báo cáo thực tập nghiên cứu hệ thống quản lý tòa nhà thông minh

Trong công nghiệp, các thiết bị điều khiển trong nhà máy tại Việt Nam chúng ta hiện nay hầu hết được kết nối với PLC, DCS hoặc SCADA điều khiển tự động hoạt bán tự động.. Người quản lý t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO

THỰC TẬP CUỐI KHÓA

Đề tài NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG QUẢN LÝ

TÒA NHÀ THÔNG MINH

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Văn Khang

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Hoàng Bách

MSSV : 201403

Lớp : ĐT06–K59

Hà Nội, 3/2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO

THỰC TẬP CUỐI KHÓA

Đề tài NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG QUẢN LÝ

TÒA NHÀ THÔNG MINH

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Hoàng Bách

MSSV : 20140304

Lớp : ĐT06–K59

Hà Nội, 3/2019

Nhận xét báo cáo thực tập của giảng viên hướng dẫn

Đánh giá báo cáo thực tập cuối khóa

Giảng viên đánh giá:

Họ và tên Sinh viên: MSSV:

Tên đồ án:

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây: Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5) 3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và tinh thần làm việc của sinh viên)

Ngày / /201 Giảng viên đánh giá

LỜI NÓI ĐẦU

Sau quãng thời gian 5 năm kể từ tháng 9/2014, quá trình học tập rèn luyện của

em tại trường ĐH Bách khoa Hà Nội cũng đã sắp hoàn thành Một bước quan trọng trên quãng đường đó chính là lần Thực tập cuối khóa và thực hiện Đồ án tốt nghiệp này Được sự phân công cũng như ưu ái từ Viện Điện tử Viễn thông, em được thực hiện 2 học phần quan trọng này dưới sự hướng dẫn của thầy, PGS.TS Nguyễn Văn Khang

Dù mới qua những bước đầu cùng làm việc với thầy, em đã cảm nhận được ở thầy sự tận tình, nhiệt huyết vô cùng lớn Dù với cương vị Phó Hiệu trưởng nhà trưởng rất bận bịu, áp lực, nhưng mỗi lần làm việc với sinh viên nói chung và nhóm sinh viên làm thực tập tốt nghiệp với thầy học kỳ này nói riêng, thầy đều không tiếc thời gian phân tích, chỉ bảo, đưa ra những lời khuyên vô cùng kịp thời và quý báu Em xin được gửi tới thầy lời biết ơn sâu sắc nhất!

Em đã cố gắng hoàn thành tốt báo cáo này, tuy nhiên không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy em mong nhận được sự thông cảm, chỉ bảo của thầy cũng như quý thầy cô giảng viên, giáo vụ của Viện Điện tử Viễn thông

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 29/03/2019

Sinh viên Nguyễn Hoàng Bách

MỤC LỤC

Nhận xét báo cáo thực tập của giảng viên hướng dẫn 3

LỜI NÓI ĐẦU 4

MỤC LỤC 5

Danh mục hình ảnh, bảng biểu 6

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 8

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUẢN LÝ 8

TÒA NHÀ THÔNG MINH (iBMS) 8

I INTERNET OF THINGS 8

1 Khái niệm 8

2 Ứng dụng 9

II HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÒA NHÀ THÔNG MINH ( iBMS) 10

III HỆ THỐNG QUẢN LÝ NGÔI NHÀ THÔNG MINH SMARTHOME 11

1 Nguồn gốc ngôi nhà thông minh 11

2 Ưu – Nhược điểm của nhà thông minh 12

CHƯƠNG 2 14

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG & CẤU THÀNH 14

HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÒA NHÀ THÔNG MINH 14

I Nguyên lý hoạt động của Hệ thống quản lý tòa nhà thông minh 14

II Các phân hệ trong một hệ thống Nhà thông minh 15

1 Hệ thống cấp điện 15

2 Hệ thống cấp nước sinh hoạt 15

3 Hệ thống báo khói, báo - chữa cháy 16

4 Hệ thống quản lý ánh sáng 16

5 Hệ thống kiểm soát điều kiện môi trường 16

6 Hệ thống kiểm soát ra vào (Access Control) 16

7 Hệ thống an ninh 16

8 Hệ thống thang máy 17

III Kết hợp các hệ thống vào việc quản lý 17

KẾT LUẬN 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

Danh mục hình ảnh, bảng biểu

Hình 1 IoT kết nối con người với vạn vật 9 Hình 2 SmartHome dễ dàng điều khiển bởi chủ nhà 13 Hình 3 Giản đồ hệ thống 14

