CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH 1.1 Tổng quan về nhà thông minh dựa trên IoT Ngày nay, sự phổ biến rộng rãi của các thiết bị thông minh với cảm biến nhúng và giao diện không dây đã tạo điều kiện cho sự phát triển nhanh chóng của Internet of Things (IoT). IoT đóng một vai trò đáng kể trong việc cải thiện chất lượng cuộc sống và phát triển nền kinh tế thế giới. Nó tạo điều kiện cho kết nối toàn cầu qua các đối tượng vật lý trên toàn thế giới (ví dụ: cảm biến, điện thoại thông minh, xe cộ, thiết bị) để phục vụ mọi người theo cách cộng tác tự động và thông minh.
IoT giúp nhiều thứ khác nhau sẽ được kết nối và sẽ được kiểm soát trên Internet. Các lĩnh vực ứng dụng của IoT bao gồm nhà thông minh, chăm sóc sức khỏe thông minh, lưới điện thông minh, giao thông thông minh, thành phố thông minh, tự động hóa công nghiệp và giám sát. Trong số các ứng dụng IoT khác nhau, thiết kế của Nhà thông minh (Smart Home) đã thu hút sự chú ý lớn nhất vì nó liên quan nhiều hơn đến cuộc sống của con người. Một ngôi nhà thông minh có thể được định nghĩa theo nhiều cách.
Một định nghĩa nhà thông minh là ngôi nhà có hệ thống tự động bao gồm các cảm biến và bộ điều khiển thiết bị để cung cấp một hệ thống tiện nghi, thông minh và an toàn nhằm cải thiện chất lượng cuộc sống và kiểm soát các thiết bị gia dụng một cách dễ dàng, đặc biệt là đối với người già và người tàn tật. Hệ thống tự động hóa nhà thông minh như thể hiện trong Hình 1.1 có thể cung cấp giao diện giữa điện thoại thông minh hoặc máy tính cá nhân với thiết bị gia dụng, thông qua giao diện giao tiếp không dây Bluetooth và Wi-Fi.1 Một ví dụ cấu trúc nhà thông minh [1] Nhà thông minh là một thành phần chính của "Internet of Things", trong đó mọi thứ đều có địa chỉ IP được chỉ định, có thể được giám sát và truy cập từ xa, từ bất kỳ đâu vào bất kỳ lúc nào. Đó là cách mà các thiết bị gia dụng và các thiết bị khác được kết nối internet để kiểm soát tất cả các khía cạnh của ngôi nhà thông 1 download by : skknchat@gmail. Trong nhiều thập kỷ, các hệ thống nhà thông minh chỉ là chiếu sáng và điều khiển thiết bị đơn giản.
Gần đây, công nghệ đang cho phép kiểm soát hoàn toàn nhà thông minh từ bất kỳ đâu để ý tưởng về “thế giới kết nối” trở thành hiện thực. Ngôi nhà thông minh có thể điều khiển một thiết bị hoạt động như thế nào, tại sao và khi nào thiết bị sẽ hoạt động. Nó mang lại sự tiện lợi, dễ kiểm soát và tiết kiệm tiền. Hơn nữa, hệ thống nhà thông minh có thể cảnh báo người dùng về các sự việc có thể xảy ra khi họ đi vắng như rò rỉ nước, rò rỉ khí gas, hỏa hoạn và đột nhập trái phép vào nhà của họ.
Tại bất kỳ thời điểm nào, người dùng có thể thực hiện bất kỳ thay đổi nào trong cài đặt của hệ thống tự động hóa dựa trên yêu cầu và mong muốn của mình bằng cách sử dụng ứng dụng điện thoại Android hoặc thiết bị điều khiển khác thông qua Internet.2 Lợi ích của hệ thống nhà thông minh Một trong những lợi ích của hệ thống nhà thông minh là hệ thống điều khiển ánh sáng tiên tiến. Người sử dụng không phải bật hoặc tắt các thiết bị điện theo cách thủ công nữa. Ví dụ, khi người dùng bước vào phòng ngủ, có hai lựa chọn, hoặc đèn sẽ tự động bật và tắt sau khi người đó rời khỏi phòng hoặc người dùng có thể điều khiển việc bật/tắt từ ứng dụng bằng điện thoại thông minh của mình. Độ sáng của đèn cũng có thể được kiểm soát để giảm điện năng tiêu thụ.
