Bài viết dựa trên những cơ sở khoa học và lí thuyết về Smart Home (ngôi nhà thông minh), giới thiệu các lợi ích về việc ứng dụng công nghệ này vào trong thực tiễn từ nhiều phương diện như điều khiển, phần mềm, phần cứng, tiện ích, bảo mật, năng lượng, trải nghiệm người dùng, chi phí...
720 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 SMART HOME VÀ CÁC LỢI ÍCH ĐEM LẠI Trần Huy Vũ Trung tâm Sản xuất thiết bị đo điện tử Điện lực miền Trung – CPC EMEC Tóm tắt: Bài báo dựa sở khoa học lí thuyết Smart Home (ngơi nhà thơng minh), giới thiệu lợi ích việc ứng dụng công nghệ vào thực tiễn từ nhiều phương diện điều khiển, phần mềm, phần cứng, tiện ích, bảo mật, lượng, trải nghiệm người dùng, chi phí Bài báo sử dụng tảng cơng nghệ tự động hóa ngơi nhà (Home Automation), giới thiệu giao thức phương diện kỹ thuật ứng dụng Smart Home cho cơng trình nhà ở, nhà làm việc đại ĐẶT VẤN ĐỀ Smart Home với tảng cơng nghệ tự động hóa ngơi nhà, hình thức kiến trúc nhà lắp đặt thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hóa hồn tồn bán tự động nhằm thay người việc thực thao tác quản lý, điều khiển Công nghệ ngơi nhà thơng minh có ý nghĩa việc giúp sống ngày tiện nghi hơn, giải phóng sức lao động người trợ giúp cơng nghệ đại Ngồi ra, Smart Home cịn góp phần tiết kiệm điện năng, sử dụng điện vào mục đích cần thiết, phục vụ trực tiếp đến đời sống người, kiểm soát loại trừ tất điện lãng phí khơng mang lại lợi ích cho đời sống Khơng đơn kiểm soát thiết bị, hệ thống Smart Home cho phép ngơi nhà có khả học thói quen chủ nhà điều chỉnh hoạt động thành phần hệ thống cho phù hợp với chủ nhà Với đặc tính ưu việt, công nghệ nhà thông minh dần xu hướng quan tâm đến thiết kế xây dựng nội thất, quản lý hoạt động bên nhà giai đoạn cách mạng công nghệ 4.0 TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu công nghệ nhà thông minh Hệ thống nhà thông minh hệ thống tự động hóa tiên tiến, phức tạp giúp người quản lý kiểm sốt chức tịa nhà Ví dụ tịa nhà thơng minh kiểm sốt ánh sáng, nhiệt độ, thiết bị đa phương tiện, thiết bị an toàn, hoạt động cửa đi, cửa sổ nhiều chức khác Nhà thông minh sử dụng công nghệ “tự động hóa tịa nhà – Home Automation” để cung cấp cho chủ nhà phản hồi mang tính thơng minh thơng tin kiểm sốt theo nhiều hướng Ví dụ, tủ lạnh tự liệt kê thực phẩm thiết yếu cho sức khỏe, sử dụng hết lượng thực phẩm Một ngơi nhà thơng minh chí giúp người chăm sóc thú cưng tưới nước cho trồng PHÂN BAN SỬ DỤNG ĐIỆN | 721 Ngày nay, với việc công nghệ Internet of Things (IoT) đề cập nhiều xu phát triển tất yếu bùng nổ giới nói chung Việt Nam nói riêng, dịng thiết bị nhà ngày trở nên thông minh trang bị khả tính tốn, khả cảm biến môi trường khả kết nối mạng Các thiết bị áp dụng công nghệ IoT thường gọi thiết bị thông minh 2.2 Các chức hệ thống điều khiển giám sát thông minh 2.2.1 Hệ thống chiếu sáng điều khiển rèm cửa tự động Công nghệ thông minh cho phép tự động điều khiển hệ thống chiếu sáng theo kịch theo nhóm Với nút nhấn keypad, thao tác chạm nhẹ lên Touchpanel, Ipad, Smartphone, toàn hệ thống đèn, rèm hoạt động theo kịch đặt sẵn trước Điều giúp làm giảm lượng lớn công tắc đảo chiều dây dẫn Công nghệ cho phép điều khiển chiếu sáng cảm biến phát chuyển động việc thu nhận thay đổi tia hồng ngoại phát từ người chuyển động làm tác nhân kích hoạt hệ thống đèn hoạt động theo chuyển động Các chương trình điều khiển theo thời gian, kiện, mùa… nạp vào điều khiển trung tâm thông qua phần mềm lập trình Bộ điều