Bai giang trang bi dien nha thong minh

Nhu cầu và mong ước về một căn nhà tiện nghi có lẽ đ luôn tồn tại trong lịch sử văn minh loài người. Nhà thông minh là một ví dụ điển hình công nghệ đ bắt kịp với ý tưởng sẵn có của con người và giờ đây công nghệ ấy lại đi trước trong việc kiến tạo ra những tiện nghi mới mẻ, biến trí tưởng tượng của con người thành hiện thực. Dưới đây sẽ điểm qua những cột mốc đáng nhớ trong lịch sử phát triển của nhà thông minh và hệ thống tự động hóa nhà ở.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

( DÀNH CHO SV CHUY N NGÀNH: K THU T I N )

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH 1.1 KHÁI NIỆM VỀ NHÀ THÔNG MINH

1.1.1 Lịch sử ra đời của “smart home”

Nhu cầu và mong ước về một căn nhà tiện nghi có lẽ đ luôn tồn tại trong lịch sử văn minh loài người Nhà thông minh là một ví dụ điển hình công nghệ đ bắt kịp với

ý tưởng sẵn có của con người và giờ đây công nghệ ấy lại đi trước trong việc kiến tạo

ra những tiện nghi mới mẻ, biến trí tưởng tượng của con người thành hiện thực Dưới đây sẽ điểm qua những cột mốc đáng nhớ trong lịch sử phát triển của nhà thông minh

và hệ thống tự động hóa nhà ở

Hình 1.1 Minh họa hình ảnh nhà thông minh thực tế

Tiền đề cho hệ thống tự động nhà thông minh chính là thiết bị điều khiển từ xa không dây, được giới thiệu vào năm 1898 bởi Nikola Tesla, khi đó ông đ điều khiển

mô hình thu nhỏ của một chiếc thuyền bằng cách gửi đi sóng radio qua điều khiển từ

xa Thế kỷ 20 bắt đầu với sự phát triển bùng nổ của các thiết bị gia dụng, ví dụ như máy hút bụi chạy bằng động cơ ra đời nằm 1901 và máy hút bụi chạy bằng điện xuất hiện năm 1907 Hai thập kỷ tiếp theo là một cuộc cách mạng thiết bị gia dụng với sự xuất hiện của tủ lạnh, máy sấy quần áo, máy giặt, bàn là và máy nướng bánh mì Tuy nhiên, trong thời kì này các thiết bị kể trên có giá thành rất đắt và là những món hàng

xa xỉ chỉ những gia đình giàu có mới có thể mua được

2

ến những năm 1930, ý tưởng về tự động hóa nhà ở được khơi gợi lên, nhưng phải đến năm 1966, hệ thống tự động hóa căn nhà đầu tiên mang tiên EchoIV mới được phát triển bởi Jim Sutherland Hệ thống này giúp chủ nhà lên danh sách mua hàng, điều chỉnh nhiệt độ các phòng ở và bật/tắt các thiết bị gia dụng Nhưng đáng tiếc

là hệ thống này chưa bao giờ được bán ra thị trường

Năm 1969, bếp máy tính Honeywell ra đời Chức năng của sản phẩm này là tạo

ra các công thức món ăn, nhưng chiếc bếp này đ không đạt được thành công về thương mại do giá thành quá đắt đỏ Bước ngoặt lớn đầu tiên đ xảy ra vào năm 1971 khi bộ vi xử lý ra đời, khiến cho giá các thiết bị điện tử giảm mạnh iều này cũng đồng nghĩa với việc mọi người có khả năng được tiếp cận với công nghệ dễ dàng hơn Nhờ có bước phát triển thần kì ấy, khái niệm “nhà thông minh” lần đầu tiên được đưa

ra vào năm 1984 bởi Hội Liên Hiệp Xây dựng Hoa Kỳ

Trong suốt thập niên 90, công nghệ dành cho người cao tuổi đ là một chủ đề được tập trung nghiên cứu, trong đó người ta cố gắng kết hợp giữa kỹ thuật hiện đại và khoa học về tuổi già để tạo ra các công nghệ phục vụ cho người cao tuổi Chính sự tập trung nghiên cứu này cũng đóng góp vào việc phát triển các tiện nghi gia đình, thiết bị gia dụng, điện tử điện lạnh Trong khoảng thời gian này, nhu cầu kết nối các thiết bị gia dụng cũng bắt đầu xuất hiện Năm 1993, mạng lưới kết nối các thiết bị tại nhà không dây đầu tiên được xây dựng bởi Fujieda

ến cuối thế kỷ 20, thuật ngữ Domotics được sáng tạo và sử dụng để miêu tả việc các sản phẩm đồ gia dụng được kết hợp với máy tính và robot, tạo thành một hệ thống và phối hợp để quản lý các công việc trong gia đình Năm 1998, Ngôi nhà Thiên niên kỷ Interger milllennium house) được mở cửa trưng bày Căn nhà mẫu này minh họa cho việc một căn nhà có thể được tích hợp công nghệ như thế nào, với các hệ thống sưởi ấm, quản lý đất trồng vườn, các thiết bị an ninh, chiếu sáng và cửa đều được điều khiển tự động

Mười năm sau, khi mạng Internet phát triển mạnh mẽ và trở nên phổ biến, người ta bắt đầu đi vào nghiên cứu để tìm ra cách kết nối hệ thống điều khiển tự động hóa căn nhà với mạng Internet Hiroshi Kanma và các đồng sự đ đề xuất việc hệ thống được điều khiển thông qua bluetooth vào năm 2003 Năm 2006, hệ thống mạng lưới phức hợp các sản phẩm gia dụng được giới thiệu Mạng lưới này sử dụng bluetooth hoặc mạng điện thoại để gửi dữ liệu cho nhà cung cấp và truyền dẫn về căn nhà của người sử

Hiện nay, công nghệ tự động hóa nhà ở xuất hiện ở hầu khắp mọi nơi, và chúng

ta thậm chí đôi khi còn chẳng nhận ra Giờ đây, rất nhiều người trong chúng ta đ có thể điều khiển ti vi, hệ thống sưởi, chuông báo động, đèn chiếu sáng, cửa ra vào từ điện thoại thông minh và các bộ điều khiển Với sự phát triển như vũ b o này, có thể nói, những bước tiến hay thay đổi trong công nghệ nhà thông minh trong tương lai sẽ không còn có bất kỳ giới hạn nào ngoài chính trí tưởng tượng của con người

Tóm lại nhà thông minh là gì? Chúng ta có thể hiểu khái niệm đó một cách đơn

giản như sau: Nhà thông minh (tiếng Anh: home automation, domotics, smart home hoặc Intellihome) là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được

điều khiển, tự động hoá hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển thiết bị điện gia dụng trong gia đình Hệ thống điện thông minh này giao tiếp với người dùng thông qua bảng điện tử đặt trong nhà hoặc các ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính bảng hoặc một giao diện web Trong căn nhà thông minh, tất cả các thiết bị từ phòng ngủ, phòng khách đến khuân viên ngoài trời 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 đặt trước Thêm vào đó, các đồ gia dụng có thể hiểu được ngôn ngữ của nhau và có khả năng tương tác với nhau

1.1.2 Tiêu chí chung về công nghệ của nhà thông minh

Thành phần của hệ thống nhà thông minh bao gồm các cảm biến cảm biến nhiệt

độ, cảm biến ánh sáng hoặc cảm biến đo cử chỉ), các bộ điều khiển hoặc máy chủ và các thiết bị điện gia dụng đầu cuối thiết bị an ninh, hệ thống cửa, điều hòa, rèm mành,

hệ thống đèn, quạt thông gió, ti vi, bếp gas, bếp từ…) được kết nối với nhau Tuy nhiên để đánh giá chất lượng và sự hài lòng của một ngôi nhà thông minh đối với người sử dụng cần phải đảm bảo các tiêu chí sau:

 Chỉ một nút bấm

4

Thông thường để điều khiển tất cả các thiết bị trong nhà, bạn cần tới hàng chục công tắc, thậm chí với căn nhà lớn hàng trăm công tắc Với nhà thông minh hiện nay bạn có thể điều khiển tất cả bằng một vài nút bấm trên màn hình cảm ứng của smartphone hay máy tính bảng Bạn cũng có thể điều khiển và kiểm soát ngôi nhà thông qua giao diện trực quan 3D, ở đó các thiết bị được mô phỏng giống như đang sử dụng thực tế, chỉ cần chạm vào thiết bị tương ứng trong màn hình để điều khiển

 Chạm để điều khiển

Ví dụ sau giúp chúng ta hình dung được phần nào hoạt động của hệ thống: Khi khách đến, chúng ta chỉ cần chạm vào “Tiếp khách” trên Smart phone, đèn phòng khách bật sáng rực rỡ, rèm kéo lên, điều hòa giảm xuống độ mát sâu hơn, giảm âm lượng nhạc phát… thông thường để làm được việc này bạn phải chạy khắp căn phòng

và bấm rất nhiều công tắc Thật tiện nghi khi chỉ cần chạm vào một nút trên màn hình cảm ứng Một ví dụ khác khi đi ngủ, thay vì phải kéo rèm, đóng cửa, tắt điện, mò mẫm

