a, Cơ hội
Áp dụng những thành tựu của công nghệ 4.0, cùng với sự phổ biến của mạng 5G trên thế giới tạo sự thuận lợi trong việc phát triển hệ thống thông minh trong nhà ở. Nhiều dữ liệu hơn có thể được chia sẻ giữa các thiết bị nhà thông minh và các thiết bị này sẽ có thể kết nối với các ứng dụng sử dụng nhiều dữ liệu khác như trò
29
chơi 3D, thực tế tăng cường và thực tế ảo, công nghệ thành phố thông minh và ô tô tự lái,....
Các nhà phát triển khu dân cư của các dự án khu đô thị mới trở thành những người tiên phong trong việc lắp đặt nhà thông minh.
VD: Vinhome đang dần cải tiến các căn hộ của mình thành các ngôi nhà thông minh nhằm đem tới tiện ích tối đa cho người dùng. Dẫn đầu xu hướng áp dụng internet vào trong các thiết bị nhà ở tại Việt Nam.
b, Thách thức
Tiềm lực về công nghệ thông tin tại Việt Nam còn non trẻ, Việt Nam mới bắt đầu tham gia cách mạng công nghiệp 4.0 vào những năm gần đây.
Các thiết bị trong hệ thống Smart home có giá thành khá cao, và thị trường này chỉ phù hợp với những gia đình có mức thu nhập cao.Bên cạnh đó, để có thể sử dụng được các thiết bị trong hệ thống đòi hỏi người dùng phải có trình độ hiểu biết nhất định.
Chỉ có khoảng 10 - 12% khách hàng mục tiêu biết đến Smart home, trên 80% chưa quan tâm đến. Tuy nhiên, khách hàng mới chỉ dừng lại ở việc nghe, hiểu khái niệm, nhưng còn thiếu trải nghiệm thực tế dẫn đến đắn đo khi quyết định sử dụng.
Hiện nay, Smart home là một dự án mới mẻ, chỉ có một số ít doanh nghiệp tham gia vào thị trường này. Ngoài ra, do ảnh hưởng của dịch Covid - 19 dẫn đến suy giảm nền kinh tế, người tiêu dùng sẽ ưu tiên cho các nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống hơn.
Mặt khác,các sản phẩm do các nhà cung cấp khác nhau trong vài trường hợp sẽ không giao tiếp với nhau do khác công nghệ, từ đó tạo nên khó khăn cho người dùng.
30
PHẦN IV: KẾT LUẬN
Nhà thông minh (Smart home) là căn nhà được tích hợp các thiết bị, điện tử được điều khiển, giám sát, truy cập từ xa. Khác với nhà tự động (Home Automation) đơn thuần chỉ là các thiết bị hoạt động theo lịch trình cài đặt sẵn, Smart home được xây dựng trên nền tảng khái niệm Internet vạn vật (IoT).Tại đây, các thiết bị trong nhà có thể trao đổi thông tin với nhau, điều chỉnh các chức năng theo thói quen sinh hoạt hàng ngày của người dùng.
Nhà thông minh tích hợp các hệ thống cơ bản như hệ thống điều khiển ánh sáng, hệ thống an ninh, hệ thống điều khiển rèm, hệ thống kiểm soát môi trường, thiết bị cảm ứng… Việc điều khiển các hệ thống này thông qua một phần mềm cài đặt trên điện thoại hoặc máy tính có kết nối internet, bạn có thể điều khiển nó từ bất kỳ đâu hoặc điều khiển bằng giọng nói.
Thị Trường Smart home là một thị trường tiềm năng và sẽ phát tiển mạnh trong tương lai.
PHẦN 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH TRÊN PHẦN MỀM PACKET TRACER
1. Mô hình hệ thống
Bản demo được xây dựng dựa trên trên mô hình thiết kế nhà ở trong thực tế hiện nay. Các dữ liệu từ môi trường xung quanh như: nhiệt độ, ánh sáng, mật độ khí CO2, khói, độ ẩm không khí, sự chuyển động xung quanh,… được thu thập qua các cảm biến (sensor) như: cảm biến nhiệt độ, năng lượng mặt trời, cảm biến chuyển động, cảm biến gió,… Các thông số trên sau khi được thu thập sẽ được truyền đến và xử lý tại bộ xử lý trung tâm (Central Processor) hay còn được gọi là Home Gateway. Từ đó sẽ đưa ra những quyết định phù hợp theo cài đặt có sẵn. Bên cạnh đó, quá trình theo dõi các thiết bị trong căn nhà còn có thể thực hiện từ xa thông qua các thiết bị như: điện thoại thông minh, máy tính bảng hoặc đồng hồ đeo tay thông
31
minh,… chỉ cần có kết nối với Internet. Mô hình hệ thống mô phỏng các chức năng cơ bản của một căn nhà thông minh thực hiện trên phần mềm Packet Tracer được mô tả như hình dưới.
