều hành Raspbian Trong hệ thống này,các thiết bị gia dụng được kết nói với Raspberry PI thông qua một rơ-le và mộttrình điều khiển động cơ Cả Raspberry PI và thiết bị di động hỗ trợ Siri đều đượckết nối với cùng một mạng cục bộ (Celebre va cộng sự, 2015) [14]

Rieger (2016) đã sử dụng Raspberry PI, IR Diode, bộ thu IR và động cơ

bước để xây dựng giao diện web đề điều khiển từ xa thiết bị mở và điều hòa không

9

khí Người dùng đã truy cập vào giao diện web đề truyền các lệnh đã ban hànhtới một tập lệnh bộ điều khiển Hệ thống này sử dụng Raspberry PI với Hệ điều

hành Raspbian [15].

Ivancreations.com (2016) đã xây dựng một ứng dụng di động va sử dụng

tính năng nhận dạng giọng nói của Google để điều khiển từ xa dàn điều hòa

Daikin sử dụng Raspberry PI và đèn LED Trong hệ thống này, bộ phận điều hòakhông khí được kết nói với Raspberry PI thông qua đèn LED phát tia hồng ngoại

Cả Raspberry PI và thiết bị di động dựa trên ứng dụng đều được kết nối với cùngmột mạng cục bộ thông qua bộ định tuyến WIFI gia đình (Ivancreations.com,2016) Hệ thống được thực hiện băng Raspberry PI với Hệ điều hành Raspbian

[16].

Hệ thống tự động hóa gia đình với điều khiển bằng giọng nói chỉ phí thấpđược xây dựng bởi Gillett (2015) Hệ thống sử dụng máy chủ Node.js dé điều

khiển các phần cứng hiện có khác nhau trong phòng như: đèn, cửa và dải LED

bằng Raspberry Pi Ung dung web được xây dựng dựa trên điều khiển bằng giọngnói dé điều khién từ xa phần cứng của phòng Khi người dùng nhấp vào nút micrôtrong ứng dung, Raspberry Pi bắt đầu ghi âm thanh giọng nói Sau đó, âm thanhđược ghi lại sẽ được gửi đến một API ngôn ngữ tự nhiên có tên là Wit.ai dé phântích nó và trích xuất ý nghĩa Sau đó, các ý nghĩa được trích xuất sẽ được gửi trở

lai Raspberry Pi để thực hiện hành động Hệ thống được xây dựng bằng Raspberry

Pi với Nền tảng Hệ điều hành lõi Microsoft Windows 10 IoT [15]

Ganesan (2015) đã xây dựng hệ thống WARAN - Home Automation.

WARAN là một hệ thông mô-đun là viết tắt của Windows IoT, Azure, Raspberry

Pi, Arduino, giải pháp không dây NRF24L01+ WARAN bao gồm một Hub hoạtđộng như một máy chủ điều khiển và nhiều mô-đun như: mô-đun cảm biến nhiệt

độ và mô-đun cảm biến độ âm được kết nối với Arduino Chức năng cơ bản của

hệ thống là các mô-đun được thêm vào đọc dữ liệu và gửi chúng đến Arduino

thông qua NRF24L01+ Arduino sau đó sẽ gửi dữ liệu thu thập được từ các cảm

biến đến máy chủ điều khiển trong Raspberry Pi thông qua I2C Bus Dữ liệu thu

10

thập từ các cảm biến như: cảnh báo và cảnh báo trong bất kỳ mô-đun nào cũng

được đăng trong ứng dụng Windows Phone [18].

Không có bat kỳ hệ thông nào được xuất bản điều khiển máy điều hòa khôngkhí từ xa bằng nền tang lõi Microsoft Windows 10 IoT Cho đến bây giờ không

ai có thể triển khai bắt kỳ thiết bị gia đình nào hoạt động bằng tín hiệu hồng ngoại

bằng cách sử dụng lõi IoT của Windows 10 vì nó không có bắt kỳ thư viện hồngngoại nào Có những nghiên cứu đã có gắng tự động hóa máy điều hòa không khí

gia đình bằng Win LIRC nhưng đều thất bại Win LIRC là Windows tương đương

với LIRC cho phép người dùng nhận và truyền tín hiệu hồng ngoại của các điềukhiển từ xa tiêu chuẩn (Baily et al., N.d.) [19]

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp phương pháp định tính và định lượng đồng thời trình bày dữ liệunghiên cứu trong thời gian nghiên cứu, kết quả khảo sát, điều tra thực tiễn Từ đó

đề xuất các giải pháp dé giải quyết các nguyên nhân gây ra van đề thực tế trên cơ

sở ứng dụng IoT, sau đó đối chiếu với tình hình thực tế, khả năng áp dụng vào

thực tiên cuộc sông.