khiển thực cơng tác điều khiển theo chương trình 2.2.2 Hệ thống điều hịa khơng khí Hệ thống điều hồ khơng khí tích hợp vào hệ thống nhà tự động thông qua cảm biến nhiệt độ Các cảm biến nhiệt độ tích hợp để kiểm sốt hệ thống điều hồ khơng khí theo nhiệt độ đặt trước theo lịch trình lập trình Kết hợp với cảm biến gắn cửa, hệ thống điều hòa tự động tắt thời gian cửa bị mở vượt thời gian cài đặt trước 2.2.3 Hệ thống âm giải trí đa vùng Với hệ thống âm đa vùng, người dùng đươc nghe nhạc đâu nhà với nguồn nhạc tùy ý chọn khác Người dùng chọn nguồn âm cho khu vực từ nguồn âm khác DVD, Ipod, laptop, 2.2.4 Hệ thống an ninh Hệ thống an ninh tích hợp khả kết nối với hệ thống thoại, mạng di động GSM, Internet khả tương tác cảnh báo, xua đuổi kẻ đột nhập chỗ như: hú cịi, hú chng, điều khiển hệ thống chiếu sáng, điều khiển hệ thống âm thanh, ghi hình kẻ đột nhập cung cấp kết nối sóng di động GSM Hệ thống tự động quay số đến nhiều số điện thoại đặt trước thơng báo xác tình trạng xảy hộ 2.2.5 Hệ thống kiểm sốt mơi trường Hệ thống kiểm sốt mơi trường nhà thông minh bao gồm: cảm biến điện tử, trung tâm kiểm soát hệ thống hiển thị Hệ thống kiểm sốt mơi trường có chức đo đạc số môi trường tự động hóa hệ thống 722 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 CÁC XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN SMARTHOME TRÊN THẾ GIỚI Tất hãng công nghệ lớn Goolge, Amazon, Apple Samsung tìm cách chiếm lĩnh thị trường Smart Home Đối với hãng cơng nghệ lớn việc chiếm lĩnh làm chủ hệ sinh thái xu hướng vô quan trọng; việc có ý nghĩa sống cịn với họ Tuy nhiên, hãng có động thái chiến lược khác 3.1 Google Google đầu tư nhiều vào công nghệ liên quan đến lĩnh vực IoT nói chung Smart Home nói riêng: Google beacon platform, Brillo & Weave, OnHub Router, Google Cloud IoT, Tuy để vào hộ tiêu dùng chiến lược Google mua lại công ty Nest năm 2014 Nest đến có ba sản phẩm thành cơng thị trường là: hệ thống điều hịa thông minh, hệ thống báo cháy, camera giám sát gia đình Chiến lược Google bán sản phẩm tốt, người dùng nhận thấy lợi ích sản phẩm rõ ràng, sau người dùng mua thiết bị Google biến thành điều khiển trung tâm kết nối tương tác với thiết bị thông minh khác nhà Google thực việc qua chương trình Works with Nest, sản phẩm bên thứ ba có nhãn “Works with Nest” tương thích với hệ thống Nest Google Ví dụ, đèn thơng minh Belkin Wemo dùng chung với sản phẩm Nest tự động tắt đèn hệ thống thấy khơng có người nhà (các sản phẩm Nest có cảm biến để biết có người nhà hay khơng) 3.2 Amazon Tương tự Google (Nest), tức bán sản phẩm thông minh nhà hấp dẫn (killer product) để người dùng mua, sau biến thiết bị thành điều khiển (Hub) cho thiết bị thông minh khác Sản phẩm chiếm lĩnh thị trường Smart Home Amazon loa thông minh điều khiển giọng nói (handsfree speaker), Amazon Echo Điểm thú vị loa khơng có phím điều khiển, mà người dùng giao tiếp với loa qua giọng nói; Amazon Echo hiểu ngơn ngữ tự nhiên với độ xác cao Ngồi việc chơi nhạc, Amazon Echo trả lời người dùng câu hỏi thời tiết, đọc chuyện, mua hàng (tích hợp với hệ thống thương mại Amazon), Hệ thống nhận dạng tiếng nói ngôn ngữ tự nhiên Amazon người dùng phản hồi tốt, đạt 5 Tuy số thức, ước tính Amazon bán khoảng triệu sản phẩm Cũng giống chiến lược Google, người dùng đặt Amazon Echo nhà thiết bị hoạt động điều khiển trung tâm (Hub) để tương tác với thiết bị thông minh khác gia đình Amazon mở API để lập trình viên (developers) nhà phát triển thiết bị khác (OEM) tích