MỞ ĐẦU

Theo thời gian, thế giới ngày một phát triển Dù còn tồn tại những tiêu cực nhất định, song kinh tế, xã hội, văn hóa, khoa học, vẫn ngày một tốt hơn, chất lượng cuộc sống con người cũng theo đó mà cải thiện, hạnh phúc

Bên cạnh đó, xu hướng đô thị hóa ngày càng cao, cùng với đó là sự gia tăng nhanh chóng số lượng các chung cư, tòa nhà cao tầng Đứng trước việc dân số thế giới không ngừng nở ra mà diện tích đất đai thì ngày càng co lại thì các tòa chung cư, cao

ốc được xem như một giải pháp tốt để giải quyết mối tương quan tỷ lệ nghịch này

Tuy nhiên để vận hành và khai thác hiệu quả một tòa nhà như vậy không hề đơn giản Để đảm bảo quản lý toà nhà một cách tốt nhất, các nhà quản lý đang tìm kiếm một giải pháp giúp họ kiểm soát được hoạt động vận hành máy móc thiết bị một cách hiệu quả, tiết kiệm chi phí, nhân lực và thân thiện với môi trường

Và Hệ thống quản lý tòa nhà thông minh (iBMS) xuất hiện, như vị cứu tinh giúp

lời giải cho bài toán về định cư, về quản lý vận hành trở nên hoàn thiện hơn bao giờ hết

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÒA NHÀ THÔNG MINH (iBMS)

Theo xu thế phát triển của thế giới, mọi thứ xung quanh ta đang trở nên “thông minh”, gần gũi và ngày càng hoàn thiện hơn trong việc phục vụ nhu cầu con người Theo đó, cụm từ "Internet vạn vật kết nối" thường xuyên được nhắc đến như là một xu hướng tiên tiến, hướng con người đến với cuộc sống tiện nghi và thoải mái do công nghệ mang lại Đó không còn là những thứ trong tương lai xa mà đã hiện diện ở khắp nơi trên thế giới và ngay cả ở Việt Nam cũng đang có một thị trường rất sôi động

I INTERNET OF THINGS

Năm 1999, Kevin Ashton đã đưa ra cụm từ Internet of Things (IoT) nhằm để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối Và từ đó từ cụm từ Internet of Things xuất hiện và được phổ biến đến tận ngày nay

Theo cộng đồng Internet of Things trên thế giới, “Internet of Things dịch ra tiếng Việt là Mạng lưới vạn vật kết nối Interner hoặc Mạng lưới thiết bị kết nối

Internet, viết tắt là IoT Khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính ”

IoT là sự hội tụ giữa các công nghệ hệ thống nhúng, cảm biến, công nghệ không dây, phân tích dữ liệu thời gian thực, học máy, dữ liệu lớn, Internet và các công nghệ khác Tất cả kết nối với nhau tạo nên Internet of Things Hiện nay và tương lai IoT không những là kết nối các thiết bị với nhau với Internet nữa, mà phải làm mọi thứ thông minh lên, từ các dữ liệu lớn của các thiết bịcó thể phân tích ra giúp ích cho mục đích con người

Hình 1 IoT kết nối con người với vạn vật

Tính ứng dụng của IoT là vô cùng thiết thực và đa dạng, cụ thể vào từng ngành nghề lĩnh vực

Trong công nghiệp, các thiết bị điều khiển trong nhà máy tại Việt Nam chúng ta hiện nay hầu hết được kết nối với PLC, DCS hoặc SCADA điều khiển tự động hoạt bán tự động Nhưng khi áp dụng IoT vào trong nhà máy việc quản lý các hệ thống này được thông qua Internet Người quản lý thông qua việc kết nối các thiết bị trong nhà máy sẽ biết được máy móc vận hành ra sao, điều khiển thiết bị từ xa, kiểm soát mức nhiên liệu có trong bồn chứa, các nguyên vật liệu trong từng silo,…

Trong nông nghiệp, ứng dụng IoT là việc số hóa các hoạt động sản xuất kinh doanh đến chế biến, tiêu dùng thông qua các thiết bị cảm biến, công nghệ điều hành và

tự động hóa Từ sản xuất định tính, thông qua ứng dụng IoT, người nông dân có thể kiểm soát được diễn biến cây trồng, vật nuôi qua số liệu, phân tích tự động, từ đó ra các quyết định đúng và hiệu quả