đi lên giường, chỉ việc chạm vào “ i ngủ” trên điện thoại hoặc máy tính bảng, hệ thống sẽ cthực hiện những điều này, đồng thời kích hoạt hệ thống an ninh, báo động khi phát hiện xâm nhập trái phép Một kịch bản thường gặp, trước khi trở về nhà từ cơ quan, chỉ cần bấm “Về nhà”, bình nóng lạnh sẽ bật, hệ thống quạt thông gió, điều hòa nhiệt độ sẽ khởi động… để khi chúng ta về đến nhà, tất cả đ sẵn sàng phục vụ Không chỉ bằng “ra lệnh”, hệ thống nhà thông minh còn chủ động “phục vụ” chủ nhân Vào mỗi buổi sáng, rèm cửa hé mở, hệ thống âm thanh phát những bản nhạc nhẹ nhàng ưa thích, điều hòa tăng nhiệt độ để giúp chúng ta đỡ “lười” ra khỏi giường trong mỗi buổi sáng

 Ra lệnh bằng giọng nói

Không chỉ điều khiển trực tiếp trên smartphone, máy tính bảng, chúng ta có thể điều khiển nhà mình bằng giọng nói của chính mình Nhà thông minh hiện nay được trang bị công nghệ trợ lý ảo, giúp giao tiếp với hệ thống trở nên thân thiện, không cứng nhắc như một hệ thống điều khiển thông thường Sẽ là một trải nghiệm tuyệt vời khi chúng ta ra lệnh bằng giọng nói và hệ thống đáp ứng điều đó ngay

 Trải nghiệm với hệ thống ánh sáng thông minh

Hệ thống ánh sáng 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 Không những thế, hệ thống ánh sáng còn tự động điều chỉnh ở chế độ phù hợp

5

theo sở thích của gia chủ như: khi tiếp khách ánh sáng ở chế độ rực rỡ, tất cả các đèn sáng lên, từ đèn trần, đèn hắt, đèn chùm, đèn tranh…

Hình 1.2 Hệ thống chiếu sáng thông minh

 Trải nghiệm với hệ thống điều khiển rèm mành

Với ngôi nhà thông minh, hệ thống rèm mành ngoài việc điều khiển từ xa, chế độ đóng mở theo các kịch bản đặt trước, hệ thống còn cho phép điều khiển kết hợp với hệ thống ánh sáng, âm thanh, giải trí đa phương tiện… theo các kịch bản mong muốn, phù hợp trong các tình huống sử dụng trong thực tế như tiếp khách, xem phim, đi ngủ Ngoài ra hệ thống rèm thông minh còn tự động hoạt động theo thói quen của người dùng, như buổi sáng rèm tự động kéo lên, đi ngủ rèm tự động đóng lại, hệ thống còn phân biệt được nhu cầu ánh sáng của mùa đông, mùa hè khác nhau để tự động điều chỉnh đóng mở cho phù hợp Với giao diện điều khiển trực quan 3D, trên màn hình cảm ứng người dùng có thể bấm trực tiếp vào rèm mành để điều khiển

Hình 1.3 Hệ thống rèm mành thông minh

 Trải nghiệm hệ thống an ninh thông minh

 Trải nghiệm hệ thống kiểm soát môi trường

Môi trường không khí có vai trò đặc biệt quan trọng đối với sức khỏe Nhà thông minh được trang bị hệ thống kiểm soát môi trường với các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ oxy đặt ở khắp các vị trí thích hợp trong ngôi nhà Các thông số được chuyển

về hệ thống trung tâm để tính toán, đưa ra lệnh điều khiển tới các thiết bị điều hòa nhiệt độ, máy hút ẩm, quạt thông gió

Hình 1.4 Kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm môi trường

 Trải nghiệm hệ thống giải trí âm thanh đa vùng

Hệ thống âm thanh đa vùng của ngôi nhà thông minh giúp cho các khu vực khác nhau trong nhà cùng 1 lúc có thể phát các nguồn nhạc khác nhau tùy theo sở thích của từng người Ở mỗi khu vực người dùng có thể lựa chọn phát nhạc theo sở thích của mình mà không ảnh hưởng tới những người ở khu vực khác Chủ nhân của ngôi nhà thông minh có thể lựa chọn các chế độ phát nhạc theo các khoảng thời gian trong ngày Chẳng hạn vào buổi sáng hệ thống tự động phát các bản nhạc nhẹ giúp chủ nhân ngôi nhà thư gi n khi bắt đầu một ngày mới, hoặc mỗi chiều đến đi ra khuân viên cây

Hình 1.6 Giao diện hình ảnh 3D nhà thông minh

8

 Kịch bản ngữ cảnh thông minh

Một hệ thống nhà thông minh thường có rất nhiều kịch bản sẵn có, điều này làm cho bạn đôi khi rất khó tìm kiếm các kịch bản để sử dụng Một số h ng hiện nay như Bkav SmartHome, Lumi SmartHome…, hệ thống chỉ hiển thị những kịch bản phù hợp với thời điểm sử dụng hoặc những kịch bản bạn hay dùng trong thời điểm đó Ví dụ buổi sáng, màn hình cảm ứng chỉ hiện 4 nút: Buổi sáng, Thức dậy,Thể dục, Ra khỏi nhà để người sử dụng có thể tìm kiếm và vận hành nhanh nhất có thể mà không mất nhiều thời gian

 Kết nối không giới hạn

Người sử dụng có thể kiểm soát ngôi nhà của mình từ bất cứ đâu Dù đang ở văn phòng cơ quan, hay đang đi ra ngoài shopping…, hệ thống nhà thông minh sẽ giúp chủ nhân ngôi nhà dễ dàng kiểm soát và điều khiển ngôi nhà từ thiết bị di động, máy tính bảng thông qua kết nối Internet Wifi, 3G)

 Tiết kiệm năng lượng

Bên cạnh các tiêu chí về chất lượng mà một ngôi nhà thông minh đem lại sự tiện nghi và thoải mái, cũng cần phải quan tâm đến chi phí năng lượng mà các thiết bị công nghệ sử dụng òi hỏi các nhà sản xuất phải quan tâm trong quá trình thiết kế các sản phẩm công nghệ của mình sao cho năng lượng vận hành trên các hệ thống điều khiển nhà thông minh tiêu tốn ít nhất Bên cạnh đó các ngôi nhà thông minh nên phối hợp lắp đặt các hệ thống lưới điện thông minh như: hệ thống điện mặt trời, sức gió…

1.1.3 Các hệ thống điều khiển thông minh và cơ chế thông minh

 Hệ thống điều khiển nhà thông minh

Hệ thống điều khiển thông minh đi kèm với các thiết bị, được cài đặt các chương trình lập sẵn, giao tiếp với người sử dụng linh hoạt nhất không phụ thuộc vào khoảng cách và vị trí, bao gồm những hệ thống sau:

 Hệ thống an ninh: Bao gồm các hệ thống cửa tự động, camera quan sát, đầu ghi

hình, bộ nhớ lưu trữ, bộ điều khiển trung tâm cho phép người sử dụng có thể nắm được trực tiếp hay xem lại toàn bộ mọi hoạt động diễn ra ở các khu vực có thiết bị kiểm soát Hệ thống an ninh còn có thể báo động bằng còi, chiếu sáng, gọi điện đến các số điện thoại cần thiết và có khả năng phong toả khu vực bị đột nhập

9

 Hệ thống báo cháy và chữa cháy: Hệ thống báo cháy cảm ứng khi có hiện tượng

cháy nồng độ khói, nhiệt độ), và thông báo bằng âm thanh loa, còi), đèn chiếu sáng

Hệ thống chữa cháy tự động phun nước tại các nơi cần chữa cháy Ở mức độ cao hơn,

hệ thống báo cháy, chữa cháy cho phép khoanh vùng và hướng dẫn phân luồng thoát hiểm

 Hệ thống đèn chiếu sáng: Bao gồm các loại đèn tích hợp các loại cảm biến, pin mặt

trời hoặc các loại đèn kết hợp với các công tắc thông minh

 Hệ thống thiết bị nhiệt: Bao gồm điều hoà nhiệt độ, lò sưởi, bình đun nước nóng,

bếp…

 Hệ thống giải trí: Truyền hình, đầu DVD, máy nghe nhạc…

 Hệ thống mành rèm: Bao gồm các hệ thống mành rèm được thiết kế tích hợp với

các động cơ có điều khiển, gắn với các công tắc hành trình

 Hệ thống cấp nước: Bao gồm các hệ thống máy bơm, ống cấp nước kết hợp với các

van điện từ, rơ le thời gian…cung câp nước cho nhà vệ sinh, sân vườn…

Tất cả các hệ thống thông minh trên có thể hoạt động theo lập trình hoặc cho phép người sử dụng điều khiển từ xa, hoặc kiểm tra trạng thái thiết bị thông qua bộ điều khiển từ xa remote control), điện thoại di động hay internet Trong đó các thuật toán điều khiển được lập trình trên các thiết bị như vi điều khiển, PLC…