hợp vào Echo; Amazon gọi tính tích hợp “skill”, có tới 950 skills PHÂN BAN SỬ DỤNG ĐIỆN | 723 tích hợp vào Amazon Echo Sản phẩm Amazon Echo thành công đến mức Google vừa phải nhanh chóng cơng bố sản phẩm tương tự gọi Google Home để cạnh tranh NHỮNG LỢI ÍCH MANG LẠI TỪ HỆ THỐNG SMARTHOME 4.1 Sức khỏe Đó lợi ích an tồn điện với thiết bị tự ngắt có cố Ngồi ra, liên kết với cảm biến nhiệt độ để phát bất thường xảy cháy, hệ thống tự ngừng cung cấp điện cho thiết bị, đồng thời báo hiệu cho người dùng rủi ro xảy 4.2 An ninh An ninh nằm hệ thống cửa tự động điều khiển vị trí nào, hệ thống gửi tín hiệu khẩn cấp nhà có dấu hiệu bị xâm nhập Các camera an ninh gia tăng độ an toàn cho hộ gia đình cách ghi nhận lại hình ảnh phát có chuyển động tự động ghi hình thời điểm định ngày Nhờ đó, bố mẹ giám sát hoạt động ngày nhà 4.3 Tiết kiệm thời gian Với hệ thống nhà thông minh tự động, người khơng cịn phải lo lắng việc chạy nhà để mở cửa cho học hay để điều chỉnh vật dụng gia đình Con người tiết kiệm khoảng thời gian quý báu dành hiệu tốt cho cơng việc 4.4 Tiết kiệm chi phí Việc sử dụng công nghệ thông minh giúp tự động ngắt thiết bị điện không hoạt động điều chỉnh nhiệt độ điều hoà, giúp tiết kiệm nguồn lượng quốc gia giảm chi phí việc sử dụng điện MỘT SỐ GIAO THỨC ỨNG DỤNG TRONG SMART HOME NÓI RIÊNG VÀ IOT NÓI CHUNG Hiện có nhiều cơng nghệ giao tiếp biết đến Wifi, Bluetooth, Zigbee mạng di động 2G/3G/4G ứng dụng tự động hóa tịa nhà, lắp đặt nhà thông minh Đặc biệt với giải pháp nhà thơng minh khơng dây giao thức giao tiếp không dây lại vô quan trọng Tùy thuộc vào ứng dụng yếu tố phạm vi giao tiếp, khối lượng liệu truyền, yêu cầu tính bảo mật, lượng cho hệ thống pin, định lựa chọn nhiều phương thức truyền thông phù 724 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 hợp Trong phần tham luận này, viết tập trung vào số giao thức bật ZigBee, MQTT, AWS IoT giới thiệu tổng quan giao thức lại 5.1 ZigBee ZigBee, giống Bluetooth, loại truyền thông khoảng cách ngắn, sử dụng với số lượng lớn thường sử dụng công nghiệp Điển hình, Zigbee Pro Zigbee remote control (RF4CE) thiết kế tảng giao thức IEEE802.15.4 chuẩn giao thức truyền thông vật lý công nghiệp hoạt động 2,4 Ghz, thường sử dụng ứng dụng khoảng cách ngắn liệu truyền tin thường xuyên, đánh giá phù hợp với ứng dụng Smart Home khu vực thị/khu chung cư ZigBee/RF4CE có lợi đáng kể hệ thống phức tạp, yêu cầu điều kiện tiêu thụ công suất thấp, tính bảo mật cao, khả mở rộng số lượng node cao Phiên Zigbee 3.0, điểm bật hợp tiêu chuẩn Zigbee khác thành tiêu chuẩn Ví dụ, sản phẩm kit phát triển Zigbee TI CC2538SF53RTQT Zigbee SystemOnChip T CC2538 Zigbee Development Kit Tiêu chuẩn: ZigBee 3.0 based on IEEE802.15.4 Tần số: 2,4 GHz Khoảng cách: 10 100 m Tốc độ: 250 kbps 5.1.1 Kiến trúc mạng ZigBee Kiến trúc mạng ZigBee chia làm phần chính: Ứng dụng ZigBee stack Radio Mạng ZigBee chia thành lớp, lớp khơng biết lớp Lớp xem “master” mà gửi yêu cầu cho “slave” bên làm Kiến trúc mạng ZigBee khơng giống mơ hình mạng OSI 7layer, có vài thành phần giống gồm PHY (physical), MAC (link layer), NWK (network) Các lớp 47 (Transport, Session, Presentation Application) chuyển qua lớp APS (Application support) ZDO (ZigBee Device Object) mơ hình ZigBee Hai lớp thấp nhất, MAC PHY định nghĩa đặc tả IEEE 802.15.4 Lớp PHY khơng giải mã tín hiệu Lớp MAC cung cấp khái niệm network, gồm PAN ID kết nối thông qua beacon requests response PHÂN BAN SỬ DỤNG ĐIỆN | 725 Hình 1: Kiến trúc