Trên cơ sở nghiên cứu những nhu cầu sử dụng trong thực tế cũng như các thiết bị thuộc hệ thống ngôi nhà thông minh, nghiên cứu đã đưa ra ý tưởng và các giải pháp thực hiện. Ngôi nhà thông minh (SmartHome) hoạt động dựa trên sự cài đặt của người sử dụng với các chế độ khác nhau. Người sử dụng rất ít khi phải thực hiện các thao tác điều khiển trực tiếp các thiết bị trong nhà. Hệ thống đã được lập trình hoạt động một cách thông minh giúp đơn giản hóa việc điều khiển các thiết bị. Tham khảo bài viết về Ngôi nhà thông minh sau đây để biết thêm nội dug chi tiết.
Trang 1NGÔI NHÀ THÔNG MINH
Ngô Thị Dung, Đỗ Thanh Hoa, Lê Thị Huyền Trang, Lớp K60A,
Nguyễn Thị Tính, Nguyễn Thị Bích Vân, Lớp K61A, Khoa Sư phạm Kĩ thuật
GVHD: ThS Trịnh Văn Đích
Tóm tắt: Trên cơ sở nghiên cứu những nhu cầu sử dụng trong thực tế cũng như các thiết bị thuộc hệ
thống ngôi nhà thông minh, nhóm đã đưa ra ý tưởng và các giải pháp thực hiện Ngôi nhà thông minh (SmartHome) hoạt động dựa trên sự cài đặt của người sử dụng với các chế độ khác nhau Người sử dụng rất ít khi phải thực hiện các thao tác điều khiển trực tiếp các thiết bị trong nhà Hệ thống đã được lập trình hoạt động một cách thông minh giúp đơn giản hóa việc điều khiển các thiết bị Ngoài
ra, giao diện điều khiển cài đặt trên các thiết bị thông minh cầm tay (điện thoại, máy tính bảng) giúp cho ta có thể sử dụng một cách dễ dàng
Từ khóa: Ngôi nhà thông minh, internet, quản lí, giám sát, điều khiển từ xa, điện thoại 3G
I MỞ ĐẦU
Nhà thông minh (Smart home hoặc Intellihome) là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị
điện, điện tử có tác dụng tự động hoá hoàn toàn hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lí, điều khiển “Ngôi nhà thông minh" đầu tiên trong lịch sử là ngôi biệt thự Thái Bình Dương của Bill Gates do có những hệ thống trang, thiết bị điện tử tinh vi, hiện đại và rất phức tạp được bố trí ở nội thất bên trong Với các công nghệ kết nối tiên tiến nhất như công nghệ truyền dữ liệu không dây chuyên dụng Zigbee, công nghệ truyền dữ liệu trên đường điện PLC… hệ thống Nhà thông minh SmartHome có thể dễ dàng triển khai trên các ngôi nhà đang sử dụng hoặc xây mới mà không phải đi lại đường điện hay sửa đổi hạ tầng
II NỘI DUNG
1 Tổng quan về hệ thống ngôi nhà thông minh (Smart home)
Nhà thông minh có đặc trưng nổi bật là sự tiết kiệm tối đa tiêu hao năng lượng dưới mọi dạng mà vẫn tạo điều kiện thoải mái và tiện nghi tối đa cho chủ nhân
Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet 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 Thêm vào đó, các đồ gia dụng có thể hiểu được ngôn ngữ của nhau và có khả năng tương tác với nhau
Hình 1 Sơ đồ khối về các chức năng của ngôi nhà thông minh
Trang 2Hình 2 Sơ đồ chung về các hệ thống trong ngôi nhà thông minh
2 Các chức năng chính thường sử dụng trong nhà thông minh
2.1 Điều khiển chiếu sáng (on/off, dimmer, scence, timer, logic, )
Các đèn trong phòng được kết hợp với nhau và nối với các thiết bị khác trong phòng như quạt thông gió Toàn bộ hệ thống này được tự động điều khiển về trạng thái tối ưu cho từng hoàn cảnh sử dụng cụ thể
2.2 Điều khiển mành, rèm, cửa cổng
Hệ thống cửa cổng, cửa cuốn, rèm,… sẽ được đóng mở bằng nhiều cách, tự động, bằng tay, bằng điều khiển từ xa, bằng màn hình cảm ứng hoặc qua điện thoại
2.3 Hệ thống an ninh, báo động, báo cháy
