Nghiên cứu và xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển tòa nhà trên nền tảng iPhone, iPad

Luận văn thạc sĩ về tự động hóa, nghiên cứu hệ thống giám sát và điều khiển tòa nhà trên nền tảng iPhone, iPad hiệu quả và hiện đại.

• Tác giả: Huỳnh Trung Cang
• Người hướng dẫn: TS. Trương Đình Châu
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Hệ Thống Giám Sát Và Điều Khiển Tòa Nhà Trên iPhone Và iPad
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đề tài

Hệ thống giám sát và điều khiển tòa nhà trên nền tảng iOS là một giải pháp hiện đại nhằm nâng cao hiệu quả quản lý và tiết kiệm năng lượng trong các tòa nhà. Theo nghiên cứu, từ những năm 1970, các hệ thống tự động hóa đã xuất hiện, bao gồm giám sát tòa nhà, điều khiển tòa nhà và quản lý tòa nhà. Những hệ thống này đã giúp đơn giản hóa việc quản lý và tối ưu hóa chi phí vận hành. Đặc biệt, trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng hiện nay, việc phát triển các giải pháp tiết kiệm năng lượng và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng trở nên cấp thiết. Hệ thống giám sát tòa nhà thông minh không chỉ giúp người dùng theo dõi tiêu thụ năng lượng mà còn cho phép điều chỉnh hệ thống từ xa thông qua các thiết bị di động như iPhone và iPad. Các giải pháp này cũng đã được áp dụng thành công tại Việt Nam, mặc dù còn nhiều thách thức trong việc triển khai rộng rãi.

1.1. Các công trình liên quan

Nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện để phát triển các hệ thống quản lý tòa nhà thông minh. Một trong những ví dụ điển hình là hệ thống Wiser của Schneider Electric, cho phép người dùng giám sát và điều khiển tiêu thụ năng lượng thông qua ứng dụng di động. Hệ thống này sử dụng công nghệ kết nối không dây, giúp người dùng dễ dàng quản lý thiết bị từ xa. Ngoài ra, GE Nucleus cũng cung cấp giải pháp tương tự, cho phép theo dõi điện năng tiêu thụ và tính toán chi phí sử dụng. Các nghiên cứu này cho thấy sự phát triển của công nghệ IoT trong việc quản lý năng lượng tòa nhà, đồng thời chỉ ra rằng việc tích hợp các ứng dụng trên iPhone và iPad là một xu hướng tất yếu.

II. Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát năng lượng tòa nhà

Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát năng lượng tòa nhà bao gồm nhiều thành phần quan trọng, từ thiết bị tự động hóa đến mạng lưới kết nối. Hệ thống sử dụng PLC (Programmable Logic Controller) làm bộ điều khiển trung tâm, cho phép giám sát tòa nhà một cách hiệu quả. Giao thức Modbus TCP/IP được áp dụng để đảm bảo việc truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị và ứng dụng trên nền tảng iOS. Hệ thống này không chỉ giúp quản lý năng lượng mà còn tăng cường hệ thống an ninh thông qua các cảm biến môi trường và thiết bị giám sát. Việc tích hợp ứng dụng iPhone và ứng dụng iPad vào hệ thống giúp người dùng dễ dàng theo dõi và điều chỉnh các thông số hoạt động từ xa, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong quản lý năng lượng.

2.1. Thiết bị và mạng tự động hóa

Hệ thống điều khiển giám sát năng lượng tòa nhà bao gồm nhiều thiết bị tự động hóa như cảm biến, bộ điều khiển và thiết bị kết nối mạng. Các thiết bị này được kết nối với nhau qua mạng LAN và sử dụng công nghệ IoT để truyền tải dữ liệu. Việc sử dụng cảm biến môi trường giúp theo dõi các thông số như nhiệt độ, độ ẩm và mức tiêu thụ năng lượng. Hệ thống cũng được thiết kế với khả năng mở rộng, cho phép người dùng dễ dàng thêm các thiết bị mới vào mạng lưới mà không cần thay đổi cấu trúc hiện tại. Điều này giúp tối ưu hóa quy trình quản lý và sử dụng năng lượng trong tòa nhà.