11

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KÉ GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG

LƯỢNG ĐIỆN

3.1 Khảo sát nhu cầu tiết kiệm điện khi sử dụng máy lạnh / máy

điều hòa trong văn phòng hoặc trong phòng ngử/phòng làm việc

Để nghiên cứu thiết kế giải pháp tiết kiệm năng lượng, tác giả thực hiện khảosát nhu cầu và một số thông số để có thể năm bắt được các hành vi sử dụng máylạnh/máy điều hòa trong phòng làm việc, trong văn phòng hoặc trong phòng ngủ.Bảng | mô tả các câu hỏi và số liệu có được dé tác giả có thể xây dựng giải thuậtđiều khiển và giám sát công suất tiêu thụ máy lạnh/máy điều hòa ở các ngữ cảnh

khác nhau:

Bảng 1 — Khảo sát nhu cầu tiết kiệm điện và hành vi sử dụng máy lạnh/máy

điều hòa trong văn phòng, trong phòng ngủ hoặc phòng làm việc

Ty lệ phần tram

Có Không

STT Nội dung câu hỏi

Ban có sử dụng máy lạnh/máy điều hòa trong

1 : 81% 19%

phòng làm việc hang ngày không?

Bạn có muốn tiết kiệm tiền điện của máy2 | lạnh/máy điều hòa trong phòng không? (câu 92% 8%

hỏi này dành cho nhà quản lý) Nêu có giải pháp máy lạnh/máy điêu hòa

3 |thông minh nhằm tiết kiệm điện theo thời 91% 9%

gian thì bạn có sử dụng không?

Bạn có mong muôn hệ thông máy lạnh/máy

điều hòa thông minh kiểm soát nhiệt độ trong

Bạn có dé chế độ lạnh nhất trong suốt thời

6 48% 52%

gian làm việc phải không?

Bạn có tắt máy lạnh/máy điều hòa khi đi ra

Khi không có người trong phòng, sau 20 phút

10 | điều hòa tự tắt là thời gian bạn cho là hợp lý | — 87% 13%

không?

Ban có hài lòng về ché độ tự động bat/tat khi

11 84% 16%

không có người ở trong phòng hay không?

Theo số liệu khảo sát những người làm việc tại Thành phố Hồ Chí Minh thì

trên 80% người làm việc tại các tòa nhà thường sử dụng máy lạnh/máy điều hoà

trong những ngày làm việc [kết quả từ trả lời của câu 1] Bên cạnh đó, qua kếtquả khảo sát của 100 người làm việc tại các tòa nhà với vai trò quản lý, hầu hết

trên 90% những người sử dụng điều có mong muốn sử dụng giải pháp máy

lạnh/máy điều hòa thông minh có tiết kiệm năng lượng tiêu thụ nhằm tiết kiệmchỉ phí vận hành [tỉ lệ trả lời của câu 2 và 3] Đồng thời, những người sử dụng

cũng đồng ý về các chế độ điều khiển máy lạnh/máy điều hòa theo nhiệt độ môi

trường, nhiệt độ phòng đủ cảm giác lạnh giúp người sử dụng thoải mái và không

bị sốc nhiệt khi di chuyền từ trong phòng máy lạnh ra bên ngoài hoặc từ bên ngoài

và trong phòng [phan trả lời của câu 4] Cũng qua khảo sát những người làm việctại các tòa nhà với vai trò nhân viên, họ đều có mong muốn sử dụng giải phápmáy lạnh/máy điều hòa thông minh có tiết kiệm năng lượng tiêu thụ nhằm tạo