Các bộ cảm biến chuyển động của hệ thống chiếu sáng khi được kích hoạt (bằng một phím bấm bất kì đặt trước) sẽ tự động trở thành hệ thống chống trộm Khi có nguy cơ bị đột nhập, các thiết bị này sẽ lập tức cảnh báo tại chỗ bằng còi hú hoặc gọi điện đến các số điện thoại đặt trước
2.4 Hệ thống điều khiển điều hòa, máy lạnh
Với các cảm biến môi trường, sẽ giúp tự động có thể điều khiển nhiệt độ trong nhà phù hợp với nhiệt độ đã được cài đặt trước
2.5 Hệ thống âm thanh & hình ảnh đa vùng
Giải pháp âm thanh giúp tiết kiệm rất nhiều thời gian giải trí, quản lí và bảo trì hệ thống âm thanh.Với khả năng thiết kế linh hoạt, hệ thống cho phép thưởng thức ca khúc yêu thích từ mọi vị trí trong nhà
2.6 Hệ thống chuông cửa có hình
Hệ thống chuông hình bao gồm 1 đầu nhận và 1 màn hình được đặt tại phòng khách
và phòng ngủ chính cho phép có thể nói chuyện, nhìn được hình ảnh của người khách đến nhà và có thể mở cửa, bật tắt các thiết bị trong nhà bằng hệ thống chuông hình
Trang 32.7 Hệ thống camera
Với hệ thống camera, mọi ngóc ngách trong nhà sẽ luôn luôn được giám sát 24/7 Có thể giám sát ngôi nhà của mình, hay có thể xem con mình đang làm gì khi mình không có nhà bằng Smartphone, hoặc bằng laptop từ xa
2.8 Hệ thống bảo vệ nguồn điện
Với hệ thống cáp, người sử dụng không phải tiếp xúc gần với điện 220VAC, giảm thiểu tối đa nguy cơ cháy nổ do chập điện Đồng thời, giảm thiểu tổn thất điện năng trên dây dẫn Khi cần mở rộng hệ thống ta có thể thêm vào mà không phải đi lại dây
3 Quá trình nghiên cứu và ứng dụng
3.1 Hệ thống giám sát và bảo vệ
3.1.1 IP Camera (Camera quan sát qua mạng)
Camera IP hay còn gọi là camera mạng cho phép việc giám sát có thể được thực hiện tại chỗ hoặc thông qua hệ thống mạng Lan/ Wan/ Wireless được xác nhận bằng một địa chỉ
IP riêng biệt Các camera được chế tạo sử dụng tiêu chuẩn nén ảnh JPEG, MJEG, MPEG4 nhằm giảm tối đa dung lượng đường truyền nhưng vẫn giữ được chất lượng hình ảnh a) Cấu trúc và nguyên lí hoạt động của IP Camera
Hình 3 Cấu trúc cơ bản của một Camera IP
Một IP Camera ngoài hệ thống camera quang học còn có thêm kết nối wifi, hệ thống
âm thanh 2 chiều gồm micro, loa; hệ thống đèn chiếu hồng ngoại hỗ trợ quan sát trong tối, đầu vào/ra báo động
IP Camera được kết hợp kết nối trực tiếp vào mạng thông qua Switch hoặc Router, tín hiệu hình ảnh và điều khiển được truyền qua mạng Tất cả các Camera muốn hiển thị hoặc ghi hình đều phải thông qua phần mềm được cài đặt trên máy vi tính, tablet, smart phone
Trang 4IP Camera còn được trang bị thêm những tính năng có giá trị như phát hiện những chuyển động hay có những cổng output cho các camera thông thường khác
b) Các chức năng của IP Camera trong ngôi nhà thông minh
- Quan sát: Camera ghi nhận hình ảnh rõ nét, sáng rõ nhờ ống kính và cảm biến ảnh CMOS Camera quan sát cho độ phân giải hình ảnh tới mức VGA (640 x 480 pixel)
cho hình ảnh rõ nét, góc quét lớn cho phạm vi quan sát rộng, tiết kiệm số lượng camera Có
hệ thống đèn hồng ngoại hỗ trợ quan sát trong bóng tối
- Lưu trữ: Ghi hình ảnh vào thẻ nhớ MicroSD, hoặc sử dụng phần mềm để ghi hình
ảnh vào máy tính, điện thoại Ghi lên thẻ MicroSD thường bị giới hạn bởi dung lượng thẻ, khi ghi hình bằng phần mềm, hình ảnh sẽ ghi trực tiếp vào ổ cứng Phần mềm sẽ giúp cho ghi hình nhiều camera hơn, thời gian ghi và chất lượng hình ảnh tốt hơn
- Kết nối: Camera mạng sử dụng một Web Server lắp trong để chuyển hình ảnh, web