mạng ZigBee Lớp PHY: Trong mạng ZigBee, lớp giao thức thấp lớp vật lý IEEE 802.15.4, hay PHY Lớp gần với phần cứng điều khiển, giao tiếp trực tiếp với radio transceiver Lớp PHY chịu trách nhiệm cho việc kích hoạt radio truyền nhận packet PHY lựa chọn tần số kênh đảm bảo kênh không dùng thiết bị khác mạng khác Lớp MAC: Medium Access Control (MAC) layer cung cấp giao diện PHY layer NWK layer MAC có trách nhiệm sinh beacon đồng thiết bị với beacon (trong mạng beaconenabled) MAC layer cung cấp dịch vụ kết hợp không kết hợp Lớp NWK có trách nhiệm cho hình thành mạng mesh, gồm broadcasting packets qua mạng, xác định đường cho unicasting packets đảm bảo gói tin gửi cách tin cậy từ node đến node khác Lớp network có tập lệnh cho mục đích bảo mật, gồm bảo mật tham gia tái tham gia mạng Tất mạng ZigBee bảo mật lớp NWK Lớp APS có trách nhiệm cho ứng dụng Nó hoạt động lọc cho ứng dụng chạy phía endpoints đơn giản logic ứng dụng Nó hiểu clusters endpoints đưa ra, kiểm tra xem endpoint thành viên Application Profile group trước gửi thông tin lên Lớp APS lọc thông tin trùng mà hoàn toàn gửi lên lớp NWK Lớp APS giữ bảng local binding, bảng định tuyến nodes nhóm mạng mà node muốn giao tiếp đến Lớp ZDO (bao gồm ZigBee Device Profile, ZDP) có trách nhiệm cho quản lý cục mạng Nó cung cấp dịch vụ để khám phá nodes khác dịch vụ mạng, có trách nhiệm trực tiếp cho trạng thái node mạng 726 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Application Framework chứa ZigBee Cluster Library cung cấp framework mà ứng dụng chạy bên Các endpoints chế sử dụng tách biệt ứng dụng khỏi ứng dụng khác 5.1.2 Mơ hình mạng ZigBee Hình 2: Mơ hình mạng ZigBee Trong mơ hình mạng ZigBee tồn dạng mơ hình chính: mạng hình sao, mạng hình cây, mạng hình dạng lưới (Mesh) Mạng hình sao: Cấu trúc mạng hình bao gồm thu thập liệu (Coordinator) nhiều thiết bị đầu cuối (End Device) truy cập vào, mạng có đặc điểm cấu trúc đơn giản, coordinator đảm nhận phân phối tín hiệu đến tất node nhận tín hiệu từ nút mạng Sơ đồ mạng hình cịn nhiều hạn chế, Coordinator gặp tình bị kết nối hệ thống mạng bị hồn, khả mở rộng mơ hình mạng khó Coordinator có khả quản lý cấp phát địa với số lượng có hạn Mơ hình mạng phù hợp với mạng nhỏ với node mạng Mạng hình cây: Cấu trúc mạng hình tạo từ Coordinator nhiều cụm nhỏ bao gồm End Device Coordinator quản lý giao tiếp với Coordinator chính, sơ đồ mạng có phân cấp quản lý, thiết bị kết nối hệ thống khơng bị ảnh hưởng, thiết bị muốn giao tiếp với phải truyền Coordinator trung tâm quản lí Sơ đồ mạng hình Tree có mở rộng sơ đồ hình số lượng nút mạng PHÂN BAN SỬ DỤNG ĐIỆN | 727 Mạng hình Mesh: Bộ định tuyến (Router) tồn địa không thay đổi, dùng truyền liệu điểm tới điểm địa Nếu Coordinator không cấp nguồn router trì mạng, router giao tiếp với Mơ hình mạng Mesh mở rộng từ mơ hình mạng hình với cách thức giao tiếp linh hoạt, mơ hình mạng Mesh sử dụng phổ biến mạng ZigBee 5.2 MQTT MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) giao thức gửi dạng publish/subscribe sử dụng cho thiết bị Internet of Things với băng thông thấp, độ tin cậy cao khả sử dụng mạng lưới khơng ổn định Bởi giao thức sử dụng băng thơng thấp mơi trường có độ trễ cao nên giao thức lý tưởng cho ứng dụng M2M 5.2.1 Publish, subscribe Trong hệ thống sử dụng giao thức MQTT, nhiều node trạm (gọi MQTT client – gọi tắt client) kết nối tới MQTT server (gọi broker) Mỗi client đăng ký vài kênh (topic), ví dụ “/client1/channel1”, “/client1/channel2” Quá