Trong y tế và chăm sóc sức khỏe, đây là một trong những lĩnh vực tiềm năng của công nghệ IoT với các ứng dụng như giám sát sức khoẻ từ xa, chương trình thể dục, trợ giúp bệnh mãn tính và chăm sóc người cao tuổi Các thiết bị y tế, cảm biến, các thiết bị chẩn đoán hình ảnh có thể được xem như là thiết bị thông minh hoặc là các

đối tượng cấu thành trong IoT Các ứng dụng IoT trong dịch vụ chăm sóc sức khoẻ sẽ làm giảm chi phí, nâng cao chất lượng cuộc sống và làm phong phú trải nghiệm của người dùng

…

Và trong dân dụng, tòa nhà thông minh cũng là một sản phẩm IoT rất thiết thực với cuộc sống chúng ta

II HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÒA NHÀ THÔNG MINH ( iBMS)

Từ những năm 1970, các quốc gia tiên tiến trên thế giới đã bắt đầu đưa vào sử dụng các hệ thống “Building Management System” (BMS), “Building Automation System” (BAS), Intelligent City System” (ICS), Intelligent Factory System” (IFS), và những năm gần đây, để “Intelligent Building Management System” (iBMS)… Đây là những thành phố, tòa nhà hay nhà máy có trang bị hệ thống tự động và “thông minh”,

có khả năng “suy luận” để tự động thực hiện công việc quản trị hiệu quả môi trường và mọi hoạt động của một tòa nhà

Hệ thống Quản trị Tòa nhà – BMS (Building Management System) hay Hệ thống Quản trị Tự động Tòa nhà – BAS (Building Automation System) ra đời như một

sự khởi đầu trong việc đơn giản hóa việc quản trị và vận hành các hệ thống trong tòa nhà Tuy nhiên BMS/BAS chưa thực sự hiệu quả vì nó được lập trình sẵn dựa trên các chỉ số được thiết lập từ trước iBMS “thông minh” hơn ở chỗ ngoài việc sở hữu các tính chất của một hệ BMS nó còn có thêm các mối liên hệ tương tác với các qui trình nghiệp vụ “định hướng người dùng”, các luật, qui định, chính sách để quản lý và vận hành hệ thống một cách tối ưu

Lợi ích mang lại từ một hệ thống quản lý tòa nhà rất cụ thể Về mặt kỹ thuật, iBMS sẽ:

 Đơn giản hóa và tự động hóa vận hành các thủ tục, chức năng có tính lặp đi lặp lại

 Quản lý tốt hơn các thiết bị trong toà nhà nhờ hệ thống lưu trữ dữ liệu, chương trình bảo trì bảo dưỡng và hệ thống tự động báo cáo cảnh báo

 Giảm sự cố và phản ứng nhanh đối với các yêu cầu của khách hàng hay khi xảy ra

sự cố

 Dễ dàng nâng cấp, linh hoạt trong việc lập trình theo nhu cầu, kích thước, tổ chức

và các yêu cầu mở rộng khác nhau

Với chi phí đầu tư cho hệ thống Quản trị Tòa nhà Thông minh trung bình

khoảng từ 40USD/m2 (trung bình tại Mỹ 2006), các chủ đầu tư có thể thu hồi vốn đầu

tư nhanh chóng trong từ 1,5 – 3 năm từ những lợi ích “quy ra thóc” của việc đầu tư

vào hệ thống này Thống kê cho thấy, về mặt thực tiễn một hệ thống iBMS chuẩn IP sẽ giúp:

 Giảm điện năng tiêu thụ (trung bình 15% – 30%)

 Tiết kiệm chi phí vận hành, thời gian quản trị, nhân lực và các tài nguyên khác

 Tăng tính hiệu quả, độ An toàn & Độ bền

 Tăng hiệu suất làm việc của người sinh hoạt trong tòa nhà (2% – 5%)

 Giảm thời gian xây dựng và đưa hệ thống vào vận hành

 Tăng chất lượng dịch vụ và các dịch vụ giá trị gia tăng

 Tăng giá trị tiếp thị và công suất cho thuê (~4%)