III. Lập trình truyền thông giữa ứng dụng trên iOS và PLC

Lập trình truyền thông giữa ứng dụng trên iOS và PLC là một phần quan trọng trong hệ thống giám sát và điều khiển tòa nhà. Việc sử dụng giao thức Modbus TCP/IP cho phép ứng dụng trên iOS gửi và nhận dữ liệu từ PLC một cách hiệu quả. Quá trình lập trình bao gồm việc thiết lập địa chỉ trong PLC, cấu hình giao thức Modbus và quản lý kết nối Socket giữa ứng dụng và PLC. Điều này đảm bảo rằng người dùng có thể theo dõi và điều chỉnh các thông số từ xa thông qua ứng dụng iPhone và ứng dụng iPad. Hệ thống cũng được thiết kế với tính năng bảo mật cao, giúp bảo vệ dữ liệu và ngăn chặn các truy cập trái phép.

3.1. Tính bảo mật của hệ thống

Tính bảo mật của hệ thống giám sát và điều khiển tòa nhà là một yếu tố quan trọng, đặc biệt khi dữ liệu nhạy cảm được truyền tải qua mạng. Hệ thống sử dụng các phương pháp mã hóa dữ liệu và xác thực người dùng để đảm bảo an toàn cho thông tin. Việc quản lý kết nối giữa ứng dụng và PLC cũng được thực hiện thông qua các giao thức bảo mật, giảm thiểu rủi ro từ các cuộc tấn công mạng. Điều này không chỉ giúp bảo vệ dữ liệu mà còn tạo niềm tin cho người dùng khi sử dụng các ứng dụng trên iPhone và iPad để quản lý năng lượng trong tòa nhà.

IV. Thiết kế giao diện Lập trình ứng dụng

Thiết kế giao diện và lập trình ứng dụng là bước cuối cùng trong việc xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển tòa nhà. Giao diện người dùng được thiết kế thân thiện, dễ sử dụng, cho phép người dùng nhanh chóng nắm bắt thông tin và thực hiện các thao tác điều khiển. Các tính năng như giám sát điện năng tiêu thụ, điều khiển hệ thống chiếu sáng, và quản lý đăng nhập được tích hợp vào ứng dụng. Việc lập trình các tính năng này không chỉ giúp người dùng dễ dàng theo dõi năng lượng tiêu thụ mà còn cho phép điều chỉnh các thiết bị từ xa một cách linh hoạt. Hệ thống cũng cung cấp lịch sử vận hành và cảnh báo khi có sự cố xảy ra, giúp người dùng chủ động hơn trong việc quản lý năng lượng.

4.1. Các ứng dụng hệ thống điều khiển giám sát năng lượng tòa nhà

Các ứng dụng trong hệ thống điều khiển giám sát năng lượng tòa nhà bao gồm nhiều chức năng thiết thực. Người dùng có thể theo dõi mức tiêu thụ điện năng theo thời gian thực, điều khiển hệ thống chiếu sáng và điều hòa từ xa. Ngoài ra, ứng dụng còn cung cấp các báo cáo chi tiết về tình trạng hoạt động của các thiết bị, giúp người dùng có cái nhìn tổng quan về mức tiêu thụ năng lượng. Việc tích hợp các tính năng này vào ứng dụng iPhone và ứng dụng iPad không chỉ mang lại sự tiện lợi mà còn giúp người dùng tiết kiệm chi phí năng lượng một cách hiệu quả.

V. Kết luận và hướng phát triển

Hệ thống giám sát và điều khiển tòa nhà trên nền tảng iOS đã cho thấy tính khả thi và hiệu quả trong việc quản lý năng lượng. Kết quả nghiên cứu đã đáp ứng được các yêu cầu đề ra, bao gồm việc kết nối và truyền thông giữa ứng dụng và PLC, thiết kế giao diện người dùng thân thiện, và lập trình các tính năng giám sát năng lượng. Hệ thống không chỉ giúp tiết kiệm chi phí cho người dùng mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường thông qua việc sử dụng năng lượng hiệu quả. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển hệ thống để cải thiện tính năng và mở rộng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