 Cơ chế hoạt động nhà thông minh

Có thể phân chia làm 3 loại cơ chế hoạt động như sau:

 Cơ chế nhận dạng: Cơ chế nhận dạng cho phép ghi nhớ những đặc điểm được cài

đặt sẵn trong bộ nhớ Trong trường hợp việc nhận dạng xảy ra không trùng khớp, hệ thống sẽ từ chối phục vụ hoặc báo động Ví dụ như cổng, cửa gara chỉ mở với những

xe có biển số đ đăng ký với hệ thống, cửa tự động nhận dạng vân tay chỉ mở với đúng người; trong khoảng thời gian đêm, nếu có người lạ mặt trong phòng khách hệ thống

sẽ báo động…

 Cơ chế lập trình sẵn: Một số hệ thống thiết bị được thiết kế hoạt động theo lịch

trình nhất định Ví dụ như bắt đầu từ 7h tối đèn vườn, đèn bảo vệ tự động bật sáng và tắt vào thời điểm 5h sáng, 7h sáng tivi tại khu vực bếp tự động bật đúng chương trình cài đặt để người ăn sáng có thể xem, 8h sáng vòi nước tưới vườn hoạt động trong 15 phút; 10h đêm các hệ thống cửa tự động an toàn sẽ đóng lại…

10

 Cơ chế cảm ứng: Cơ chế cảm ứng là một cơ chế linh hoạt, hoạt động trên sự biến

đổi trạng thái mà hệ thống cảm ứng ghi nhận để tự điều khiển phù hợp Ví dụ: Tại cầu thang, vệ sinh, đèn sẽ tự động bật khi có người và tự động tắt sau một thời gian nhất định khi không có người; hệ thống báo động sẽ thông báo khi cửa có những chấn động

cơ học hơn mức bình thường do phá hoại, đột nhập), mái kính sẽ tự động đóng lại khi

có mưa, mành – rèm tự hoạt động ở trạng thái thích hợp nhất khi cảm ứng với ánh nắng mặt trời, đèn tự động bật khi chiếu sáng tự nhiên không đủ…

1.1.4 Xu hướng phát triển của nhà thông minh trên thị trường

Theo tiêu chí xếp hạng nhà thông minh của h ng nghiên cứu thị trường Gartner mới công bố, các hệ thống nhà thông minh trên thế giới hiện nay đa phần thuộc nhóm nhà tự động Home Automation Cấp độ cao nhất của nhà thông minh là Connected Home ây là thế hệ nhà thông minh mà Gartner dự đoán tới những năm 2017 mới trở nên phổ biến

Trong vài năm gần đây, các đại gia công nghệ như Microsoft, Apple, Google, Samsung đang gấp rút tìm cách chiếm được "miếng bánh" lớn nhất trên thị trường nhà thông minh Như Google mua lại Nest h ng sản xuất bộ điều khiển nhiệt độ thông minh và thiết bị báo khói), Samsung ra mắt hệ thống nhà thông minh khép kín trong các thiết bị của h ng hay gần đây nhất là Apple giới thiệu nền tảng phát triển ứng dụng nhà thông minh HomeKit

Theo báo cáo của Zion Market Research, thị trường nhà thông minh toàn cầu đ đạt giá trị khoảng 24,10 tỷ USD năm 2016 và dự kiến đạt 53,45 tỷ USD vào năm

2022, với mức tăng trưởng trung bình hàng năm trên 14,5 Trong khi Bắc Mỹ và châu u là những thị trường tiên phong, khu vực châu - Thái Bình Dương đang chứng kiến sự tăng trưởng đáng kể số các dự án nhà ở mới có triển khai nhà thông minh, với nhu cầu "khổng lồ" về các thiết bị điều khiển tự động trong chiếu sáng, an ninh và giải trí

Thị trường nhà thông minh Việt Nam theo thống kê của Statista cho đến tháng 4/2018 đ đạt doanh thu khoảng 45 triệu USD Các chuyên gia dự đoán con số này có thể đạt mức 319 triệu USD từ nay đến 2022 với tỷ lệ tăng trưởng kép hàng năm CAGR) là 67 ặc biệt, Statista đánh giá thị trường nhà thông minh Việt Nam có tiềm năng rất lớn và quy mô lớn hơn cả Thái Lan

11

Cho đến nay qua trải nghiệm và quá trình nghiên cứu về nhà thông minh đ không khỏi ngạc nhiên khi nhận thấy sản phẩm SmartHome trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng đ là hệ thống nhà thông minh hoàn chỉnh - Connected Home, kết nối tất cả các loại thiết bị trong ngôi nhà, không chỉ điều khiển theo kịch bản mà còn có thể thiết kế các kịch bản ngữ cảnh thông minh dựa vào thói quen, thời điểm và mệnh lệnh trước đó của chủ nhà Trong đó tại thị trường Việt Nam có thể kể đến là các hãng Bkav SmartHome, Lumi SmartHome… đ có trước cả dự đoán của Gartner và tiến một bước trước các "đại gia" công nghệ trên thế giới về nhà thông minh Nói cách khác, với sản phẩm SmartHome, chúng ta không phải là người theo đuôi, tiêu thụ công nghệ của thế giới như hiện thực lâu nay mà hoàn toàn có thể trở thành người đi đầu về

xu hướng công nghệ iều đó cho thấy người Việt Nam trong thời đại cách mạng 4.0 với Công nghệ Trí tuệ nhân tạo, Internet of Things thì cơ hội tiếp cận với các ngôi nhà thông minh với chi phí thấp là trong tầm tay và hoàn toàn có thể thực hiện được Bên cạnh sự phát triển của nhà thông minh trên thế giới cũng như ở Việt Nam thì ngoài mặt lợi ích đem lại như đ nói ở trên và chi phí lắp đặt thấp thì vẫn tồn tại những mặt hạn chế mà mà không phải gia đình nào cũng có thể ứng dụng nhà thông minh vào ngôi nhà của mình, do nhiều bộ phận người dân chưa thực sự nắm bắt được công nghệ thông minh của các thiết bị, nên sẽ là trở ngại khi vận hành các thiết bị đó

1.2 PHÂN LOẠI NHÀ THÔNG MINH

1.2.1 Phân loại nhà thông minh theo công năng thiết bị

Trên cơ sở vận dụng các tính năng của các thiết bị cấu thành nên hệ thống nhà thông minh có thể chia nhà thông minh làm hai nhóm chính:

 Nhà ở dân dụng thông minh

Nhóm nhà ở dân dụng loại này gồm các ngôi nhà đ qua sử dụng hoặc mới xây dựng có quy mô nhỏ, chi phí thấp được trang bị thêm một số thiết bị như: cảm biến chuyển động; cảm biến nhiệt độ, độ ẩm; smart key, camera giám sát; rơ le thời gian… bên cạnh những thiết bị điện có dây sẵn có của một ngôi nhà bình thường, cho phép người sử dụng có những trải nghiệm về tính năng tự động và điều khiển từ xa của một ngôi nhà thông minh nhưng ở mức độ đơn giản nhất như:

+ iều khiển từ xa việc đóng/mở cửa, màn che cửa sổ…

+ Tự động bật/tắt thiết bị chiếu sáng khi có người đi vào hoặc ra khỏi phòng

Nhóm nhà ở dân dụng thông minh loại này phù hợp với các gia đình có thu nhập thấp, với chi phí lắp đặt rẻ Nhược điểm chưa có sự giám sát được của thiết bị điều khiển trung tâm thông qua các giao thức truyền thông như: Bluetooth, RF hay mạng viễn thông…; không hỗ trợ các tính năng bảo mật an toàn; không vận hành thiết bị trong ngôi nhà thông qua máy tính bảng, smart phone…

 Nhà thông minh hiện đại

Nhóm nhà thông minh loại này bao gồm: Nhà xây hiện đại theo kiến trúc mới; Biệt thự; Khách sạn… sử dụng các thiết bị đ được tích hợp sẵn của các h ng trên thị trường như: Bkav Smart Home; Lumi Smart Home…do vậy sẽ thỏa m n được hầu hết các tiêu chí về một ngôi nhà thông minh lý tưởng như đ nói ở trên Tất cả các thiết bị

từ bóng đèn, công tắc, nút ấn, camera giám sát… cho đến bộ điều khiển trung tâm đều được kết nối trong một mạng không dây khép kín thông qua các giao thức truyền thông của công nghệ IOT Những ngôi nhà này hoàn toàn thực hiện đồng bộ theo các gói sản phẩm của các h ng trên thị trường tùy thuộc vào mục đích sử dụng cần đạt đến mức độ nào mà sẽ có các gói sản phẩm tương ứng Với nhóm nhà thông minh loại này tất cả các trải nghiệm về điều khiển thiết bị điện từ tự động đến điều khiển từ xa hay các tính năng an ninh bảo mật, vận hành theo kịch bản hay theo sở thích của người sử dụng đều được đáp ứng tối đa chỉ thông qua các thiết bị hỗ trợ như: trợ lý ảo, máy tính bảng, smart phone…Nhóm nhà ở thông minh hiện đại sẽ phù hợp với những gia đình

có thu nhập cao hơn và các thành viên trong ngôi nhà cũng có sự am hiểu nhất định về công nghệ thiết bị mới có thể vận hành tối ưu đươc hệ thống