trình đăng ký gọi “subscribe”, giống đăng ký nhận tin kênh Youtube Mỗi client nhận liệu trạm khác gửi liệu kênh đăng ký Khi client gửi liệu tới kênh đó, gọi “publish” 5.2.2 QoS Ở có tuỳ chọn QoS (Qualities of service) “publish” “subscribe”: QoS0 Broker/client gửi liệu lần, trình gửi xác nhận giao thức TCP/IP, giống kiểu “đem bỏ chợ” QoS1 Broker/client gửi liệu với lần xác nhận từ đầu kia, nghĩa có nhiều lần xác nhận nhận liệu QoS2 Broker/client đảm bảo gửi liệu phía nhận nhận lần, trình phải trải qua bước bắt tay Một gói tin gửi QoS client subscribe với yêu cầu QoS Có nghĩa client lựa chọn QoS tối đa mà có để nhận tin Ví dụ, gói liệu publish với QoS2 client subscribe với QoS0, gói liệu nhận client broker gửi với QoS0 client khác đăng ký kênh với QoS 2, Broker gửi liệu với QoS2 Một ví dụ khác, client subscribe với QoS2 gói liệu gửi vào kênh publish với QoS0 client Broker gửi liệu với QoS0 QoS cao đáng tin cậy, đồng thời độ trễ băng thơng địi hỏi cao 728 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 5.2.3 Retain Nếu RETAIN set 1, gói tin publish từ Client, Broker phải lưu trữ lại gói tin với QoS gửi đến Client subscribe kênh tương lai Khi Client kết nối tới Broker subscribe, nhận gói tin cuối có RETAIN = với topic mà đăng ký trùng Tuy nhiên, Broker nhận gói tin mà có QoS = RETAIN = 1, huỷ tất gói tin có RETAIN = trước Và phải lưu gói tin lại, hồn tồn huỷ lúc Khi publish gói liệu đến Client, Broker phải se RETAIN = gói gửi kết việc subscribe Client (giống tin nhắn ACK báo subscribe thành công) RETAIN phải không quan tâm tới kết việc subscribe 5.2.4 LWT Gói tin LWT (last will and testament) khơng thực biết Client có trực tuyến hay khơng, gói tin KeepAlive đảm nhận Tuy nhiên gói tin LWT thơng tin điều xảy đến sau thiết bị ngoại tuyến 5.2.5 Ví dụ Giả sử người dùng có cảm biến gửi liệu quan trọng không thường xuyên Cảm biến có đăng ký trước với Broker tin nhắn lwt topic /node/goneoffline với tin nhắn id Và người dùng đăng ký theo dõi topic /node/goneoffline, gửi SMS tới điện thoại nhận tin nhắn kênh mà người dùng theo dõi Trong trình hoạt động, cảm biến giữ kết nối với Broker việc gửi gói tin keepAlive Nhưng lý đó, cảm biến chuyển sang ngoại tuyến, kết nối tới Broker timeout Broker khơng cịn nhận gói keepAlive Lúc này, cảm biến đăng ký LWT, broker đóng kết nối cảm biến, đồng thời publish gói tin Id cảm biến vào kênh /node/goneoffline, dĩ nhiên người dùng nhận tin nhắn báo cảm biến ngoại tuyến 5.3 AWS IoT AWS IoT (Amazone Web Service) tảng liệu điện toán đám mây (managed cloud platform) Amazon phát triển, kết nối thiết bị cách dễ dàng tương tác cách an tồn với ứng dụng điện tốn đám mây (cloud) thiết bị khác Trong lĩnh vực Smart Home tồn câu hỏi: “Làm cách để xây dựng thiết bị gia dụng thông minh nhà (smart domestic electric appliances) mà PHÂN BAN SỬ DỤNG ĐIỆN | 729 thông qua Internet, người sử dụng kiểm sốt theo thời gian thực (realtime) đề xuất kịch sử dụng tốt nhất?” Để minh họa cho giải pháp đề xuất, phần này, viết trình bày trường hợp (case study) hệ thống điều hịa khơng khí thơng minh Kiến trúc hệ thống mơ tả hình sau: Hình 3: Kiến trúc hệ thống Hệ thống điều hịa khơng khí bao gồm cục nóng (heater), cục lạnh (cooler), quạt cảm biến khơng khí (độ ẩm nhiệt độ) kiểm sốt Wall Controller thơng qua giao thức Modbus (mở/tắt, tăng/giảm nhiệt độ/độ ẩm, tăng/giảm tốc độ quạt, chọn chế độ chương trình,…) Thiết bị IoT giao tiếp với Wall Controller thông qua giao thức Modbus cách sử dụng hệ thống thu phát RS485 giao tiếp với AWS qua giao thức HTTPS sử dụng kết nối WiFi Nó nhận thơng tin hệ thống điều hịa khơng khí gửi thơng tin đến AWS (qua AWS IoT) Sau đó, thơng tin hiển thị ứng dụng di động người dùng (iOS, Android, Windows Phone) Khi người dùng muốn kiểm soát hệ thống điều hịa khơng khí, họ dùng ứng dụng di động để gửi lệnh đến AWS (mở/tắt, tăng/giảm nhiệt độ/độ ẩm, tăng/giảm tốc độ quạt, chọn chế độ chương trình,…) Các lệnh gửi tới thiết bị IoT thông qua AWS IoT thiết bị truyền chúng đến Wall Controller thông qua giao thức Modbus để theo dõi hệ thống điều hịa khơng khí Thông tin liên quan đến quản lý hệ thống lưu trữ Amazon RDS Hệ thống lưu trữ log Amazon S3 cho Tracking, lưu trữ thông tin hành vi người dùng Amazon DynamoDB cho Analytics 730 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Hình 4: Thành phần hệ thống IoT Các công nghệ sử dụng hệ thống bao gồm: Lowpower ARM® Cortex®M4 Core cho MCU (microcontroller unit) thiết bị IoT Xamarin để xây dựng ứng dụng điện thoại di động cho iOS, Android Windows Phone AWS IoT, Amazon EC2, Amazon DynamoDB, Amazon RDS, Amazon S3 AWS cho hệ thống giám sát: Amazon CloudWatch, Amazon CloudTrail, Amazon SNS Ngoài loại AWS kể trên, sử dụng Amazon Elasticsearch Service, Amazon Mobile Analytics, Amazon EMR, Amazon Redshift, Amazon Machine Learning, Amazon QuickSight, Amazon Kinesis để phân tích Dữ liệu bên lưu trữ phân tích: Nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ quạt, chế độ lựa chọn chương trình Thời gian để bật/tắt, nhiệt độ tăng/giảm/độ ẩm/tốc độ quạt Công suất tiêu thụ người dùng để đề xuất kịch sử dụng tốt Nhờ phân tích này, hệ thống đề xuất cài đặt tối ưu cho người dùng cung cấp cho nhà sản xuất thơng tin hữu ích để cải thiện sản phẩm PHÂN BAN SỬ DỤNG ĐIỆN | 731 Cách tiếp cận giúp xây dựng giải pháp thích hợp lĩnh vực Smart Home, cho phép người sử dụng kiểm soát tức thời loại đồ dùng gia đình thơng qua Internet đề xuất kịch tốt cho kinh tế, sức khỏe, môi trường Việc sử dụng AWS đảm bảo độ tin cậy, hiệu chi phí tính sức mạnh hệ thống Do đó, kết hợp AWS IoT thực mang đến giải pháp hoàn hảo cho Smart Home 5.4 Các giao thức khác 5.4.1 Bluetooth Bluetooth Smart (hay BLE Bluetooth Low Energy) giao thức quan trọng IoT với lợi tiêu hao lượng cực thấp Đây dự kiến chìa khóa cho sản phẩm IoT Theo Bluetooth SIG, có 90% điện thoại smartphone nhúng Bluetooth, bao gồm hệ điều hành IOS, Android Window dự kiến đến năm 2018 "Smart Ready" Tuy nhiên, BLE không thực thiết kế cho ứng dụng dùng để truyền file phù hợp cho khối liệu nhỏ Một số thông tin kỹ thuật Bluetooth 4.2: Tần số: 2.4 GHz Phạm vi: 50 150 m (Smart/BLE) Dữ liệu truyền được: Mbps 5.4.2 Wifi Wifi (là viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11) hệ thống mạng khơng dây sử dụng sóng vơ tuyến Các sóng vơ tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với sóng vơ tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động thiết bị khác Nó chuyển nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi mã nhị phân sang sóng vơ tuyến ngược lại Tuy nhiên, sóng WiFi có số khác biệt so với sóng vơ tuyến khác chỗ: Chúng truyền phát tín hiệu tần số 2.4 GHz GHz Tần số cao so với tần số sử dụng cho điện thoại di động, thiết bị cầm tay truyền hình Tần số cao cho phép tín hiệu mang theo nhiều liệu Kết nối Wifi thường lựa chọn hàng đầu nhiều kỹ sư giải pháp tính thơng dụng kinh tế hệ thống wifi mạng LAN với mơ hình kết nối phạm vi địa lý có giới hạn Hiện nay, đa