server giúp cho camera có thể hoạt động độc lập Webserver còn giúp cho việc truyền hình ảnh qua mạng LAN, internet hoặc điện thoại di động an toàn, phân quyền truy cập bằng user name và mật khẩu
- Phát lại: Xem lại hình ảnh trên máy tính hoặc trên điện thoại di động Ta có thể
xem nhiều ảnh một lúc nhờ chức năng hiển thị đa hình, hoặc dùng hệ thống giám sát camera không dây để hiển thị ngay trên tivi Phát lại hình ảnh đã ghi trên thẻ nhớ
- Điều khiển: Điều khiển nhiều chức năng Camera khác nhau bằng máy tính hoặc
điện thoại di động
- Báo động: Kích hoạt chức năng phát hiện chuyển động, khi có vật thể chuyển
động, camera sẽ phát tín hiệu báo động bằng âm thanh trực tiếp trên loa, gửi tín hiệu ra cổng I/O và gửi báo động đến Smart phone
c) Nghiên cứu và ứng dụng T6836WTP IP Camera
- Ưu điểm: Ưu điểm của loại camera này là: Nhỏ gọn, kết nối wifi, có khả năng quan
sát đêm, phát hiện chuyển động: báo động đến smart phone, ghi hình vào thẻ nhớ, gửi mail,
có cổng I/O alarm; đàm thoại 2 chiều…
Hình 4 Sơ đồ cấu trúc cơ bản và tối thiểu của một hệ thống Camera IP
Trang 5- Nhược điểm: Tuy nhiên, Camera IP T6836WTP không có bộ nhớ riêng để ghi lại
những hình ảnh đã được quan sát mà chỉ có thể tích hợp thêm thẻ nhớ SD ở bên ngoài để ghi lại video hoặc hình ảnh Độ phân giải mới chỉ ở mức VGA (640 x 480)
Ta có sơ đồ kết nối IP camera như trình bày ở Hình 4
- Nguyên tắc làm việc của sơ đồ: Hình ảnh, âm thanh nhận được từ IPcam được xử
lí truyền qua wifi hoặc cáp đến modem – Internet - Smart phone hoặc PC Smart phone, PC
có thể điều khiển ngược lại IPcam để xoay hoặc cài đặt từ xa, cài đặt chuông báo và các chức năng khác Trong đó, IPcam có khả năng phát hiện chuyển động báo động đến smart phone, gửi mail đến chủ nhà, gửi ảnh lên server, ghi hình vào thẻ nhớ Camera có khả năng quan sát cả ngày đêm, có thể đàm thoại 2 chiều: bảo vệ (báo động chống đột nhập, khi kết nối với cảm biến có báo động chống cháy, dò khí ga ) các tín hiệu này được gửi đến Smart phone
- Yêu cầu của quá trình lắp đặt: Cần có môi trường Internet, chọn vị trí Cam, kết
nối internet, kết nối I/O trong đó Out là ra còi báo động, đèn, thiết bị quay số nhanh đến chủ hoặc 115 (tùy vào cài đặt của người sử dụng), đầu vào In là từ cam khác, cảm biến khí
ga, khói, chuông cửa tự động để lấy tín hiệu cho nó ghi hình, báo động
- Cài đặt T6836WTP IP Camera:
+ Bước 1: Cấp nguồn cắm cáp mạng vào camera
+ Bước 2: Cài đặt mạng Wificho camera, sau đó có thể rút cáp mạng
+ Bước 3: Cấu hình xem Camera IP trên PC qua mạng Internet
+ Bước 4: Cấu hình xem Camera IP qua Smart phone, máy tính bảng chạy Android hoặc iOS
+ Bước 5: Cài đặt báo động
d) Cài đặt chức năng báo động qua I/O
Kết nối cổng Input với cảm biến hồng ngoại hoặc camera khác để kích hoạt chế độ báo động sớm, hoặc cảm biến khói, khí ga để báo cháy
Cổng output được dùng kích hoạt thiết bị báo động như còi hú, đèn bảo vệ như Hình 5
Hình 5 Kết nối cổng I/O alarm
3.1.2 Cảm biến phát hiện chuyển động
Trang 6a) PIR sensor
Các cảm biến hồng ngoại thụ động (Passive infrared sensor - PIR sensor) có thể được ứng dụng làm chuông cửa tự động hoặc báo động chống đột nhập
Hình 6 Hoạt động của PIR sensor
Khái niệm: Là bộ cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại Tia hồng ngoại (IR) chính là các tia nhiệt phát ra từ các cơ thể nóng Trong các cơ thể sống, trong chúng ta luôn có thân nhiệt, từ cơ thể chúng ta luôn phát ra các tia nhiệt, hay còn gọi