1.2.2 Phân loại nhà thông minh theo yếu tố truyền thông

Căn cứ vào khả năng lắp đặt, vận hành và truyền thông tín hiệu của thiết bị điện thông minh trong các ngôi nhà do các h ng trên thị trường sản xuất ta có thể chia nhà thông minh thành các nhóm:

13

 Nhà thông minh truyền thông có dây

Tất cả các thiết bị điện trong ngôi nhà đều được kết nối với bộ điều khiển trung tâm thông qua dây dẫn, đảm bảo sự tin cậy về tín hiệu khi vận hành dù ở khoảng cách

xa, tuy nhiên nếu số thiết bị sử dụng trong ngôi nhà lớn thì đường truyền khá cồng kềnh và tính thẩm mỹ không cao Do vậy trường hợp này chỉ phù hợp với nhà có kích thước nhỏ, sử dụng thiết bị điện không nhiều

 Nhà thông minh truyền thông không dây

Tất cả các thiết bị điện trong ngôi nhà đều được kết nối với bộ điều khiển trung tâm bằng đường truyền không dây thông qua các giao thức: Bluetooth, Zigbee, Z-wave, Wifi… Với cách thức này sẽ khắc phụ được những hạn chế của truyền thông có dây là giảm được số lượng dây dẫn tới các thiết bị, tuy nhiên cũng gặp hạn chế về chất lượng tín hiệu đường truyền nếu như các tín hiệu truyền thông không đảm bảo và một đặc điểm cần phải quan tâm về khoảng cách truyền thông của mỗi giao thức không dây đều rất giới hạn, nên cần phải có các bộ khuếch đại tín hiệu đi kèm mới đảm bảo được tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm có thể gửi đến được tất cả các thiết bị điện trong ngôi nhà Nhóm nhà thông minh loại này đang trở thành xu thế chính trong thời đại hiện nay

1.3 CÁC GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG TỪ XA CHO NHÀ THÔNG MINH

1.3.1 Giao thức Bluetooth

Thuật ngữ "Bluetooth" là từ phiên âm tiếng Anh từ tiếng Scandinavia Thuật ngữ này bắt nguồn từ tên của một vị vua an Mạch ở thế kỷ thứ 10 - vua Harald Bluetooth Ông là người đ có công thống nhất các bộ tộc ở an Mạch thành một quốc gia thống nhất Ý tưởng sử dụng “Bluetooth” để đặt tên cho giao thức truyền dẫn không dây này được đề xuất bởi Jim Kardach của Intel Ông chính là người phát triển ra hệ thống giao tiếp giữa di động và máy tính vào năm 1997 Ông đề xuất tên gọi này khi đang đọc cuốn tiểu thuyết lịch sử về vua Harald Bluetooth “The Long Ships”, việc sử dụng tên gọi Bluetooth thể hiện mong muốn thống nhất sự phân mảnh của các chuẩn kết nối do các nhà sản xuất khác nhau phát triển lúc bấy giờ Logo Bluetooth chính là sự kết hợp từ tên gọi của vị vua này theo cổ ngữ Runes (Hagall) (ᚼ ) (Bjarkan) (ᛒ )

14

Hình 1.7 Giải thích biểu tượng của Bluetooth

Bluetooth ra đời với mục đích "không dây hóa" chuẩn serial RS-232 thịnh hành vào những năm 80-90 của thế kỷ trước và chuẩn hóa các giao tiếp serial

Bluetooth về cơ bản là một giao tiếp bằng sóng radio ở băng tần 2.4 đến 2.48 GHz, rất gần với chuẩn Wifi 2.4GHz hiện nay Tuy nhiên, khác với Wifi hay các sóng radio khác hoạt động ở 1 băng tần cố định, Bluetooth triển khai theo khái niệm "nhảy tần trải phổ" Frequency Hopping Spread Spectrum), có nghĩa là băng tần hoạt động của Bluetooth thay đổi liên tục với 79 kênh từ 2.400 GHz đên 2.480 GHz) iều này, về mặt lý thuyết, đảm bảo Bluetooth chống lại việc nghe lén rất hiệu quả vì hacker phải biết chính xác được kênh nào để nghe, mà kênh này lại thay đổi liên tục khoảng 800 lần mỗi giây) tùy vào sự đồng ý giữa 2 thiết bị đang giao tiếp với nhau

Bluetooth thực hiện giao tiếp với nhau theo kiểu chủ-tớ Master-Slave) và thông thường 1 chủ có thể nối với 7 thiết bị tớ cùng 1 lúc thành một hệ thống mạng mini Dĩ nhiên các thiết bị có thể đổi vai trò, tùy vào điều kiện tiếp nối Ví dụ: 1 cái tai nghe khởi đầu kết nối với điện thoại bắt buộc phải đóng vai Master, nhưng sau đó sẽ hoạt động như là 1 Slave sau khi kết nối hoàn tất Sau đó thông tin được truyền đi theo phương thức chuyển gói Packet Switching) như hình dưới sau:

15

Hình 1.8 Minh họa việc truyền dữ liệu của Bluetooth

Giả sử ta có 1 mạng gồm 6 thiết bị, User 1 muốn gửi thông tin đến User 5, và User 2 muốn gửi thông tin đến User 4 User 1 sẽ chia thông tin cần chuyển thành 5 gói nhỏ 54321 và User 2 chia thông tin của mình thành 4 gói 4321 Các gói thông tin này được truyền đến người nhận bằng đường truyền khác nhau, không nhất thiết là đi trực tiếp User 1 => User 5 mà có thể qua đường User 1 => User 2 => User 4 => User 5 Như vậy thông tin có thể truyền đi rất nhanh chóng Sau khi tất cả các gói đ được nhận ở điểm đến, chúng sẽ được sắp xếp lại theo thứ tự ban đầu

Một điểm quan trọng của Bluetooth trong việc chuẩn hóa giao tiếp là yêu cầu về

sự tương thích cấu hình Bluetooth Bluetooth profile) giữa các thiết bị Ví dụ: bạn muốn chuyển tải hình ảnh giữa 2 điện thoại di động với nhau, bắt buộc bạn phải cài cấu hình Basic Imaging Profile BIP)

 Bluetooth v1.2

Các cải tiến chính bao gồm tăng tốc quy trình tìm kiếm và kết nối với thiết bị, cải tiến về tần số để tránh nhiễu, tốc độ truyền tải cao hơn so với v1.1 tăng lên 721kbit/s),

 Bluetooth v2.1 + EDR

Ngày 26/7/2007, Bluetooth SIG đưa ra đặc điểm kỹ thuật chính cho phiên bản 2.1 + EDR: cho phép ghép nối bảo mật đơn giản để giúp các thiết bị Bluetooth tương tác tốt hơn, nhằm cải thiện việc sử dụng và bảo mật, cũng như giảm điện năng tiêu thụ

ở chế độ tiêu thụ ít năng lượng

 Bluetooth v3.0 + HS

Phiên bản Bluetooth 3.0 + HS được Bluetooth SIG công bố ngày 21/4/2009 Về mặt lý thuyết chuẩn kết nối này có thể cung cấp đường truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 24Mbit/s, tuy nhiên không phải qua kênh Bluetooth Thay vào đó, Bluetooth thiết lập kênh kết nối và dữ liệu tốc độ nhanh được truyền tải qua kết nối 802.11 Thiết bị Bluetooth không có hậu tố “+HS” High Speed – Tốc độ cao) sẽ không hỗ trợ truyền tải dữ liệu tốc độ cao mà chỉ đảm bảo các tiêu chuẩn truyền thống của Bluetooth

 Bluetooth v4.0

Bluetooth SIG hoàn tất tiêu chuẩn chính của phiên bản 4.0, với tên gọi Bluetooth Thông minh và áp dụng từ ngày 30/6/2010 Bluetooth v4.0 bao gồm Bluetooth Truyền thống, Bluetooth Tốc độ cao HS) Và Bluetoth tiết kiệm năng lượng LE) Bluetooth tiết kiệm năng lượng Bluetooth low energy – Bluetooth LE), còn được biết đến với tên gọi Wibree, có giao thức kết nối mới nhằm nhanh chóng thiết lập liên kết đơn giản, thay thế cho giao thức truyền thống của Bluetooth v1.0 và Bluetooth v3.0 nhắm đến việc tiêu thụ ít năng lượng nhất có thể Việc lựa chọn giữa kết nối tiết kiệm năng lượng

và kết nối truyền thống tốn năng lượng hơn) do một chip chuyên dụng xử lý

 Bluetooth v4.1

17

Bluetooth v4.1 được Bluetooth SIG công bố chính thức vào ngày 4/12/2013 nhằm cải thiện khả năng hoạt động cũng như tăng cường hỗ trợ cho kết nối LTE, tăng cường khả năng trao đổi dữ liệu tốc độ cao với dung lượng lớn và cho phép hỗ trợ cùng lúc nhiều vai trò của thiết bị