số thiết bị wifi tuân theo chuẩn 802.11n, phát tần số 2.4 Ghz đạt tốc độ xử lý tối đa 300 Megabit/giây Một số thông tin kỹ thuật: Tiêu chuẩn: Based on 802.11n (most common usage in homes today) Tần số: 2.4 GHz and GHz bands Khoảng cách: 50 m Tốc độ: 150 200 Mbps (tối đa 600 Mbps) tùy thuộc vào kênh tần số sử dụng số lượng ăngten (chuẩn 802.11ac cho tốc độ từ 500 Mbps to Gbps) 732 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 5.4.3 Cellular Với ứng dụng IoT/M2M yêu cầu khoảng cách truyền thông dài, khơng bị giới hạn khoảng cách địa lý việc lựa chọn đường truyền liệu thông qua mạng điện thoại di động GPRS/3G/LTE lựa chọn sáng suốt Tuy nhiên, việc truyền liệu xa tốn lượng tương ứng yếu tố tiêu hao lượng dễ chấp nhận toán Hiện nay, thiết bị/các điểm đầu cuối cơng nghiệp hỗ trợ tích hợp cổng giao tiếp vật lý theo chuẩn RS232 , RS485, RS422 hay Ethernet Các phương tiện truyền thông qua mạng di động hỗ trợ đầu vào cổng Serial hay Ethernet nên việc tích hợp giải pháp truyền thơng khơng dây khơng cịn khó khăn hay bị giới hạn yếu tố khách quan Một số thông tin kỹ thuật: Tiêu chuẩn: GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G) Tần số: 900/1800/1900/2100 MHz Khoảng cách: 35 km max for GSM; 200 km max for HSPA Tốc độ (typical download): 35 170 kps (GPRS), 120 384 kbps (EDGE), 384 Kbps 2 Mbps (UMTS), 600 kbps 10 Mbps (HSPA), 10 Mbps (LTE) 5.4.4 ZWave Tương tự Zigbee, ZWave chuẩn truyền thông không dây khoảng cách ngắn tiêu thụ lượng Dung lượng truyền tải với tốc độ 100 kbit/s phù hợp với nhu cầu giao tiếp thiết bị hệ thống IoT, M2M Chuẩn kết nối ZWave Zigbee hoạt động với tần số 2.4 GHz thiết kế với mức tiêu thụ lượng nên sử dụng với loại PIN di động.Zwave hoạt động tần số thấp so với Zigbee/wifi, dao động dải tần 900 MHz, tùy theo quy định khu vực khác Ưu điểm ZWave tiêu thụ lượng cực độ mở (open platform) cực cao Hiện nay, ZWave sử dụng chủ yếu ứng dụng Smart Home Đặc biệt, thiết bị ZWave hệ thống thiết bị vừa thu vừa phát sóng nên tính ổn định hệ thống nâng cao Lợi ZWave có hỗ trợ mạng Mesh hoạt động truyền liệu bình thường khơng có Coordinator mở rộng tới 232 thiết bị Thông số kỹ thuật bản: Tiêu chuẩn: ZWave Alliance ZAD12837 / ITUT G.9959 Tần Số: 900 MHz (ISM) Khoảng cách truyền: 30 m Tốc độ: 9.6/40/100 kbit/s PHÂN BAN SỬ DỤNG ĐIỆN | 733 5.4.5 6LoWPAN 6LoWPAN tên viết tắt IPv6 protocol over lowpower wireless PANs (tức là: sử dụng giao thức IPv6 mạng PAN không dây công suất thấp) 6LoWPAN phát triển Hiệp hội Đặc trách kỹ thuật Internet IETF (Internet Engineering Task Foce), cho phép truyền liệu qua giao thức IPv6 IPv4 mạng không dây công suất thấp với cấu trúc mạng điểm điểm (P2P: point to point) dạng lưới (mesh) Tiêu chuẩn đặt để quy định đặc điểm 6LoWPAN cho phép sử dụng rộng rãi ứng dụng IoT Điểm khác 6LoWPAN so với Zigbee, Bluetooth là: Zigbee hay bluetooth giao thức ứng dụng, 6LoWPAN giao thức mạng, cho phép quy định chế đóng gói tin nén header Đặc biệt, IPv6 kế thừa IPv4 cung cấp khoảng x 1028 địa cho tất đối tượng giới, cho phép đối tượng địa IP xác định để kết nối với Internet Được thiết kế để gửi tin IPv6 qua mạng IEEE802.15.4 tiêu chuẩn IP mở rộng như: TCP, UDP, HTTP, COAP, MQTT Websocket, tiêu chuẩn cung cấp nodes endtoend, cho phép router kết nối mạng tới IP Thông số kỹ thuật bản: Tiêu chuẩn: RFC6282 Tần số: phù hợp sử dụng hầu hết phương thức truyền thông khác Bluetooth Smart (2.4 GHz) ZigBee lowpower RF (sub1 GHz) 5.4.6 Thread Thread giao thức IP mới, dựa