Hình 1: Mô hình hệ thống mô phỏng các chức năng cơ bản của một căn nhà thông minh
2. Sơ đồ khối
Để dễ dàng hơn trong việc hình dung được phương thức hoạt động của mô hình trên, chúng em đưa ra sơ đồ khối đơn giản mô tả quá trình hoạt động như trong hình dưới đây:
32
Hình 2. Sơ đồ khối mô tả hoạt động của hệ thống.
3. Xây dựng và triển khai nhà thông minh
Trước tiên, các thiết bị như: cửa sổ, đèn, quạt, năng lượng mặt trời, cảm biến nhiệt độ,… phải được kết nối không dây tới Home Gateway. Việc cài đặt cho Home Gateway nhằm hình thành các liên kết không dây đến các thiết bị. Các thiết lập không dây (wireless), chế độ bảo mật hay tên có thể tùy chỉnh theo từng yêu cầu cụ thể.
Hình 3: Cài đặt cho Home Gateway
Xây dựng mô hình nhà thông minh dựa trên phần mềm Packet Tracer
Việc kết nối các thiết bị đến bộ xử lý trung tâm, được thực hiện trên từng thiết bị trên Home Gateway như trong hình dưới:
33
Hình 4: Kết nối thiết bị tới Home Gateway.
Kết nối thiết bị điều khiển (điện thoại thông minh, máy tính bảng,…) tới Home Gateway:
34
Hình 5: Kết nối thiết bị điều khiển tới Home Gateway.
Các hệ thống sẽ được triển khai trong mô hình demo bao gồm: a, Hệ thống bật, tắt các thiết bị gia đình, đồ gia dụng điện tử:
Hệ thống này thực hiện các tác vụ bật/mở các thiết bị, đồ gia dụng điện tử như: loa, rèm cửa, cửa ra vào, máy pha cafe,…chỉ cần là các thiết bị có thể kết nối được với Internet thì đều có thể thao tác bật/mở trực tiếp ngay trên chính chiếc điện thoại thông minh, máy tính bảng,… chỉ bằng một cú click mà không cần dùng điều khiển hay bằng tay.
35
Hình 6: Hệ thống bật, tắt các thiết bị gia đình, đồ gia dụng điện tử.
b, Hệ thống đóng, mở cửa sổ thông minh:
Hệ thống này thực hiện các tác vụ đóng/mở cửa sổ dựa trên thông số nhiệt độ thu thập được từ môi trường bên ngoài qua một thiết bị cảm biến nhiệt độ. Nếu nhiệt độ của môi trường quá cao thì hệ thống sẽ tự động mở cửa sổ (con số được ví dụ trong hình trên là lớn hơn 15 độ C). Ngược lại, nếu nhiệt độ môi trường xuống thấp thì hệ thống sẽ tự động đóng cửa sổ (con số được đưa ra trong mô hình trên là nhỏ hơn 15 độ C). Các thông số điều khiển có thể tùy chỉnh dựa theo nhu cầu của từng hộ gia đình. Các tác vụ trên hoàn toàn được thực hiện một cách tự động mà không cần con người điều khiển. Đương nhiên, việc điều khiển cũng có thể được thực hiện bằng tay hoặc thao tác đóng/mở trên thiết bị đều khiển thông minh.
36
Hình 7: Hệ thống đóng, mở cửa sổ thông minh.
c, Hệ thống tưới cây thông minh:
Trong mỗi hộ gia đình, ngoài không gian sinh hoạt thì không gian vui chơi sân vườn, không gian xanh cũng được nhiều hộ gia đình quan tâm. Để đáp ứng yếu tố này, chúng em xây dựng hệ thống tưới cây thông minh, giúp điều hòa được độ ẩm trong đất, đảm bảo được điều kiện tốt nhất cho cây xanh duy trì và phát triển sự sống. Hệ thống vòi tưới sẽ được tự động mở/tắt tùy thuộc vào độ ẩm, mực nước đo được trong đất thông qua một thiết bị đo lường mực nước. Các thông số ví dụ được đặt ra trong hệ thống là: nhỏ hơn 10 cm thì vòi nước sẽ được mở để làm mát cây, ngược lại nếu mực nước lớn hơn 10 cm thì vòi nước sẽ tắt. Bên cạnh đó, nếu trời mưa hoặc mực nước quá cao có thể gây nên tình trạng ngập úng thì sẽ có hệ thống thoát nước xử lý. Cụ thể trong ví dụ demo là lớn hơn 17 cm thì hệ thống thoát nước sẽ tự động được mở, ngược lại thì hệ thống thoát nước sẽ đóng lại để giữ lượng nước luôn được ổn định. Các thông số có thể được tùy chỉnh theo yêu cầu người dùng.