Bên cạnh đó, người dùng có thể lựa chọn để điều chỉnh các điều kiện trong phòng dựa trên các chỉ số cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, v.) như điều khiển tốc độ của quạt từ ứng dụng di động hoặc tốc độ sẽ được tự động điều chỉnh dựa trên nhiệt độ phòng. Bằng cách này, hiệu quả sử dụng năng lượng có thể được cải thiện vì khi các thiết bị điện tự động bật hoặc dễ dàng tắt khi không sử dụng, điều này sẽ tiết kiệm năng lượng hơn và giảm chi phí điện. Ngoài ra, người dùng có thể điều khiển các thiết bị điện và theo dõi tình trạng ngôi nhà từ bất kỳ đâu bằng cách sử dụng điện thoại thông minh, máy tính bảng hoặc máy tính xách tay. Ví dụ, nếu người dùng quên tắt quạt hoặc các thiết bị khác và đã rời khỏi nhà, người dùng có thể tắt bằng thiết bị thông minh của mình.
Các cảm biến khói, carbon monoxide và cảm biến mức nước cũng có thể được lắp đặt để người dùng có thể biết được ngôi nhà của họ có bị ngập lụt hay không khí xung quanh có nguy hiểm hay không. Đối với hệ thống bảo mật, nếu có bất kỳ sự cố nào xảy ra, người dùng sẽ nhận được cảnh báo tại điện thoại của họ. Người dùng sẽ không phải lo lắng nếu có kẻ gian cố gắng lẻn vào nhà vì họ có thể giám sát từ điện thoại của mình bằng cách sử dụng cảm biến chuyển động và nếu phát hiện bất kỳ chuyển động nào, báo động sẽ được bật. Hệ thống an ninh là phần quan trọng nhất để giữ cho ngôi nhà của chúng ta an toàn trước những kẻ xâm nhập.
Tất cả các thành phần của ngôi nhà thông minh như thông gió, sưởi ấm, điều hòa không khí, hệ thống chiếu sáng tập trung, thiết bị tự động và hệ thống an ninh có thể mang lại sự thoải mái và an toàn trong cuộc sống hàng ngày.3 Hạn chế của các hệ thống nhà thông minh hiện nay Một trong những vấn đề chính của hầu hết các hệ thống nhà thông minh hiện tại 2 download by : skknchat@gmail.com là chi phí thực hiện và bảo trì của chúng không phù hợp với túi tiền của hầu hết người dùng. Hơn nữa, một số hệ thống hiện tại cung cấp chế độ theo dõi ngôi nhà từ trang web, điều này gây bất tiện cho người dùng, những người phải truy cập Web mỗi lần họ muốn kiểm soát hoặc xem tình trạng ngôi nhà của mình. Ngoài ra, một số hệ thống nhà thông minh thiếu giao diện thân thiện với người dùng để giám sát và điều khiển các thiết bị. Bên cạnh đó, có một số hạn chế trong các công nghệ truyền thông đã được sử dụng trong các hệ thống nhà thông minh hiện có.
Ví dụ, phạm vi giao tiếp của Bluetooth được giới hạn trong 10 mét. Nếu xa hơn 10 mét, kết nối sẽ bị mất và người dùng không thể điều khiển các thiết bị trong nhà. Hay ZigBee được thiết kế cho các khu vực mạng cá nhân không dây tốc độ thấp với tốc độ dữ liệu 250Kb/s, không đủ tốc độ dữ liệu. Một công nghệ truyền thông khác là “Global System for Mobile Communications” (hay còn gọi là mạng 2G, 3G, 4G) có thể truy cập ở mọi nơi trên thế giới nhưng chi phí cao và tốc độ truyền dữ liệu thấp và hạn chế về phạm vi phủ sóng đối với các vùng nông thôn.