Bluetooth 4.1 cải thiện tình trạng chống chéo tín hiệu của Bluetooth 4.0 và mạng 4G Bluetooth 4.1 sẽ tự động nhận diện và điều chỉnh băng tần để thực hiện tối đa sức mạnh của mình.- Khả năng kết nối thật sự thông minh: Bluetooth 4.1 cho phép các nhà sản xuất có thể xác định khoảng thời gian kết nối trở lại sau thời gian chờ trên các thiết

bị của họ giúp quản lý năng lượng của nó được tốt hơn và các thiết bị kết hợp sẽ điều chỉnh năng lượng phù hợp.- Khả năng truyền dữ liệu: Các thiết bị Bluetooth 4.1 có thể giao tiếp một cách độc lập mà không cần phải phụ thuộc vào trung tâm điều khiển

 Bluetooth v4.2

Chuẩn Bluetooth 4.2 được phát hành vào ngày 02/12/2014 bởi tổ chức phát triển Bluetooth SIG) với nhiều cải tiến quan trọng về bảo mật, tốc độ và nhiều tính năng mới

Bluetooth 4.2 có tốc độ truyền tải dữ liệu gấp 2.5 lần so với Bluetooth 4.1 Ngoài

ra dung lượng của dữ liệu truyền cũng được tăng lên giúp điện năng tiêu thụ của Bluetooth tiết kiệm hơn và ít xảy ra lỗi trong quá trình kết nối

ặc biệt Bluetooth 4.2 có tính bảo mật cao hơn giúp thiết bị khó bị tấn công hơn

và bạn có thể chia sẻ kết nối internet từ điện thoại đến thiết bị khác thông qua chuẩn giao tiếp cao cấp IPv6

Bluetooth 4.2 có thể được nâng cấp lên từ 4.0, 4.1 thông qua các bản cập nhật firmware từ nhà sản xuất thiết bị Tuy nhiên nếu phần cứng chip) không hỗ trợ Bluetooth 4.2 thì sẽ không được hưởng tốc độ truyền dữ liệu cao của v4.2

 Bluetooth v5.0

Bluetooth Special Interest Group đ chính thức thông qua Bluetooth v5.0 làm phiên bản mới nhất vào tháng 12 năm 2016 Rất mạnh mẽ nếu so với người tiền nhiệm phiên bản gần nhất Bluetooth 4.2 Low Energy), thì nhanh hơn gấp đôi với khoảng cách kết nối lớn hơn 4 lần, và có thể truyền tải lượng dữ liệu hơn đến 8 lần so với trước đây

18

Nếu các bạn muốn thông số cụ thể thì chúng ta đang nói tới tốc độ băng thông 2Mbps Trong thực tế thì điều thể hiện tốc độ và độ ổn định của tín hiệu không dây giúp cho việc update các firmware và data upload nhanh hơn rất nhiều

Nhờ vào khả năng kết nối xa hơn vào khoảng 800 feet 240m) nếu không có vật cản, các loa và tai nghe không dây của bạn sẽ hoạt động được ở khoảng cách xa nguồn phát hơn rất nhiều so với Bluetooth 4.2 Low Energy Ngoài ra còn thể áp dụng vào công nghệ mạng lưới vạn vật kết nối internet (IOT) cụ thể hơn là tất cả các thiết bị trong nhà gia dụng sẽ được kết nối với nhau tới internet như Camera quan sát, tủ lạnh thông minh, smart tivi, bếp

1.3.2 Giao thức X10

Hiện nay, trên thế giới có khá nhiều kiểu nhà thông minh dựa trên những công nghệ khác nhau Tiêu biểu nhất phải kể đến công nghệ điều khiển thiết bị kĩ thuật số, công nghệ sóng vô tuyến và công nghệ không dây wireless, 3G, Bluetooth )

Hình 1.9 Minh họa kết nối thiết bị điện qua module của X10

Ra đời vào những thập niên 80 của thế kỷ 20, công nghệ truyền tín hiệu trên đường dây điện được đầu tiên được nghiên cứu và phát triển tại Mỹ với dự án mang tên X10, là công nghệ điều khiển thiết bị điện kỹ thuật số Công nghệ X10 sử dụng sóng mang tần số 120Khz và điện áp tín hiệu 4V để truyền tín hiệu điều khiển Các sản

19

phẩm sử dụng công nghệ X10 có ưu điểm là dễ lắp đặt, giá thành thấp và không phải

đi thêm dây điều khiển, Các module X10 giao tiếp với nhau qua mạng điện trong nhà Nhà thông minh X10 được điều khiển hoàn toàn bằng m lệnh truyền trên cáp cấp nguồn điện đến từng thiết bị Theo nguyên tắc đặt m là một chữ cái từ A đến Z và chữ

số từ 1 đến 16 Người dùng có thể thiết lập 256 m lệnh dựa vào lượng ký tự và chữ

số Mỗi m m lệnh có thể gán cho một hoặc nhiều thiết bị Với các lệnh điều khiển khác nhau như bật, tắt…) tuy nhiên các sản phẩm X10 có điểm yếu là chịu tác động rất lớn của nhiễu đường truyền Do X10 sử dụng tần số sóng mang cố định 120Khz nên các can thiệp nhiễu quá lớn hoặc gần với tần số 120Khz đều làm cho các thiết bị của X10 không thể điều khiển được bằng các bộ điều khiển Do đó hệ thống sử dụng công nghệ X10 cần phải có bộ lọc và tách riêng đường cấp nguồn cho thiết bị X10 để đảm bảo độ ổn định của hệ thống trong quá trình sử dụng

Dần dần, công nghệ X10 đ được cải tiến để sử dụng sóng radio nhiều hơn và cho phép điều khiển ngôi nhà thông qua Internet X10 tham gia vào mọi hệ thống điều khiển trong tòa nhà như: Hệ thống điều hòa không khí, Hệ thống điều khiển ánh sáng,

Hệ thống điều khiển cổng vào/ra, Hệ thống điều khiển đảm bảo an toàn…

Hệ thống thiết bị của X10 bao gồm 1 bộ điều khiển từ xa nối với máy tính và 1

bộ nhận sóng radio để truyền và nhận tín hiệu X10 Từ tất cả các module lại có 1 module điều khiển đèn dây tóc để chỉnh độ sáng), 1 module điều khiển các thiết bị khác như bình nước nóng, điều hoà, máy giặt… Hệ thống còn có các bộ cảm ứng chuyển động để bật đèn ở những chỗ thích hợp Như cầu thang, nhà kho và module chuông chỉ hoạt động khi cảm biến chuyển động phát hiện có người

Ưu điểm lớn nhất của hệ thống nhà thông minh X10 chính là mức giá thành không quá đắt đỏ: người sử dụng có thể có một hệ thống tự động hoá hoàn chỉnh cho nhà mình trên hệ thống đường điện nguồn cấp sẵn có của ngôi nhà, với chi phí chỉ trên dưới 1000 USD Tuy nhiên, tính bảo mật và an ninh của công nghệ này không cao, các lệnh tín hiệu tương đối chậm, chỉ kiểm soát được tối đa 256 thiết bị điện Chủ yếu phù hợp với yêu cầu điều khiển các thiết bị gia dụng

1.3.3 Giao thức ZigBee

ZigBee là một tiêu chuẩn mở toàn cầu cho công nghệ không dây được thiết kế để

sử dụng tín hiệu vô tuyến kỹ thuật số năng lượng thấp cho các mạng khu vực cá nhân – PAN personal area network) được ZigBee Alliance phát triển vào năm 1998

Nhờ vào đặc điểm truyền tải tín hiệu xa và ổn định nên Zigbee được sử dụng rất rộng r i trong ngành công nghiệp tự động hóa đặc biệt là trong các hệ thống nhà thông minh Dưới đây là các ưu nhược điểm khi áp dụng ZigBee:

 Ưu điểm của ZigBee:

 Dễ dàng lắp đặt: Việc lắp đặt các thiết bị dùng ZigBee rất dễ dàng

 Kết nối internet: Bạn có thể dễ dàng điều khiển các thiết bị thông qua kết nối

Internet từ bất kỳ đâu trên thế giới Giúp điều khiển nhà thông minh dễ dàng hơn

 Tiết kiệm năng lượng: ZigBee tiêu tốn rất ít năng lượng cho nên sẽ giúp tiết kiệm