37
Hình 8: Hệ thống tưới cây thông minh.
d, Hệ thống tắt, mở quạt:
Đối với hệ thống này, thiết bị quạt sẽ tự động thay đổi tốc độ hoặc tắt tùy theo nhiệt độ của không gian nhà. Chúng em thiết lập với điều kiện, nếu nhiệt độ môi trường cao hơn 17 độ C thì quạt sẽ thổi mạnh, nếu nằm trong khoảng nhiệt độ từ 15 độ C đến 17 độ C thì quạt sẽ thổi nhẹ và nhiệt độ nằm dưới 15 độ C thì quạt sẽ tự động tắt. Mức nhiệt độ này hoàn toàn có thể tùy chỉnh theo yêu cầu người dùng để phù hợp với nhu cầu, sở thích.
38 e, Hệ thống tắt, mở điều hòa:
Tương tự hệ thống tắt/mở quạt, hệ thống này sẽ tự động tắt/mở điều hòa theo điều kiện được cài đặt. Chúng em thiết lập với điều kiện, nếu nhiệt độ môi trường cao hơn 20 độ C thì điều hòa sẽ tự động mở và nhiệt độ nằm dưới 20 độ C thì điều hòa sẽ tự động tắt. Bên cạnh đó, khi điều hòa được bật thì cửa sổ sẽ tự đông được đóng lại để làm mát căn phòng, đồng thời cũng giúp gia chủ tiết kiệm được điện năng. Mức nhiệt độ này hoàn toàn có thể tùy chỉnh theo yêu cầu người dùng để phù hợp với nhu cầu, sở thích.
Hình 10: Hệ thống tắt, mở điều hòa.
f, Hệ thống tắt, mở máy sưởi:
Bên cạnh việc làm mát thì việc giữ ấm cho căn nhà cũng là điều nhiều gia đình quan tâm và hướng tới. Để đáp ứng nhu cầu đó chúng em đã thiết lập thiết lập hệ thống tự động bật máy sưởi với điều kiện, nếu nhiệt độ môi trường thấp hơn 10 độ C thì máy sưởi sẽ tự động mở và khi nhiệt độ lớn hơn 10 độ C thì máy sưởi sẽ tự động tắt. Mức nhiệt độ này hoàn toàn có thể tùy chỉnh theo yêu cầu người dùng để phù hợp với nhu cầu, sở thích.
39
Hình 11: Hệ thống tắt, mở máy sưởi.
g, Hệ thống giữ ẩm:
Độ ẩm là yếu tố quan trọng trong cuộc sống thường nhật hằng ngày. Bởi nếu độ ẩm quá cao có thể khiến cho môi trường vi khuẩn xung quanh phát triển, ngược lại nếu môi trường thiếu độ ẩm, không khí khô gây nứt nẻ và các vấn đề hô hấp, ảnh hưởng đến sức khỏe gia đình chúng ta. Độ ẩm không khí thích hợp để không ảnh hưởng đến sức khỏe là từ ngưỡng 30% đến 50%. Nhận thấy điều đó, nhóm chúng em đã triển khai hệ thống giữ ẩm. Cụ thể trong bài toán này, độ ẩm của môi trường ngoài sẽ được đo thông qua một thiết bị đo độ ẩm. Khi độ ẩm trong không khí quá thấp, dưới 30%, hệ thống sẽ tự động bật máy giữ ẩm, ngược lại thì máy giữ ẩm sẽ tắt. Còn nếu độ ẩm trong không khí cao trên 50% thì hệ thống tự đọng bật điều hòa làm khô, hút ẩm không khí, ngược lại thì điều hòa sẽ tắt. Mức độ ẩm này hoàn toàn có thể tùy chỉnh theo yêu cầu để phù hợp với nhu cầu, sở thích, sức khỏe người dùng.
40
Hình 12: Hệ thống giữ ẩm.
h, Hệ thống chiếu sáng thông minh:
Hệ thống chiếu sáng là một trong những thành phần không thể thiếu trong không gian sống thường nhật. Đây là hệ thống tự điều khiển thiết bị chiếu sáng trong căn hộ, tùy thuộc vào điều kiện môi trường xung quanh. Cụ thể trong bài toán này, điều kiện chúng em sử dụng là độ sáng nhận được từ môi trường bên ngoài được đo thông qua tấm pin năng lượng mặt trời. Khi bảng năng lượng mặt trời phát hiện năng lượng nhận được đủ lớn (ánh sáng mặt trời chiếu xạ nhiều) thì hệ thống đèn sẽ tự động tắt, ngược lại thì hệ thống đèn sẽ được bật. Với chế độ này nó giúp con người thoải mái và tiết kiện được điện năng tiêu thụ. Ngoài ra, có thể thực hiện thêm việc tùy chỉnh tăng hoặc giảm độ sáng của các thiết bị chiếu sáng cho phù hợp với nhiều hoàn cảnh hơn (tăng thêm các mức hoạt động như sáng mạnh, sáng vừa, sáng dịu…), giúp tăng tính linh hoạt cho hệ thống.