là các tia hồng ngoại, người ta sẽ dùng một tế bào điện để chuyển tia nhiệt sang dạng tín hiệu điện và nhờ đó mà có thể làm ra cảm biến phát hiện các vật thể nóng đang hoạt động Cảm biến này gọi là tự động vì nó không dùng nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà chỉ phụ thuộc vào các nguồn thân nhiệt khác như con người
Nguyên lí làm việc: Các nguồn nhiệt (con người là nguồn thân nhiệt) đều phát ra tia hồng ngoại, qua kính Fresnel, qua kính lọc lấy tia hồng ngoại, nó được tiêu tụ trên 2 cảm biến hồng ngoại gắn trong đầu dò và tạo ra điện áp được khuếch đại với transistor FET Khi có một vật nóng đi ngang qua, từ 2 cảm biến này sẽ cho xuất hiện 2 tín hiệu và tín hiệu này sẽ được khuếch đại để có biên độ đủ cao và đưa vào mạch so áp để tác động vào điều khiển các thiết bị báo hiệu, báo động như chuông, còi hú, đèn điện Hình 7 dưới là bộ chuông cửa tự động dùng PIR sensor
Hình 7 Chuông cửa tự động
Trang 7b) Microwave Sensitive switch (MWS)
PIR có nhược điểm là có điểm mù, độ nhạy phụ thuộc vào môi trường và có thể bị vô hiệu hóa khi bị phát hiện Microwave Sensitive switch không phụ thuộc môi trường, không có điểm mù, vùng phủ sóng rộng, cảm biến người chuyển động ngay cả khi có vật cản Vì vậy
có thể lắp kín bên trong vỏ bóng đèn, bên trên trần thạch cao, đặt trong hộp điện, sau kính
Hình 8 Cảm biến dùng vi sóng
MWS sử dụng công nghệ vi sóng kiểu radar, nó hoạt động theo hiệu ứng Doppler, khi vi sóng phản xạ từ vật chuyển động sẽ tăng hoặc giảm tần số, từ đó sẽ phát ra tín hiệu
để điểu khiển thiết bị báo động
3.2 Hệ thống điều khiển trung tâm
3.2.1 Giới thiệu trung tâm điều khiển Broadlink RM2
Trung tâm điều khiển nhà thông minh Broadlink RM2 có thể điều khiển các thiết
bị điện trong ngôi nhà như: TV, điều hòa, công tắc, ổ cắm, bóng đèn,… bằng hồng ngoại (IR) và sóng cao tần (RF) thông qua kết nối Wifi, có hẹn giờ, lập trình điều khiển theo kịch bản,…
Trung tâm điều khiển kết nối vào mạng wifi, có thể dùng smartphone, máy tính bảng, tivi box, tivi, laptop,… (chạy hệ điều hành IOS, ANDROID) để điều khiển mọi thiết bị điện trong nhà có điều khiển IR hoặc RF như tivi, đầu DVD, camera, điều hòa, công tắc điện điều khiển….), trong đó điện thoại được kết nối internet (Wifi, 3G, GPRS…)
Nguyên lí làm việc:
- Chế độ học lệnh: Các lệnh từ các bộ điều khiển từ xa IR, RF được CPU nhận lệnh, thông qua Internet được chuyển đến và lưu trữ ở cơ sở dữ liệu (Data Base) trong smartphone, máy tính bảng, laptop,…
- Chế độ phát: Điều khiển các lệnh trên điện thoại, máy tính bảng, laptop,… lưu trữ trong cơ sở dữ liệu (Data Base) đã được cài đặt từ trước, các lệnh đó được CPU nhận,
Trang 8thông qua Internet được chuyển đến các bộ điều khiển từ xa IR, RF từ đó điều khiển các thiết bị theo ý muốn của người dùng
Hình 9 Điều khiển thiết bị qua Broadlink RM2
3.2.2 Lắp đặt và cài đặt trung tâm điều khiển
a) Sơ đồ điều khiển
Các thiết bị điện trong nhà có thể được điều khiển từ xa bằng smartphone hoặc máy tính bảng thông qua kết nối internet như hình 10
Hình 10 Mô hình điều khiển trung tâm
Module điều khiển hạt công tắc Module điều khiển ổ cắm
Hình 11 Một số module điều khiển
Trang 9Không phải thay đổi kết cấu hệ thống điện trong nhà mà chỉ cần thay thế hoặc lắp thêm các module điều khiển như công tắc, ổ cắm, để điều khiển các thiết bị như đèn, ổ cắm các thiết bị điện khác,…