tảng mạng IPv6 thiết kế riêng cho mảng tự động hóa tịa nhà nhà Được mắt vào năm 2014 Theard Group, giao thức Thread dựa tiêu chuẩn khác nhau, bao gồm IEEE802.15.4, IPv6 6LoWPAN, cung cấp giải pháp dựa tảng IP cho ứng dụng IoT Được thiết kế để làm việc với sản phẩm chip Freescale Silicon Labs (vốn hỗ trợ chuẩn IEÊ802.15.4), đặc biệt có khả xử lý lên đến 250 nút với độ xác thực tính mã hóa cao Với phần mềm upgrade đơn giản, cho phép người dùng chạy Theard thiết bị hỗ trợ IEEE802.15.4 Thông số kỹ thuật bản: Tiêu chuẩn: Theard, dựa IEEE802.15.4 6LowPAN Tần số: 2.4 GHz (ISM) KẾT LUẬN Với bùng nổ công nghệ đại, Smart Home đánh giá xu hướng tương lai Tuy nhiên, cịn nhiều hồi nghi mẻ 734 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 ngơi nhà thông minh nên tỉ lệ người dùng hệ thống nhà thơng minh Smart Home cịn Người tiêu dùng chưa nhìn thấy lợi ích mà Smart Home mang lại so sánh với số tiền mà họ bỏ Chưa kể, đôi khi, người dùng Internet lại bắt gặp cảnh báo hãng bảo mật nguy bị cơng thơng qua thiết bị gia dụng thơng minh Có thể, phải 10 năm nữa, người dùng cởi mở với sản phẩm Smart Home Do đó, điều quan trọng hãng cần tìm giải pháp thực thông minh mang lại lợi ích khiến người dùng sẵn sàng bỏ tiền mua kể lo ngại bảo mật không biến Tới lúc đó, nhà thơng minh “con người” để tương tác trực tiếp với người dùng, cho người dùng phục vụ “quản gia” giấu mặt ngơi nhà Nó dường hiểu chủ nhân muốn gì, biết cách hoạt động để đem lại thoải mái tiện nghi cho chủ nhân Có thể thấy rằng, Smart Home chắn xu hướng bùng nổ tương lai đưa sống người lên tầm cao Do đó, nhà sản xuất thiết bị cần phải tìm hướng thực khác biệt, tìm giải pháp thực thơng minh Những sản phẩm nên tương thích với chuẩn điều khiển trung tâm Google, Amazon, Apple… lập trình API để tích hợp dễ dàng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tim Cutler (2005), Deploying ZigBee in Existing Industrial Automation Networks, Sensors Expo, 2005 [2] Archana R Raut, L G Malik (2011), ZigBee: The Emerging Technology in Building Automation, International Journal on Computer Science and Engineering (IJCSE) [3] Andreas Wettergren (2007), ZigBee in Industry, Linköping University [4] Các tài liệu trang http://docs.oasisopen.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/os/mqttv3.1.1 os.html [5] Các tài liệu trang http://docs.aws.amazon.com/iot/latest/developerguide/protocols.html [6] Các tài liệu trang http://bbsmartsensing.com/basicsofmqtt/ [7] Các tài liệu trang http://mqtt.org/ [8] Các tài liệu trang http://stackoverflow.com/questions/17270863/mqttwhatisthepurposeorusageo flastwilltestament [9] Các tài liệu trang http://tuanpmt.github.io/whatismqtt/ [10] Các tài liệu trang http://www.zigbee.org [11] Các tài liệu trang http://smarthomesolutionsinc.com [12] Các tài liệu trang http://www.radioelectronics.com ... phải nhanh chóng cơng bố sản phẩm tương tự gọi Google Home để cạnh tranh NHỮNG LỢI ÍCH MANG LẠI TỪ HỆ THỐNG SMARTHOME 4.1 Sức khỏe Đó lợi ích an toàn điện với thiết bị tự ngắt có cố Ngồi ra, liên... hệ thống nhà thông minh Smart Home cịn Người tiêu dùng chưa nhìn thấy lợi ích mà Smart Home mang lại so sánh với số tiền mà họ bỏ Chưa kể, đôi khi, người dùng Internet lại bắt gặp cảnh báo hãng... KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 CÁC XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN SMARTHOME TRÊN THẾ GIỚI Tất hãng công nghệ lớn Goolge, Amazon, Apple Samsung tìm cách chiếm lĩnh thị trường Smart Home Đối