cảm giác mát mẻ thoải mái để góp phần giúp kết quả làm làm việc của họ đạt hiệu

quả cao hơn, do năng suất làm việc không chỉ phụ thuộc vào khả năng chuyên

13

môn, mà còn do tác động của môi trường làm việc Phần khảo sát từ câu 5 đếncâu 11 giúp tác giả có thể đề xuất được giải thuật điều khiển độ lạnh tự động theonhiệt độ môi trường, nhiệt độ phòng và hành vi sử dụng máy lanh/may điều hoàtrong thời gian làm việc Một trong các yếu tố giúp giải pháp có thé tiết kiệm điện

năng tiêu thụ của máy lạnh/máy điều hoà là ngắt (hay tắt) chế độ hoạt động khi

không có người trong phòng làm việc 20 phút và trong thời gian buổi trưa

3.2 Đề xuất giải pháp tiết kiệm năng lượng điện lạnh trong tòa nhà

Sau khi thực hiện việc khảo sát người sử dụng máy lạnh/máy điều hoà trong

các toà nhà văn phòng Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất mô hình tiết kiệmnăng lượng tiêu thụ điện lạnh sử dụng giải pháp công nghệ IoT nhằm quan lý

năng lượng điện trong văn phòng làm việc Giải pháp này được trình bày trong

Hình 2 bao gồm 1 thiết bị IøT có kết nói Wifi không dây điều khién trực tiếp máylạnh/máy điều hoà thông qua tín hiệu hồng ngoại Thuật toán điều khiển máy

lạnh/máy điều hoà theo nhiệt độ phòng và nhiệt độ môi trường được tích hợp theo

công nghệ nhúng trong thiết bị IoT (thiết bị này được gọi là thiết bị điều khiểnmáy lạnh thông minh) Thiết bị IøT này kết nối với cloud trung tâm dé chia sẻ

thông tin nhiệt độ phòng và các hoạt động điều khiển tự động của thuật toán trong

ngày Người sử dụng có thé sử dụng phần mềm trên thiết bị di động dé xem đượccác thông tin nhiệt độ phòng và các hoạt động điều khiển máy lạnh/máy điều hoàtrong ngày nhằm tiết kiệm năng lượng tiêu thụ điện năng

Luận văn đề xuất giải pháp kết nối thiết bị IơT quản lý điện năng tiêu thụ

máy lạnh, máy điều hòa tích hợp vào ứng dụng quản lý tòa nhà văn phòng thông

minh hoặc nhà thông minh Sử dụng các giao thức giao tiếp MQTT hoặc XMPPkết nối điều khiển các thiết bị máy lạnh/điều hòa trong thời gian thực, theo nhiệt

độ phòng cần điều khiển Sau đó, phân tích nhiệt độ môi trường trong phòng,nhiệt độ bên ngoài và giám sát người dùng máy lạnh đồng thời tại thời gian thực

để điều khiển nhiệt độ của máy lạnh/điều hòa với công suất tiêu thụ thấp nhằm

hướng đến tiết kiệm năng lượng

14

Bên cạnh đó, việc thu thập và giám sát tình hình năng lượng tiêu thụ điện

của máy lạnh/điều hòa được sử dụng theo thời gian dé kiểm soát, điều khiển năng,

lượng điện tiêu thụ, và đưa ra các cảnh báo mức độ tiêu thụ điện của máy lạnh,

máy điều hòa trong từng thời điểm

Dé đánh giá giải pháp đề xuất, luận văn cũng trình bay các kịch bản đánh giá

kiểm tra năng lượng tiêu thụ điện của máy lạnh, máy điều hòa trong một vănphòng thông minh đề chứng minh khả năng tiết kiệm điện năng tiêu thụ của giải

pháp đề xuất.

Kết hợp cảm biến nhiệt độ và cảm biến chuyển động đề điều khiển điều hòa

tự động đem lại sự thoải mái và tiết kiệm điện năng: Ở giải pháp kết hợp với cảm

biến chuyền động, thiết bị có thể nhận biết được chuyên động của người trong

phòng thông qua cảm biến phát hiện chuyền động Sau 20 phút, nếu không pháthiện được có chuyên động trong phòng, điều hòa sẽ tự động tăng nhiệt độ cài đặt

lên 28°C dé tiết kiệm điện Khi người dùng vừa bước vào phòng, điều hòa ngay

lập tức quay về hoạt động ở chế độ cài đặt ban đầu, mang đến cho người dùngbầu không khí thư giăn đúng theo yêu cầu mong muốn Còn nếu sau khoảng 40phút không phát hiện chuyền động trong phòng điều hòa sẽ chuyền sang chế độtiết kiệm điện Hằng số 40 phút ảnh hưởng bởi 2 yếu tổ : là mức độ thoải mái củakhách hàng, mức độ tiết kiệm điện Những thông số về thời gian và nhiệt độ đượcluận văn đề xuất từ khảo sát thực tiễn khi triển khai trong thực tế Những thông

số này hoàn toàn có thé được điều chỉnh bởi người dùng để có một ngưỡng phù

hợp nhất.

15

Hình 2 Mô hình cho phải pháp điều hòa thông minh ứng dụng IoT

Thống số kỹ thuật: Thông số kỹ thuật được trình bày trong bảng 2

Bảng 2 — Thông số kỹ thuật

Thong số Đặc điểm kỹ thuật

Điện áp 220VAC 50Hz

Nhiệt độ hoạt động tôi da 55°C

Công suất tiêu hao < 100mW

Chuẩn giao tiếp WiFi 802.1 1b/g/n 2.4GHz, bảo mật

Chức năng chính thiết bị:

- Điều khiển máy lạnh từ xa qua smartphone

- Kết hợp cảm biến nhiệt độ và cảm biến chuyền động đề điều khiển điều hòa tự

động đem lại sự thoải mái

- Hệ thống tự động thiết lập nhiệt độ phòng theo mong muốn của người dùng

- Thuật toán tối ưu giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ

Khả năng vận hành của thiết bị đã được thử nghiệm trong thực tế, và đáp ứngyêu cau trong luận văn

3.3 Đề xuất giải thuật tiết kiệm năng lượng

Trong phần này, luận văn mô tả chỉ tiết thuật toán được sử dụng trong phần

mềm điều khién quan lý thiết bị IoT Luận văn đề xuất một giải thuật tiết kiệmnăng lượng điện dựa trên môi trường trong và ngoài phòng kết hợp với hoạt độngcủa con người ở các thời điểm khác nhau

Các thông số chính của giải thuật:

-Théng sé 1: Môi trường

Nhiệt độ

~Thông số 2: Phân bố thời gian hoạt động trong ngày

Buổi sáng Budi trưa

Buổi tối

17

BI: Chờ chế độ Auto được kích hoạt -> B2

B2: Nếu chế độ Auto được kích hoạt -> B3

Theo sau là mã giả của thuật toán theo lược đồ hình 3:

Begin

Loop

Wait for Auto mode

IF auto mode is activated Check AC Status

IF AC is On Turn on Auto mode End

==

*

Setting default input

Contig stable temperature

You

Change state to steady

—— YỞở——

wating a

Hình 4 Giải thuật điều chỉnh theo nhiệt độ phòng

19

"Thuật toán chính điều khiển máy lạnh theo nhiệt độ phòng hướng đến tiết kiệmnăng lượng, gồm 6 bước theo sau:

BI: Cài đặt nhiệt độ mặc định

B2: Kiểm tra nhiệt độ phòng đã ồn định chưa -> B3

B3: Nếu nhiệt độ đã ôn định -> B4

Ngược lại -> B2

B4: Điều chỉnh máy lạnh cho phù hợp với nhiệt độ phòng

BS: Chờ nhiệt độ trong phòng thay đổi -> B6

B6: Nếu nhiệt độ lại chưa ôn định -> B2

Luận văn mô tả chi tiết thuật toán được sử dung trong phần mềm điều khiển quan

lý thiết bị IoT, thiết bị này đóng vai trò như một cổng giao tiếp với bat kỳ chiếc

máy lạnh từ nhà cung cấp nào Bên trong phần mềm này, còn có một giải thuật

giúp tiết kiệm năng lượng điện dựa trên cơ sở phân tích thông số môi trường trong

và ngoài phòng kết hợp với hoạt động của con người ở các thời điểm khác nhau,

từ đó tiến hành điều chỉnh nhiệt độ máy lạnh

Các thông số chính của giải thuật:

-Thông số 1: Môi trường

Nhiệt độ

-Thông số 2: Phân bó thời gian hoạt động trong ngày

20