điện tối đa

 Khả năng mở rộng cực lớn: Các thiết bị cùng hệ thống sẽ có thể kết nối với nhau

tạo nên 1 vùng phủ sóng cực lớn, giúp các thiết bị nhà thông minh kết nối với nhau dễ dàng

 Tính bảo mật: Sử dụng m hóa AES-128 mang đến độ bảo mật cao

 Dễ dàng mở rộng: Zigbee có thể mở rộng tới 65.000 thiết bị trong cùng một hệ

thống

 Nhược điểm của ZigBee:

Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng ZigBee cũng có một số nhược điểm ví dụ như:

 Không thể phủ rộng hết toàn bộ nhà có diện tích quá rộng, chúng ta sẽ cần một

thiết bị hỗ trợ ZigBee Repeater để tăng độ phủ sóng

 Không xuyên tường mạnh được, nếu nhà nhiều phòng thì sẽ bị giảm tín hiệu

 ộ ổn định không bằng thiết bị đi dây Tuy nhiên đây cũng là nhược điểm chung

của tất cả các loại sóng khác

Khả năng truyền tín hiệu

21

Với công nghệ Zigbee, tín hiệu có thể truyền xa tối đa 75m tính từ trạm phát Dữ liệu sẽ được truyền theo gói, mỗi gói tối đa 128 bytes và cho phép tải xuống tối đa 104 bytes Tiêu chuẩn này hỗ trợ địa chỉ 64bit cũng như địa chỉ ngắn 16bit Loại địa chỉ 64bit chỉ xác đinh được mỗi thiết bị có cùng một địa chỉ IP duy nhất Khi mạng được thiết lập, những địa chỉ ngắn có thể được sử dụng và cho phép hơn 65000 nút được liên kết

Tiêu chuẩn Zigbee và liên minh Zigbee

Tiêu chuẩn của Zigbee được bảo trợ bởi một nhóm liên minh Zigbee Liên mình này có hơn 150 thành viên và một trong số đó có ảnh hưởng không nhỏ tới quyết định tiêu chuẩn của Zigbee như là Ember, Honeywell, Invensys, Mitsubishi, Motorola, Philips, và Samsung Liên minh Zigbee có nhiệm vụ cân nhắc đến nhu cầu của người

sử dụng, nhà sản xuất và các nhà phát triển để có thể nâng cao tiêu chuẩn của Zigbee hơn

Các dải tần sóng hoạt động của Zigbee

Zigbee sẽ hoạt động ở một trong ba tầng sóng là:

 Dải 868 MHz cho khu vực Châu Âu và Nhật: Trong giải này chỉ có 1 kênh

kênh số 0) và tốc độ truyền khá thấp chỉ khoảng 20kb/s

 Dải 915MHz ở khu vực Bắc Mỹ: Có 10 kênh tín hiệu với dải từ 1-10 và tốc

độ khoảng 40kb/s

 Dải 2.4GHz sẽ ở các nước còn lại: Có tới 16 kênh tín hiệu từ 11-26 và tốc độ

truyền tải rất cao tới 250kb/s

Mô hình mạng Zigbee

Zigbee có ba dạng hình được hỗ trợ là dạng hình sao, dạng hình lưới và dạng hình cây Mỗi dạng đều có ưu nhược điểm riêng của mình và sẽ được sử dụng tùy vào trường hợp khác nhau

Dạng hình cây

22

Hình 1.10 Sơ đồ mạng lưới của sóng Zigbee

 Với dạng hình sao (Star network): các nút con sẽ liên kết với nút chủ ở vị trí

trung tâm

 Với dạng hình lưới (Mesh network): Mạng này có độ tin cậy cao, mỗi nút trong

mạng lưới đều có khả năng liên kết với các nút khác, cho phép tín hiệu truyền liên tục trong mạng và bền vững Nếu có sự cản trở thì hệ thống sẽ tự nhảy sang nút khác

 Với dạng hình cây (Cluster network): Là một bản mở rộng của hình lưới và có

 Ưu điểm của Z-Wave:

 Quá trình giao tiếp tin cậy và an toàn

 Cài đặt thiết bị đơn giản

 Tiêu thụ ít điện năng

 Có thể điều khiển từ xa hoặc cục bộ

 Nhược điểm của Z-Wave:

 Chỉ hỗ trợ 232 nút, ít hơn đáng kể so với 65.000 nút được hỗ trợ bởi giao thức

Zigbee

23

 Tương đối chậm, chỉ hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên đến 100Kb/giây

 Khoảng cách truyền tín hiệu khoảng 30m

1.3.5 Giao thức Wifi

Wifi là viết tắt của Wireless Fidelity là hệ thống truy cập internet không dây

Loại sóng vô tuyến này tương tự như sóng điện thoại, truyền hình và radio Wifi là công cụ kết nối không thể thiếu trên điện thoại, laptop, máy tính bảng và một số thiết

bị thông minh khác như Smartwatch

Nguyên tắc hoạt động của mạng Wifi

ể tạo được kết nối Wifi nhất thiết phải có Router (bộ thu phát), Router này

lấy thông tin từ mạng Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển nó sang tín hiệu vô

tuyến và gửi đi, bộ chuyển tín hiệu không dây (adapter) trên các thiết bị di động thu

nhận tín hiệu này rồi giải m nó sang những dữ liệu cần thiết Quá trình này có thể thực hiện ngược lại, Router nhận tín hiệu vô tuyến từ Adapter và giải m chúng rồi gởi qua Internet

Hình 1.11 Minh họa thu phát tín hiệu Wifi

Một số chuẩn kết nối Wifi hiện nay

 Chuẩn 802.11b

Vào tháng 7/1999, chuẩn IEEE 802.11b ra đời và hỗ trợ tốc độ lên đến 11 Mbps Chuẩn này cũng hoạt động tại băng tần 2.4 GHz nên cũng rất dễ bị nhiễu từ các thiết bị điện tử khác

 Chuẩn 802.11a

Song song với quá trình hình thành chuẩn b, chuẩn IEEE 802.11a phát ở tần số cao hơn là 5 GHz nhằm tránh bị nhiễu từ các thiết bị khác Tốc độ xử lý của chuẩn đạt 54M bps tuy nhiên chuẩn này khó xuyên qua các vách tường và giá cả của nó hơi cao

 Chuẩn 802.11g

Chuẩn IEEE 802.11g có phần hơn so với chuẩn b, tuy nhiên nó cũng hoạt động ở tần

số 2.4 GHz nên vẫn dễ nhiễu Chuẩn này có thể xử lý tốc độ lên tới 54 Mbps

 Chuẩn 802.11n

Ra mắt năm 2009 và là chuẩn phổ biến nhất hiện nay nhờ sự vượt trội hơn so với chuẩn b và g Chuẩn kết nối IEEE 802.11n hỗ trợ tốc độ tối đa lên đến 300Mbps, có thể hoạt động trên cả băng tần 2.4 GHz và 5 GHz Chuẩn kết nối này đ và đang dần thay thế chuẩn IEEE 802.11g với, phạm vi phát sóng lớn hơn, tốc độ cao hơn và giá hợp lý

25

 Chuẩn 802.11ac

Là chuẩn được IEEE giới thiệu vào đầu năm 2013, hoạt động ở băng tầng 5 GHz Chuẩn ac có thể mang đến cho người dùng trải nghiệm tốc độ cao nhất lên đến 1730 Mpbs Do vấn đề giá thành cao nên các thiết bị phát tín hiệu cho chuẩn này chưa phổ biến dẫn đến các thiết bị này sẽ bị hạn chế sự tối ưu do thiết bị phát

 Chuẩn 802.11ad

ược giới thiệu năm 2014, chuẩn wifi IEEE 802.11ad được hỗ trợ băng thông lên đến

70 Gbps và hoạt động ở dải tần 60GHz Nhược điểm của chuẩn này là sóng tín hiệu khó có thể xuyên qua các bức tường, đồng nghĩa với việc chỉ cần Router khuất khỏi tầm mắt, thiết bị sẽ không còn kết nối tới Wifi được nữa

 Chuẩn 802.11ax

Wi-Fi 6 là bản cập nhật mới nhất cho chuẩn mạng không dây Wi-Fi 6 dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.11ax, với tốc độ nhanh hơn, dung lượng lớn hơn và hiệu suất năng lượng được cải thiện tốt hơn so với các kết nối không dây trước đây Tên gọi mới Wifi

6 này sẽ chính thức được áp dụng từ năm 2019

Tất cả các chuẩn WiFi trên Việt Nam đều có sử dụng Tuy nhiên, hai chuẩn phổ

biến nhất hiện nay là IEEE 802.11g và IEEE 802.11n và được sử dụng nhiều nhất

vẫn là IEEE 802.11n, hoạt động ở 2 dải tần 2.4 GHz và 5 GHz.