 Giảm thiểu lỗi và sự cố

 Dễ dàng thay đổi, mở rộng, nâng cấp để đáp ứng nhu cầu phát triển

Lợi ích của hệ thống iBMS chuẩn IP không dừng ở một tòa nhà độc lập Khi kết nối những tòa nhà, nằm tập trung hoặc rải rác, với hệ thống mạng chuẩn IP thì việc quản lý các tòa nhà này từ một hệ thống iBMS tập trung là hoàn toàn khả thi, và sẽ giúp tiết kiệm chi phí nhân sự điều hành và đảm bảo chất lượng dịch vụ đồng nhất

III HỆ THỐNG QUẢN LÝ NGÔI NHÀ THÔNG MINH SMARTHOME

Cũng như những chủ đầu tư của các dự án nhà cao tầng chung cư, mỗi chủ căn

hộ gia đình cũng rất quan tâm đến vấn đề kinh phí vận hành các hoạt động sống trong ngôi nhà và tất cả các vấn đề liên quan Tương tự như hệ thống quản lý tòa nhà iBMS,

ở quy mô hộ gia đình người ta sử dụng hệ thống quản lý căn hộ thông minh

SmartHome

Năm 1975, việc phát hành X10, một giao thức truyền tín hiệu trong đường điện

đã biến ngôi nhà thông minh, một hình ảnh vốn chỉ có trong các bộ phim hoạt hình thời bấy giớ, xuất hiện trong cuộc sống thực X10 gửi tín hiệu 120 kHz (radio

frequency - RF) của thông tin số lên hệ thống dây điện hiện tại trong nhà đến các đầu

ra hoặc công tắc có thể lập trình được Các tín hiệu này truyền tải lệnh đến các thiết bị tương ứng, kiểm soát cách thức và thời gian hoạt động của thiết bị

Tuy nhiên, vì dây điện không được thiết kế đặc biệt chống nhiễu sóng radio nên X10 không phải lúc nào cũng đáng tin cậy Các tín hiệu sẽ bị mất và trong một số trường hợp, các tín hiệu không vượt qua các mạch nối với các cực khác nhau, được tạo

ra khi dịch vụ 220 volt tách ra thành một cặp nguồn cấp dữ liệu 100 volt, phổ biến ở Hoa Kỳ X10 ban đầu là công nghệ một chiều, do đó các thiết bị thông minh có thể

thực hiện lệnh nhưng không thể gửi dữ liệu trở lại mạng trung tâm Sau đó, các thiết bị X10 hai chiều được sản xuất với chi phí cao hơn

Khi công ty tự động hóa nhà Insteon xuất hiện vào năm 2005, công ty đã giới thiệu công nghệ kết nối dây điện với tín hiệu không dây Các giao thức khác, bao gồm

cả Zigbee và Z-Wave, được đưa ra để chống lại các vấn đề có thể xảy ra với X10 Mặc

dù hiện nay nhiều hệ thống smart home vẫn chạy trên X10 hoặc Insteon nhưng

Bluetooth và Wi-Fi đã trở nên phổ biến hơn nhiều

Một trong những lợi ích nổi bật nhất của việc tự động hóa ngôi nhà là cung cấp

sự an tâm cho chủ nhà, cho phép họ quan sát nhà từ xa, chống lại những nguy hiểm như máy pha cà phê bị bỏ quên hoặc cửa phía trước quên chưa khóa

Không có gì đáng ngạc nhiên khi nhà thông minh có thể thích ứng với sở thích của người dùng Ví dụ, ngay khi bạn về đến nhà, cửa nhà để xe sẽ mở, đèn sẽ sáng, lò sưởi sẽ bật và các giai điệu yêu thích của bạn sẽ bắt đầu phát trên loa

Home automation giúp người dùng nâng cao hiệu quả trong sử dụng trang thiết

bị gia dụng Thay vì để máy điều hoà không khí chạy liên tục vào ban ngày, hệ thống nhà thông minh có thể học các hành vi của bạn và đảm bảo ngôi nhà sẽ được làm mát khi bạn trở về nhà Tương tự với các thiết bị khác: Hệ thống tưới nước thông minh, bãi

cỏ của bạn sẽ được tưới nước khi cần thiết với một lượng nước vừa đủ Đối với home automation, năng lượng, nước và các nguồn lực khác được sử dụng hiệu quả hơn, giúp tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và tiền bạc cho người dùng đáng kể