5.1. Hướng phát triển đề tài

Hướng phát triển đề tài có thể bao gồm việc mở rộng tính năng của hệ thống, tích hợp thêm các cảm biến thông minh và ứng dụng công nghệ AI để tối ưu hóa quản lý năng lượng. Ngoài ra, việc phát triển các giải pháp bảo mật mạnh mẽ hơn cũng cần được chú trọng để đảm bảo an toàn cho người dùng. Các nghiên cứu sâu hơn về việc kết nối với các hệ thống năng lượng tái tạo cũng sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc quản lý năng lượng bền vững. Điều này không chỉ mang lại lợi ích cho người dùng mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của xã hội.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trên thế giới, từ năm 1970, các hệ thống tự động hóa tòa nhà đã bắt đầu được ứng dụng thực tế như: “Building Management System” (BMS), “Building Automation System” (BAS), Intelligent City System” (ICS), Intelligent Factory System” (IFS). Với các hệ thống trên, vấn đề quản lý, điều hành một tòa nhà trở nên đơn giản, sử dụng hiệu quả, và tiết kiệm được nhiều chi phí. Trong những năm gần đây, nền khoa học công nghệ đã có nhiều bước tiến vượt bật trên nhiều lĩnh vực đã tạo điều kiện cho sự ra đời các giải pháp quản lý tòa nhà thông minh “Intelligent Building Management System” (iBMS). Giải pháp iBMS trang bị cho những toà nhà, nhà máy các hệ thống tự động 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, cho phép quản lý và giám sát toàn bộ các chức năng, kiểm soát hệ thống năng lượng của tòa nhà.

Trong bối cảnh thế giới đang phải đối mặt với khung hoảng năng lượng do nguồn năng lượng hóa thạch ít dần, năng lượng nguyên tử tiềm ẩn các nguy hiểm. Do đó, phát triển nguồn năng lượng sạch kết hợp các giải pháp quản lý, tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lượng là vấn đề đang nhận được nhiều sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu. Đối với Việt Nam, một mặt phải chịu tác động chung của tình hình thế giới, mặt khác nước ta là một nước phát triển, nhu cầu năng lượng phục vụ sản xuất cao trong khi ngành điện chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng điện. Chính vì vậy, giải pháp điều khiển giám sát năng lượng tòa nhà sẽ giúp cho người dùng kiểm soát, sử dụng có hiệu quả nguồn năng lượng và tiết kiệm chi phí cho cá nhân.

Mặt khác, giúp giải quyết bài toán tiết kiệm năng lượng của toàn xã hội và góp phần vào sự phát triển bền vững của xã hội. Hiện nay, một số giải pháp đi kèm với các sản phẩm phục vụ nhu cầu quản lý tòa nhà, điều khiển và giám sát năng lượng đã có mặt tại Việt Nam. Tuy nhiên, việc SVTH: HUỲNH TRUNG CANG Trang 6 GVHD: TS. TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU LUẬN VĂN THẠC SĨ triển khai và áp dụng rộng rãi còn gặp nhiều hạn chế: chi phí đầu tư ban đầu cho các hệ thống trên còn cao, các giải pháp mang tính độc quyền và phụ thuộc phần lớn vào nhà cung cấp, dịch vụ bảo trì còn hạn chế.

Do đó, các hệ thống điều khiển giám sát năng lượng tòa nhà cần đạt được các chỉ tiêu về lợi ích kinh tế cho mỗi gia đình và góp phần giải quyết bài toán tiết kiệm năng lượng của toàn xã hội. Hệ thống điều khiển giám sát năng lượng được xây dựng trên các thiết bị thông dụng với một cấu trúc mở đáp ứng được mọi nhu cầu người dùng và khả năng mở rộng không hạn chế. Đồng thời tích hợp ứng dụng trên các thiết bị di động sử dụng hệ điều hành riêng biệt nhằm tạo sự thuận tiện cho người dùng. Nắm bắt được xu hướng phát triển của xã hội, tính ứng dụng cao, mang lại những hiệu quả thiết thực cho người dùng và xã hội, “nghiên cứu và xây dựng hệ thống điều khiển giám sát năng lượng tòa nhà trên nền iOS” là một trong những đề tài cần được đầu tư nghiên cứu và phát triển.