Do đó, một hệ thống mới được đề xuất để khắc phục những hạn chế của hệ thống nhà thông minh hiện có là thiết kế và chế tạo hệ thống nhà thông minh dựa trên Wi-Fi cùng vi điều khiển Arduino. Hệ thống này tiết kiệm chi phí và cho tốc độ truyền dữ liệu cao. Hệ thống này phát triển để điều khiển tất cả các thiết bị điện tại nhà một cách dễ dàng và hiệu quả và cho phép điều khiển từ xa bằng cách kết hợp ứng dụng của IoT.4 Xu hướng phát triển nhà thông minh 1.1 Xu hướng phát triển nhà thông minh trên thế giới Đối với các ông lớn về công nghệ thì cuộc cánh mạng công nghệ 4.0 và công nghệ IoT được xem là cơ hội tỉ USD trên thị trường đầy tiềm năng này. Theo một thống kê của công ty nghiên cứu thị trường Statista thì vào năm 2020 giá trị thị trường của nhà thông minh (Smarthome) dự báo đạt tới 43 tỉ USD.
Con số này tăng gấp 3 lần so với năm 2014. Xu hướng nhà thông minh được dự báo như một trong những ứng dụng công nghệ một cách toàn diện nhất vào cuộc sống. Hiện nay là thị trường Smarthome lớn nhất thế giới là Bắc Mỹ. Với quy mô cũng như tính tiện nghi dành cho một ngôi nhà với 4 người, sẽ có thiết kế cơ bản với khả năng như: Cảnh báo đột nhập, cảnh báo khí gas, hệ thống cửa tự động, hệ thống camera an ninh, hệ thống giải trí… Dưới đây là ví dụ về một ngôi nhà thông minh của một số nhà sản xuất tại Mỹ và Châu Âu, với tiêu chuẩn từ cơ bản đến cao cấp dành cho một gia đình: 3 download by : skknchat@gmail.2 Mô hình Smart home của công ty Compro Technology [2] Hình 1.3 Mô hình Smart home của công ty IEI Integration [2] Hình 1.4 Mô hình Smart home Eco-Future-World [2] 1.2 Xu hướng phát triển nhà thông minh ở Việt Nam Tại Việt Nam, theo dự báo của Statista (Đức), thị trường smart home sẽ đạt doanh thu 225,3 triệu USD vào năm 2021 và 330,4 triệu USD vào năm 2022.
Tuy nhiên, trong báo cáo mới nhất, những số liệu này đã có sự thay đổi, vì những 4 download by : skknchat@gmail.com ảnh hưởng trực tiếp của đại dịch Covid-19. Cụ thể, doanh thu smart home tại thị trường Việt Nam được dự đoán đạt 183,9 triệu USD vào năm 2021 và 251 triệu USD vào năm 2022. Với tốc độ tăng trưởng 25%/năm trong giai đoạn 2021- 2025, dự kiến đến năm 2025, tổng doanh thu thị trường smart home Việt Nam đạt 449,1 triệu USD. Với khoảng 10,5% hộ gia đình trang bị smart home, Việt Nam trở thành thị trường smart home đứng thứ 28 trên toàn cầu.
Tại Việt Nam, không đứng ngoài dòng chảy công nghệ về nhà thông minh, đã có rất nhiều nhà sản xuất cũ và mới tham gia thị trường đầy tiềm năng này, dẫn đầu là BKAV, Lumi Smarthome và WESMART. Với đầy đủ các chức năng như các nhà sản xuất nước ngoài, lại thêm yếu tố phù hợp với riêng thị trường Việt Nam, hiện nay họ đang có một lợi thế không nhỏ so với các nhà sản xuất nước ngoài tại Việt Nam.5 Mô hình Smart home của BKAV [2] Hình 1.6 Mô hình Smart home của Lumi [2] 5 download by : skknchat@gmail.com CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ TỔNG QUAN MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH 2.1 Lựa chọn hướng thiết kế Nhà thông minh là một đề tài rộng và có nhiều vấn đề đặt ra.