c) Các bước thực hiện
- Bước 1: Thay thế thiết bị cũ hoặc bổ sung các module điều khiển như công tắc ổ
cắm, công tắc
- Bước 2: Cho các module điều khiển học lệnh từ điều khiển cầm tay
- Bước 3: Kết nối RM2 với Internet qua Wifi
- Bước 4: Kết nối điện thoại với Wifi và cài đặt phần mềm E-contol trên điện thoại Sau đó cài đặt các chương trình điều khiển các thiết bị trong căn nhà theo ý muốn
- Bước 5: Cài đặt cho RM2 học lệnh từ các IR,RF,
- Bước 6: Thử nghiệm điều khiển các thiết bị trong ngôi nhà
3.3 Hệ thống bật tắt đèn tự động
3.3.1 Hệ thống đèn bảo vệ
Hệ thống điều khiển đèn bảo vệ có chức tự động bật khi trời tối và tắt khi trời sáng
Hệ thống sử dụng các sensor là quang trở hoặc photo diode, khi trời sáng (tối) vượt ngưỡng đặt trước hệ thống sẽ điều khiển đèn tắt (bật) tự động mà không cần có tác động của chủ nhà
Hình 12 Hệ thống bật tắt đèn tự động theo ánh sáng
Bộ cảm biến sẽ tự động bật đèn khi trời tối, và nó sẽ tự động tắt khi trời sáng nhờ bộ cảm biến ánh sáng tự nhiên vào mỗi buổi sáng Và có bộ phận chuông báo thức khi trời sáng Khi đi công tác xa, ta có thể thiết lập các chế độ tự động điều khiển ánh sáng trong nhà vào những giờ nhất định (19h – 22h) thường xuyên trong các ngày việc này sẽ giúp cho ngôi nhà như trong tình trạng có người ở nhà, vì thế trộm sẽ không để ý đến ngôi nhà Hoặc giả như có kẻ vẫn cố tình xâm phạm thì các hệ thống cảm biến chuyển động trong nhà sẽ cảnh báo tới chuông báo động, tự động gọi điện đến cảnh sát 113, và tự động nhắn
Trang 10tin vào di động cá nhân Đây thực sự là những giải pháp công nghệ cao ứng dụng rất tốt trong đời sống hiện đại ngày nay, giúp tiết kiệm thời gian, tiết kiệm điện năng, bảo vệ an toàn cho ngôi nhà…
Hệ thống đèn bảo vệ trong và ngoài ngôi nhà được chia thành nhiều khu vực, chỉ những khu vực nào có người đèn mới được bật sáng và tự động tắt khi không có người Ngoài ra, độ sáng và màu sắc được điều chỉnh tự động theo ánh sáng môi trường và theo sở thích của chủ nhân, đem tới sự tiện nghi và tiết kiệm năng lượng
2.3.2 Hệ thống đèn chiêu sáng thông minh
Ở một số vị trí như: toilet, cầu thang hệ thống đèn sẽ tự động bật khi có người đến gần và tự động tắt sau một khoảng thời gian Điều đó làm cho chủ nhà rảnh tay để làm việc khác và bảo đảm an toàn cho trẻ nhỏ Có thể dùng PIR sensor hoặc cũng có thể dùng cảm biến âm thanh
Hình 13 Công tắc đèn tự động cảm biến chuyển động và âm thanh
Một số tính năng nổi bật của hệ điều khiển chiếu sáng:
- Hệ thống đèn chiếu sang thông min hoạt động hoàn toàn tự động
- Tự động bật đèn sân vườn khi Mặt trời lặn và tự động tắt vào lúc nửa đêm
- Tự động bật đèn khi gia chủ bước vào nhà nếu trời tối và đèn chưa bật
- Tự động bật đèn cầu thang khi có người và trong điều kiện môi trường thiếu sáng, sau đó tự động tắt 1 phút sau khi người ra khỏi khu vực cần chiếu sáng
- Tự động bật, tắt theo kịch bản, ngữ cảnh tùy theo nhu cầu sinh hoạt, giải trí, nghỉ ngơi của gia đình
- Với những cảm biến chuyển động (motion sensor) vừa có chức năng điều khiển đèn
tự động vừa có chức năng an ninh báo động nếu thiết lập ở chế độ an ninh làm tăng khả năng an toàn cho ngôi nhà
- Hệ thống chiếu sáng có thể điều khiển theo nhiều phương thức khác nhau: phím bấm, remote, tự động theo cảm biến chuyển động (ở những khu vựt như cầu thang, hành lang, nhà vệ sinh), tự động theo lịch cài đặt trước đó, thiết bị cầm tay có wifi, Laptop,