Các công trình liên quan 1. Schneider Electric’s Wiser TM home management system Hệ thống quản lý tòa nhà Schneider Electric’s Wiser® là một giải pháp quản lý nhu cầu trực quan theo phương thức “plug – and – play” cho phép người dùng dễ dàng được lắp đặt cho những ngôi nhà mới hoặc hiện hữu. Giải pháp trên cho phép chủ nhân ngôi nhà có thể sử dụng hiệu quả các thiết bị điện với năng lượng tiết kiệm nhất. Không chỉ giải quyết được vấn đề tiết kiệm chi phí mà việc theo dõi, giải pháp Wiser EMS cho phép người dụng có thể giám sát điện năng tiêu thụ mọi lúc mọi nơi thông qua các thiết bị di động hoặc trên internet và có những điều chỉnh phù hợp.

Wiser EMS có khả năng tích hợp với hệ thống nạp năng lượng cho xe điện, hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời để hiển thị và quản lý những công nghệ năng lượng mới. Với ưu điểm, tất cả các thành phần trong hệ thống được kết nối không dây sử dụng công nghệ ZigBee tạo thuận lợi cho việc quản lý và điều khiển từ xa. SVTH: HUỲNH TRUNG CANG Trang 7 GVHD: TS. TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 1.1: Schneider Electric’s Wiser® home management system [13] Hệ thống Wiser EMS bao gồm: - Cổng thông tin truy cập từ Web và ứng dụng trên các thiết bị di động.

- Wiser Smart Thermostart: Quản lý hệ thống điều hòa. - Wiser In-Home Display: Trung tâm điều khiển và bảng dữ liệu cho phép người dùng giao tiếp thời gian thực với hệ thống. - Wiser Load Control: Hệ thống điều khiển tải được sử dụng để kiểm soát và điều khiển hệ thống HVAC, hệ thống nhiệt, hệ thống bơm, và các mạch điện cấp nguồn khác. GE Nucleus home manager GE Nucleus là một trong những sản phầm của hãng General Electric được thiết kế phục vụ cho lĩnh vực quản lý tòa nhà theo công nghệ Brillion.

GE Nucleus được thiết kế như một thiết bị lưu trữ đa năng tích hợp với đồng hồ thông minh. Thiết bị quản lý ngôi nhà GE Nucleus hoạt động như một thiết bị dữ liệu trung tâm cho phép hiển thị điện năng tiêu thụ của toàn ngôi nhà. Các thông số về hệ thống điện, tổng năng lượng tiêu thụ được thu thập gần thời gian thực (dữ liệu cập nhật và hiển thị với chu kỳ 15s) đồng thời tính toán chi phí tiêu thụ. Biểu đồ năng lượng được hiển thị trên các biểu đồ với thời gian lưu trữ đến 3 năm, dữ liệu được đồng bộ và cho phép hiển thị trên máy tính cũng như các thiết bị di động, điện thoại thông minh.

SVTH: HUỲNH TRUNG CANG Trang 8 GVHD: TS. TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU LUẬN VĂN THẠC SĨ GE Nucleus được hỗ trợ kết nối với các hệ thống quản lý nhiệt, hệ thống chiếu sáng, điều hòa với nhiều ứng dụng khác trong tòa nhà.2: Nucleus with Brillion Technology Product [1] Một vài thông số kỹ thuật về khả năng kết nối của thiết bị: - Đèn chỉ thị: Kết nối Wifi, Mạng Zigbee kết nối với đồng hồ đo, Mạng Zigbee kết nối đến các thiết bị. - Thiết bị lưu trữ tích hợp trong thiết bị: thời gian 30 ngày với sự kiện 1 phút, 3 năm với sự kiện 1 giờ. - Tích hợp WiFi radio dùng cho mạng nội bộ - mạng LAN 802.11 - Tích hợp mạng Zigbee: Energy Network 1 (ZigBee® kết nối đến công tơ), Energy Network 2 (ZigBee kết nối tới thiết bị).