Hình 1.13 Phạm vi hoạt động của các chuẩn Wifi phổ biến hiện nay

26

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ VI ĐIỀU KHIỂN THÔNG DỤNG CHO

BÀI TOÁN NHÀ THÔNG MINH 2.1 HỌ VI ĐIỀU KHIỂN PIC

2.1.1 Giới thiệu về vi điều khiển PIC

Vi điều khiển viết tắt là Micro- Controller là mạch tích hợp trên một chip có thể lập trình được, dùng để điều khiển các hệ thống Theo yêu cầu của người lập trình bộ

vi điều khiển có thể thực hiện đọc, ghi, lưu trữ dữ liệu, xử lý thông tin thực hiện đóng

mở một cơ cấu nào đó trong hệ thống

Trong các thiết bị điện tử bộ vi điều khiển có mặt trong các thiết bị: ti vi, tủ lạnh, máy giặt, đầu đọc lase, điện thoại… Trong các hệ thống sản xuất tự động, bộ vi điều khiển có mặt trong các bài toán điều khiển cánh tay Robot, các hệ thống đo lường giám sát…

Một trong các loại vi điều khiển có thể kể đến là họ vi điều khiển PIC, PIC là chữ viết tắt của “Programmable Intelligent Computer” là sản phẩm của h ng General Instrument đặt cho dòng sản phẩm đầu tiên của họ là PIC 1650 Thời điểm đó PIC dùng để giao tiếp với thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16 bit CP1600, vì vậy người ta gọi PIC với tên là “Peripheral Interface Controller”, tức là bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi Ngày nay có rất nhiều dòng PIC được sản xuất với hàng loạt module ngoại vi được tích hợp sẵn như: PWM, ADC, USART…với bộ nhớ chương trình từ 512 word đến 32k word

Các kí hiệu của vi điều khiển PIC:

 PIC 12xxxx: độ dài lệnh 12 bit

 PIC 16xxxx: độ dài lệnh 16 bit

 PIC 18xxxx: độ dài lệnh 18 bit

C là loại PIC có bộ nhớ EFROM chỉ có 16C84 là EFPROM)

F là loại PIC có bộ nhớ FLASH

LF là loại PIC có bộ nhớ FLASH hoạt động ở điện áp thấp

Ngoài ra còn có một số vi điều khiển có kí hiệu xxFxxx là EFPROM, nếu có thêm chữ

A ở cuối là FLASH, ví dụ như: PIC16F877 là loại EFPROM, PIC16F877A là loại FLASH Ngoài ra còn có một dòng vi điều khiển PIC mới là dsPIC Ở Việt Nam phổ biến nhất là các họ vi điều khiển PIC do h ng Microchip sản xuất

Tùy thuộc vào các ứng dụng thực tế mà lựa chọn loại vi điều khiển PIC cho phù hợp, trước hết cần chú ý đến số chân của PIC cần dùng cho bài toán ứng dụng là bao

27

nhiêu Có nhiều vi điều khiển PIC với số lượng chân khác nhau, thậm chí có vi điều khiển chỉ có 8 chân, ngoài ra còn có các loại có 28, 40, 44…chân Ngoài ra cũng nên chọn loại vi điều khiển PIC có bộ nhớ FLASH để có thể nạp xóa chương trình được nhiều lần Tiếp theo cần chú ý đến khối chức năng được tích hợp sẵn trên vi điều khiển, các chuẩn giao tiếp bên trong Cuối cùng cần quan tâm đến bộ nhớ chương trình

mà vi điều khiển cho phép Trong giáo trình này tập trung tìm hiểu chính về vi điều khiển PIC 16F877A

2.1.2 Vi điều khiển PIC 16F877A

Vi điều khiển PIC 16F877A là loại vi điều khiển 16 bit tầm trung của h ng Microchip, là loại vi điều khiển có kiến trúc Havard, sử dụng tập lệnh kiểu RISC Reduced Instruction Set Computer) với chỉ 35 lệnh cơ bản, tất cả các lệnh được thực hiện trong một chu kỳ lệnh trừ các lệnh rẽ nhánh

Hình 2.1 Hình ảnh vi điều khiển PIC 16F877A

+ RA0: xuất/ nhập tín hiệu số

+ AN0: ngõ vào tương tự của kênh 0

 Chân RA1/AN1 (3):

+ RA1: xuất/ nhập tín hiệu số

+ AN1: ngõ vào tương tự của kênh 1

 Chân RA2/AN2/VREF-/CVREF (4):

+ RA2: xuất/ nhập tín hiệu số

+ AN2: ngõ vào tương tự của kênh 2

+ VREF-: ngõ vào điện áp chuẩn (thấp) của bộ A/D

+ CVREF: điện áp tham chiếu VREF ngõ ra của bộ so sánh

 Chân RA3/AN3/VREF+ (5):

+ RA3: xuất/ nhập tín hiệu số

+ AN3: ngõ vào tương tự của kênh 3

+ VREF+: ngõ vào điện áp chuẩn (cao) của bộ A/D

 Chân RA4/TOCKI/C1OUT (6):

+ RA4: xuất/ nhập tín hiệu số

+ TOCKI: ngõ vào xung clock bên ngoài cho Timer0

+ C1OUT: ngõ ra bộ so sánh 1

 Chân RA5/AN4/SS/C2OUT (7):

+ RA5: xuất/ nhập tín hiệu số

+ AN4: ngõ vào tương tự của kênh 4

+ SS: ngõ vào lựa chọn SPI phụ

+ C2OUT: ngõ ra bộ so sánh 2

 Chân RE0/RD/AN5 (8):

+ RA0: xuất/ nhập tín hiệu số

+ RD: điều khiển đọc Port tớ song song

+ AN5: ngõ vào tương tự của kênh 5

 Chân RE1/WR/AN6 (9):

+ RE1: xuất/ nhập tín hiệu số

+ RW: điều khiển ghi Port tớ song song

+ AN6: ngõ vào tương tự của kênh 6

 Chân RE2/CS/AN7 (9):

+ RE2: xuất/ nhập tín hiệu số

29

+ CS: chip chọn lựa điều khiển Port tớ song song

+ AN7: ngõ vào tương tự của kênh 7

 Chân VDD (11, 32): chân nguồn +5V cấp cho vi điều khiển

 Chân VSS (12, 31): chân nguồn 0V cấp cho vi điều khiển

 Chân OSC1/CLKI (13): là ngõ vào kết nối với dao động thạch anh hoặc ngõ vào

nhận xung clock từ bên ngoài

+ OSC1: ngõ vào dao động thạch anh

+ CLKI: ngõ vào nguồn xung bên ngoài

 Chân OSC2/CLKO (14): là ngõ ra dao động thạch anh hoặc ngõ ra cấp xung

clock

+ OSC2: ngõ ra dao động thạch anh

+ CLKO: ngõ ra cấp xung clock

 Chân RC0/T1OCO/T1CKI (15):

+ RC0: xuất/ nhập tín hiệu số

+ T1OSO: ngõ rabộ dao động Timer1

+ T1CKI: ngõ vào xung clock bên ngoài Timer1

 Chân RC1/T1OSI/CCP2 (16):

+ RC1: xuất/ nhập tín hiệu số

+ T1OSI: ngõ vào bộ dao động Timer1

+CCP2: ngõ vào Capture2, ngõ ra Compare2, ngõ ra PWM2

+ SCK: ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ngõ ra của chế độ SPI

+ SCL: ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ngõ ra của chế độ I2C

 Chân RC4/SDI/SDA (23):

+ RC4: xuất/ nhập tín hiệu số

30

+ SDI: chân dữ liệu vào SPI

+ SDA: xuất/nhập dữ liệu I2C

+ TX: chân truyền dữ liệu không đồng bộ USART

+ CK: chân xung nhịp truyền thông đồng bộ USART

 Chân RC7/RX/DT (26):

+ RC7: xuất/ nhập tín hiệu số

+ RX: chân nhận dữ liệu không đồng bộ USART

+ DT: chân dữ liệu truyền thông đồng bộ USART

 Chân RB0/INT (33):

+ RB0: xuất/ nhập tín hiệu số

+ INT: ngõ vào nhận tín hiệu ngắt ngoài

 Chân RB1 (34); RB2 (35); RB4 (37), RB5 (38): xuất/ nhập tín hiệu số

+ PGD: chân dữ liệu khi lập trình ICSP và gỡ rối mạch

2.1.3 Trình dịch CCS cho vi điều khiển PIC 16F877A

CCS là trình biên dịch dùng ngôn ngữ C lập trình cho vi điều khiển ây là ngôn ngữ lập trình bậc cao, giúp người sử dụng lập trình nhanh và thuận lợi hơn so với sử dụng ngôn ngữ Assembly

CCS chứa rất nhiều hàm chức năng phục vụ cho các bài toán và có rất nhiều giải pháp lập trình khác nhau cho cùng một vấn đề đặt ra với tốc độ thực thi và độ dài chương trình khác nhau Sự tối ưu là do kĩ năng lập trình của mỗi người sử dụng Dưới đây sẽ trình bày một số cú pháp, câu lệnh và kiểu dữ liệu thông dụng để lập trình cho vi điều khiển trong bài toán nhà thông minh sử dụng ở các chương tiếp theo