41
Hình 13: Hệ thống chiếu sáng thông minh.
i, Hệ thống phát hiện khí CO2:
Dựa trên ý tưởng đảm bảo môi trường sống tốt nhất cho sinh hoạt, yếu tố không khí trong sạch cũng là một yếu tố cần được xem xét, bên cạnh đó việc phòng tránh cháy nổ cũng là một yếu tố vô cùng quan trọng. Trong hệ thống này, chúng em thực hiện điều khiển thiết bị theo nồng độ khí Cacbonic trong môi trường bằng. Việc đo nồng độ khí CO2 sẽ được thực hiện thông qua một thiết bị cảm biến khí/khói. Với hệ thống trên, khi thiết bị phát hiện khí CO2 lên quá cao thì thiết bị cảnh báo sẽ mở, ngược lại nếu nồng độ CO2 trong khoảng cho phép thì thiết bị cảnh báo sẽ tắt. Cửa cũng sẽ được mở nếu nồng độ khí CO2 đạt ngưỡng quá cho phép nhằm thoát bớt khí độc, ngược lại thì cửa sẽ tự động được đóng lại. Nếu thiết bị cảm biến khí/khói đo được nồng độ khí CO2 quá mức có thể gây ra cháy nổ thì lập tức thiết bị vòi phun trần sẽ được kích hoạt để xử lý đám cháy, ngược lại nếu đám cháy đã được xử lý và nồng độ khí CO2 đã giảm trong mức cho phép thì vòi phun trần sẽ tự động tắt. Hệ thống này giúp con người điều hòa được môi trường xung quanh mình tốt hơn, tránh được tác hại từ khí CO2 và phòng tránh hỏa hoạn.
42
Hình 14: Hệ thống phát hiện khí CO.
j, Hệ thống kích hoạt camera thông minh:
Bên cạnh những vấn đề đã nêu, yếu tố an toàn được cho là điều quan trọng nhất. Nắm bắt được điều đó, chúng em đã triển khai hệ thống camera thông minh nhằm giúp an ninh của căn nhà được nâng cao. Hệ thống sẽ sử dụng một thiết bị cảm biến chuyển động để nhận biết chuyển động của con người, qua đó khi nhận thấy có sự chuyển động thì camera sẽ được bật để quan sát và ghi lại hình ảnh. Ngược lại, nếu không nhận thấy sự chuyển động của con người ở môi trường ngoài thì camera sẽ được tạm thời tắt đi nhằm tiết kiệm điện năng cho căn nhà.
43
Hình 15: Hệ thống kích hoạt camera thông minh.
k, Hệ thống chống trộm:
Tương tự như vấn đề trên, chúng em đã triển khai hệ thống phát hiện chuyển động nhằm tăng tính bảo mật và an toàn cho căn nhà. Hệ thống sẽ được lắp đặt tại những nơi quan trọng của căn nhà cần tính bảo mật cao như: nơi chứa các tài sản có giá trị, nơi để két sắt,… Nếu như phát hiện được có sự chuyển động của người lạ muốn đột nhập vào thì hệ thống sẽ kích hoạt cảnh báo, ngược lại thì cảnh báo sẽ được tắt.
44
Hình 16: Hệ thống phát hiện chuyển động.
l, Hệ thống các cảm biến đặt ngoài trời:
Cuối cùng, chúng em đề cập đến là hệ thống sinh hoạt thông minh khi ở ngoài vườn. Yếu tố đặt ra là sự thoải mái, thoáng mát trong môi trường sinh hoạt ngoài vườn.
45
Hình 17: Hệ thống các cảm biến đặt ngoài trời.
Dựa trên cảm biến phát hiện gió (có gió/không có gió) và cảm biến chuyển động (có người/không có người đang vui chơi ngoài vườn) thì hệ thống quạt sẽ thực hiện điều khiển tự động trong các hoàn cảnh cụ thể. Cụ thể, nếu hệ thống phát hiện chuyển động của người trong vườn và có gió, quạt sẽ không bật. Ngược lại, nếu hệ thống phát hiện chuyển động của người trong vườn mà trong vườn không có gió thì quạt sẽ được bật. Hệ thống này sẽ giúp tạo sự thoải mái khi sinh hoạt, vui chơi và làm việc ở không gian vườn.
46
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Slide bài giảng môn Mạng và truyền thông.
2. https://www.slideshare.net/quynhmainguyen110698/bo-co-tm-hiu-v-Smart