Một hạn chế của nhà thông minh là sự phức tạp trong cảm nhận, một số đối tượng người dùng (đặc biệt là người cao tuổi) gặp khó khăn khi sử dụng công nghệ hoặc sẽ từ chối sử dụng vì cảm thấy khó chịu ngay lần đầu

Đối với các hệ thống home automation thực sự có hiệu quả, các thiết bị phải tương tác với nhau bất kể nhà sản xuất của chúng là ai, sử dụng cùng một giao thức hoặc ít nhất, bổ sung thêm một giao thức khác Ở mức độ thiết kế, việc phải chọn lựa các thiết bị sao cho tương thích giao thức có thể hạn chế đi nhiều ý tưởng thiết kế cũng như đáp ứng nhu cầu khách hàng

Một vấn đề chính khác là an ninh của nhà thông minh Nếu tin tặc có thể xâm nhập vào một thiết bị thông minh, họ có thể tắt đèn, tắt báo thức và mở khóa cửa ra

vào để đột nhập Hơn nữa, tin tặc có thể truy cập vào mạng của chủ nhà, dẫn đến các cuộc tấn công tồi tệ hơn hoặc rò rỉ dữ liệu

Hình 2 SmartHome dễ dàng điều khiển bởi chủ nhà

CHƯƠNG 2

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG & CẤU THÀNH

HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÒA NHÀ THÔNG MINH

Để hiểu hơn về Hệ thống quản lý tòa nhà thông minh iBMS, ta đi sâu tìm hiểu cách thức hoạt động cũng như các phân hệ con của hệ thống

I Nguyên lý hoạt động của Hệ thống quản lý tòa nhà thông minh

Các trang thiết bị trong một tòa nhà thông minh không phải là các thiết bị và ứng dụng riêng biệt, chúng có sự phối hợp với nhau để tạo ra một mạng lưới điều khiển được từ xa

Hình 3 Giản đồ hệ thống

Tại các căn hộ, gian phòng cụ thể, các thiết bị, công tắc, cảm biến, được kết nối vào các node khu vực Các node này là trung gian dẫn truyền thông tin giữa bộ điều khiển trung tâm và các cảm biến, thiết bị ngoại vi

Bộ điều khiển trung tâm nhận tín hiệu từ các node, lưu trữ và đẩy dữ liệu tới người dùng thông qua server tới các thiết bị di động của chủ hộ, hoặc hiển thị trên màn hình điều khiển trong nhà Ta điều khiển tất cả các thiết bị qua bộ điều khiển trung tâm, nhận lệnh trực tiếp từ người dùng hoặc theo một kịch bản định sẵn, gửi tín hiệu điều khiển lại các node để điều khiển thiết bị

Bộ điều khiển trung tâm kết hợp tất cả các ứng dụng riêng lẻ vào một ứng dụng SmartHome duy nhất có thể được kiểm soát từ xa Chính vì vậy cần chia các trang thiết bị vật tư theo chức năng thành các hệ thống thống nhất Người ta chia ra các hệ thống con như: hệ thống cấp phát điện/ nước, hệ thống báo và chữa cháy, hệ thống an ninh, hệ thống ánh sáng, hệ thống kiểm soát điều kiện môi trường, v v Từ đó, việc phối hợp, điều khiển sẽ hiệu quả hơn

II Các phân hệ trong một hệ thống Nhà thông minh

Như đã trình bày ở trên, để dễ dàng trong khâu quản lý và sử dụng, cũng như thuận tiện cho việc phối hợp, điều khiển từ bộ điều khiển trung tâm, người ta chia các trang thiết bị vật tư trong tòa nhà (hay căn hộ) theo các hệ thống với chức năng nhất quán Tương tự như trên một hệ thống iBMS, trong một ngôi nhà thông minh, các trang thiết bị cũng được phân chia theo chức năng cụ thể

Hệ thống cấp điện trong nhà thông minh quan tâm đến 2 vấn đề chính: điều tiết điện năng và cấp phát điện từ máy phát điện dự phòng, máy lưu điện UPS

Kết hợp với hệ thống báo – chữa cháy qua bộ xử lý trung tâm sẽ ngắt mở nguồn điện trong nhà khi cần thiết

Hệ thống cấp nước trong SmartHome quan tâm các vấn đề: cấp nước từ nguồn nước máy, cấp nước từ hệ thống năng lượng mặt trời, cấp phát nước tưới tiêu, tạo độ

ẩm, cấp nước cho hệ thống chữa cháy