VD: #include<16F877A.H> // khai báo viết chương trình cho vi điều khiển PIC16F877A

2) #define:

- Cú pháp: #define Name Text

Name: tên biến

Text : chuỗi hay số

VD : #Define A 1234 // định nghĩa cho biến A có giá trị 1234

3) #bit:

- Cú pháp: bit Name = X.Y

Name: tên biến

X: biến C 8,16,32…bit) hay hằng số địa chỉ thanh ghi

Y: vị trí của bit trong X

- Cú pháp: #use delay(clock = Speed)

Speed: tốc độ dao động của thạch anh

Có chỉ thị này chúng ta mới dùng được hàm delay_ms hoặc delay_us

VD: #use delay(clock = 2000000);

 Các hàm trễ (delay)

1) delay_ms(Time)

Thiết lập mức 0v low) hoặc 5v high) cho các chân của PIC

VD : output_low(pin_D0) ; // đưa chân D0 về mức 0 0v)

output_high(pin_C1) ; // đưa chân C1 lên mức 1 (5v)

2) Output_bit(Pin,value)

Pin: tên chân của PIC

Value: giá trị 0 hay 1

VD: output_bit(pin_C0,1);

3) Output_X(value)

X: tên các port trên vi điều khiển PIC

Value: giá trị 1 byte

VD: output_B(255);// đưa các chân từ B0 đến B7 lên mức 1

4) Input_X( )

X: tên các port trên trên vi điều khiển PIC

Hàm này trả giá trị 8 bit là giá trị hiện hữu của port đó

VD: n = input_A( );

5) Set_tris_X(value)

X: tên chân (A – E)

Value: là giá trị 8 bit điều khiển vào ra cho các chân của PIC

1: nhập dữ liệu; 0: xuất dữ liệu

VD: set_tris_B 0); // tất cả các chân của portB là ngõ ra

set_tris_A(0xf0); // định cấu hình cho port A là 1111 0000 có nghĩa là từ chân A7 – A4 là tín hiệu đi vào vi điều khiển, từ chân A3 – A0 là tín hiệu đi ra vi điều khiển

+INT_RB: có thay đổi 1 trong các chân RB4 RB7

+INT_EXT: ngắt ngoài trên chân RB0

Chú ý: sau khi có khai báo trên thì để vào chương trình ngắt cần khai báo

Dùng trước hết để thiết lập chế độ hoạt động hay vô hiệu hoá tính năng CCP

x: tên chân CCP trên chip với PIC 16F877A đó là các chân RC1-CCP2 ; RC2-CCP1) Mode: CCP_PWM bật chế độ PWM)

SET_CCPx_DUTY(value)

x: tên chân CCP trên chip

Value: giá trị 8 hay 16 bit

- Chỉ ghi 10 bit giá trị vào thanh ghi CCPx, nếu value chỉ có 8 bit thì sẽ được dịch thêm 2 bit nữa để đủ 10 bit nạp vào CCPx Tuỳ độ phân giả mà giá trị của value không phải lúc nào cũng đạt tới giá trị 1023

 Truyền thông RS232 I/O

 #use rs232

#use rs232(baud=9600,parity=N,xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7,bits=8)

Baud: tốc độ truyền thông giữa PIC và PC

34

Xmit: chân phát tín hiệu

Rcv: chân nhận tín hiệu

 Hàm getch(): hàm nhận 1 ký tự từ bộ đệm nhận dữ liệu ngõ vào cổng truyền thông

Ví dụ: a = getch ); // biến a sẽ chứa ký tự được đọc vào từ bộ đệm

 Hàm putch(): hàm đưa ra 1 ký tự ra bộ đệm dữ liệu ngõ ra cổng truyền thông

Ví dụ: putch a); // biến a sẽ được gửi đi

 Các lệnh cơ bản lập trình PIC

 Lệnh if/else

+ Lệnh “if”: lệnh này chỉ thực hiện lệnh trong dấu ngoặc nhọn khi điều kiện đúng, nếu

không sẽ kết thúc chuyển sang lệnh tiếp theo

Hình 2.3 Lưu đồ thuật toán lệnh “If”

+ Lệnh “if/else”: lệnh này kiểm tra điều kiện có đúng không, nếu đúng thực hiện 1 và

kết thúc, nếu sai chạy tiếp chương trình thực hiện 2 và kết thúc

Hình 2.4 Lưu đồ thuật toán lệnh “If/else”

35

+ Lệnh “if/else if”: lệnh này kiểm tra điều kiện 1có đúng không, nếu đúng thì thực

hiện 1 sau đó kết thúc lệnh, nếu sai tiếp tục kiểm tra điều kiện 2 có đúng không, nếu đúng thực hiện 2 sau đó kết thúc Còn nếu cả hai điều kiện đều không đúng thì kết thúc

và không thực hiện gì

Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán lệnh “If/else if”

 Lệnh lặp While(): lệnh while thực hiện theo chiều đúng, nếu chương trình không có

điều kiện sai thì sẽ không có END xảy ra lúc đó được gọi là vòng lặp tuần hoàn thường sử dụng là while(1) hoặc while(true)

Hình 2.6 Lưu đồ thuật toán vòng lặp“While”

 Lệnh lặp Do While(): lệnh Do while là thực hiện trước rồi kiểm tra điều kiện sau,

nếu đúng thì quay lại thực hiện tiếp vòng lặp đến khi điều kiện sai thì kết thúc chương trình

36

Hình 2.7 Lưu đồ thuật toán vòng lặp“Do While”

 Các kiểu dữ liệu lập trình cho PIC

Có 4 cách khai báo cho dữ liệu:

+ int1 a; // biến a là kiểu dữ liệu 1 bit chỉ có hai giá trị 0 hoặc 1

+ signed int8 b; // biến b là kiểu số nguyên 8 bit có dấu

+ Unsigned int8 c; // biến c là kiểu số nguyên 8 bit không dấu

+ float d; // biến d là kiểu số số thực có dấu và chỉ lấy được 2 số thập phân sau dấu

Toán tử logic !, &&, ||) Sử dụng so sánh cho các cổng logic khi có nhiều

điều kiện một lúc

Toán tử xử lý bit (&, |, ^, ~, <<, >>) Tính toán logic số học và dịch dữ liệu

37

2.2 Tổng quan về Arduino

2.2.1 Giới thiệu về Arduino

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau và với các thiết bị ngoại vi trong một môi trường thuận lợi, giúp người sử dụng

dễ tiếp cận cả về thiết bị phần cứng lẫn phần mềm lập trình Phần cứng bao gồm board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lí AVR Atmel 8 bit hoặc ARM Atmel 32 bit Các module hiện nay của Arduino được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O digital tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau

Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip mega AVR, đặc biệt là ATmega168, ATmega328, ATmega1280 và Atmega2560 Tuy nhiên tất cả có một điểm chung là tất cả các bo mạch của Arduino đều có thể lập trình thông qua phần mềm Arduino IDE

Dưới đây là danh sách các mạch Arduino khác nhau hiện có trên thị trường:

 Các bo mạch sử dụng vi điều khiển ATMEGA328

trình Arduino

USB qua ATMega16U2

trình Arduino

trình Arduino

Mega

2560 R3

39

2.2.2 Tìm hiểu về Arduino Uno R3

Arduino Uno R3 là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một nền tảng điện tử m nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P

Phiên bản hiện tại của Arduino Uno R3 đi kèm với giao diện USB, 6 chân đầu vào analog, 14 cổng kỹ thuật số I / O được sử dụng để kết nối với các mạch điện tử, thiết bị bên ngoài Trong số 14 cổng I / O có 6 chân đầu ra xung PWM cho phép các nhà thiết kế kiểm soát và điều khiển các thiết bị mạch điện tử ngoại vi một cách trực quan

Hình 2.8 Hình ảnh Arduino Uno R3

Arduino Uno R3 được kết nối trực tiếp với máy tính thông qua USB để giao tiếp với phần mềm lập trình IDE, tương thích với Windows, MAC hoặc Linux Systems, tuy nhiên, Windows thích hợp hơn để sử dụng Các ngôn ngữ lập trình như C và C ++

được sử dụng trong IDE

 Sơ đồ chân của Arduino Uno

♦ Digital: Các chân I/O digital chân số 2 – 13 ) được sử dụng làm chân nhập,

xuất tín hiệu số thông qua các hàm chính: pinMode(), digitalWrite(), digitalRead()

iện áp hoạt động là 5V, dòng điện qua các chân này ở chế độ bình thường là 20mA, cấp dòng quá 40mA sẽ phá hỏng vi điều khiển

♦ Analog : có 6 chân Input analog (A0 – A5), độ phân giải mỗi chân là 10 bit 0

– 1023 ) Các chân này dùng để đọc tín hiệu điện áp 0 – 5V mặc định) tương ứng với

1024 giá trị, sử dụng hàm: analogRead()