- Kết nối Ethernet: RJ45 connector, 1 Ethernet port for in-home LAN 802. IBM - Phần mềm quản lý tòa nhà thông minh Không đưa ra một giải pháp tổng thể từ phần cứng đến phần mềm, IBM chỉ tập trung phát triển và xây dựng phần mềm mới giúp cắt giảm chi phí năng lượng bằng cách điều chỉnh các bộ cảm biến trong những tòa nhà lớn và hạn chế các vấn đề về bảo trì. Theo thông tin công bố của tập đoàn IBM cho biết phần mềm Quản lý Tòa nhà Thông minh (Intelligent Building Management) được thiết kế để thu thập dữ liệu từ các bộ cảm biến và các hệ thống giám sát tòa nhà của các công ty bao gồm Johnson SVTH: HUỲNH TRUNG CANG Trang 9 GVHD: TS. TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU LUẬN VĂN THẠC SĨ Controls và Schneider Electric.

Một số tòa nhà lớn có 80.000 điểm dữ liệu mà phần mềm này có thể truy cập, tương đương với hàng triệu điểm dữ liệu mỗi tuần.3: Software Platform for Demand Response Elicitation [12] Phần mềm được thiết kế để giám sát “tất cả các van, bộ ổn nhiệt, công tắc đèn,” lưu lượng trên các hệ thống điều hòa nhiệt độ, hệ thống sưởi ấm và hệ thống cấp thoát nước. Theo IBM, công nghệ trên đã được ứng dụng thực tế tại trường Đại học kiến trúc Tulane ở New Orleans và Bảo tàng Nghệ thuật Metropolitan ở New York. Bảo tàng Nghệ thuật dùng phần mềm này để kiểm tra những điều kiện khí hậu ảnh hưởng tới các tác phẩm nghệ thuật về thời Trung cổ trưng bày tại đây. Asoka’s Home Energy Management Service™ Giải pháp quản lý toàn nhà Asoka’s HEMS bao gồm hai phần: các thiết bị Plugline Asoka và ứng dụng dựa trên công nghệ điện toán đám mây (Asoka’s cloud-base).

Thành phần thứ nhất (Plugline) sử dụng công nghệ truyền thông kết hợp trên đường dây cung cấp điện (PLC – Powerline communication) với chức năng chính: SVTH: HUỲNH TRUNG CANG Trang 10 GVHD: TS. TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU LUẬN VĂN THẠC SĨ - Tạo thành một mạng nội bộ tốc độ cao (HAN – High-speed home area network) sử dụng hệ thống đường dây điện hiện hữu của tòa nhà. Mở rộng phạm vi điều khiển thông qua các bộ Plugline có hỗ trợ wifi. - Điều khiển on-off, đo điện năng tiêu thụ của các thiết bị được kết nối và gửi dữ liệu lên server.

Thành phần thứ hai (Asoka’s cloud-based): được thiết kế trên công nghệ điện toán đám mây. Người dùng được cung cấp tài khoản để truy cập dịch vụ và thực hiện các tác vụ như xem điện năng tiêu thụ, đóng cắt các thiết bị trong ngôi nhà trên bất kỳ các máy tính được kết nối internet cũng như trên các thiết bị di động. Với những đặc điểm trên, việc lắp đặt được thực hiện rất đơn giản và nhanh chóng, không cần thiết bị điều khiển trung tâm (in-home gate). Hệ thống cho phép lắp đặt cho các thiết bị có đòng tiêu thụ dưới 10 amps.

Điện năng tiêu thụ được thu thập theo thời gian thực, cho phép đóng cắt các thiết bị theo lịch được định sẵn. Người dùng truy cập vào hệ thống thông qua giao diện web được thiết kế thân thiện với người dùng.4: The Asoka Home Energy Management [14] SVTH: HUỲNH TRUNG CANG Trang 11 GVHD: TS. TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU LUẬN VĂN THẠC SĨ 1. Các báo cáo nghiên cứu khoa học liên quan Tự động hóa tòa nhà, tòa nhà thông minh là những vấn đề đã và đang được nhiều nhà nghiên cứu cũng như các tập đoàn phát triển ứng dụng quan tâm, trong đó có đề cập đến chức năng quản lý năng lượng tòa nhà.Tuy nhiên, trong giai đoạn khủng hoảng nguồn năng lượng toàn cầu, hệ thống quản lý năng lượng tòa nhà đã có được nhiều công trình nghiên cứu chuyên biệt và ứng dụng vào thực tiễn.

Một số giải pháp, sản phẩm ứng dụng điển hình đã được tác giả tổng hợp và trình bày ở trên.