CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về ngôi nhà thông minh [1] Trong nhiều năm khoảng thế kỷ 19, ngôi nhà thông minh đã là một trong những nét đặt trưng trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng, nhưng nó đã dần trở thành hiện thực kể từ những năm đầu của thế kỷ 20 là khi các sản phẩm điện gia dụng được sản xuất hàng loạt và từ khi công nghệ thông tin bùng nổ mạnh mẽ [2, 3]. Các ý tưởng cho các hệ thống cho ngôi nhà tự động bắt nguồn từ Hội chợ thế giới vào những năm 1930 như hội chợ ở Chicago (1930), New York (1939)[4]. Năm 1966, Jim Sutherland, một kỹ sư làm việc cho Westinghouse Electric, đã phát triển hệ thống nhà tự động có tên gọi là “ECHO IV”, đây là dự án riêng của ông và không được thương mại hóa. Ngôi nhà đầu tiên “wired home” được xây dựng vào những năm 1960 bởi một người Mỹ có sở thích đặc biệt, nhưng nó bị giới hạn bởi công nghệ lúc bấy giờ.
Thuật ngữ “smart home” đã được đưa ra bởi Hiệp hội Nhà ở của Mỹ vào năm 1984 [3]. Ngày nay, ngôi nhà thông minh đã là khái niệm khá phổ biến. Ngôi nhà thông minh có thể hiểu là ngôi nhà sử dụng các thiết bị điện tử tự động hoàn toàn hoặc bán tự động thay thế con người trong việc quản lý, điều khiển các thiết bị có trong ngôi nhà. Đèn tự động bật sáng khi có người bước vào phòng, tự động sưởi ấm, đánh thức chủ nhà và trước đó đã pha sẵn cà phê, vòi nước tự động xả và ngắt, điều khiển hệ thống điện trong ngôi nhà từ xa, quản lý, và theo dõi được năng lượng tiêu thụ…đó là những tiện ích của ngôi nhà thông minh [5].
Trang 1 a) Tòa nhà năng lượng mặt trời - Dubai, b) Nhà máy nước ngọt hình bong bóng - Tây Ban Nha, c) Tòa nhà One & Ortakoy – Istanbul, d) Tháp nước ngọt chọc trời - Sudan Hình 1. Các tòa nhà thông minh nổi tiếng trên thế giới Tại Việt Nam hiện nay, không còn khó để nhìn thấy những tòa nhà sử dụng các thiết bị thông minh từ các trung tâm thương mại, các tòa nhà lớn đến các hộ gia đình. Một số tòa nhà thông minh nổi bật tại Việt Nam trong thời gian qua đó là Tòa nhà VTC online (Hai Bà Trưng, Hà Nội), Petro Vietnam Tower (Lê Duẩn – TpHCM) hay Bitexco Financial Tower (Quận 1 – TpHCM), Keangnam Hanoi Landmark Tower (Từ Liêm – Hà Nội). Các thiết bị và hệ thống cho tòa nhà thông minh hiện nay tại Việt Nam phần lớn là do các hãng nước ngoài cung cấp như Siemens (Đức), Schneider (Pháp), TAC (Mỹ), Nara controls (Hàn Quốc), Mitshubishi (Nhật) và chỉ có BKAV Smarthome là công ty Việt nam duy nhất sản xuất thiết bị này.
Tuy nhiên khoảng 50% các thiết bị này vẫn phần lớn hoạt Trang 2 động một cách độc lập, các bộ điều khiển không trao đổi thông tin với nhau, không có quản lý và giám sát chung [1]. Nếu có các hệ thống xử lý trung tâm thì hiện nay nó vẫn chưa đem lại tính đột phá, thiếu giao thức kết nối chung [3], kích thước vẫn còn cồng kềnh, giá thành đắt (từ vài chục đến vài trăm triệu), khả năng tương tác giữa người và hệ thống chưa linh hoạt, chi phí bảo trì cao, chưa có khả năng tự động phân biệt người dùng. Mô hình và hình ảnh thực tế của Raspberry Pi Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ của hệ thống nhúng, sự ra đời của các kít xử lý nhúng Linux với kích thước nhỏ gọn (bằng với thẻ tín dụng), giá thành rẻ, hiệu năng cao, tiết kiệm điện mà điển hình là kit Raspberry Pi (Hình 1.2) – phiên bản đầu tiên được thương mại hóa vào ngày 29/2/2012 với giá thành là 35USD cho phiên bản B [6], đã làm thay đổi cách nhìn về một trung tâm xử lý cho tòa nhà thông minh. Với Raspberry Pi, ta có thể dễ dàng thực hiện trung tâm xử lý theo nhiều phương pháp với các giao thức điều khiển như X10, Z-wave, Zigbee hay C-Bus [7] để có thể tương thích với các hệ thống cũ của các hãng khác.
Có thể tích hợp các công nghệ hiện đại như điện thoại IP, Email, SMS, nhận dạng giọng nói [7], nhận dạng vân tay, nhận dạng khuôn mặt, dễ dàng tích hợp thành hệ thống máy chủ lưu trữ dữ liệu như MySQL [8], MongoDB [9], REDIS [10].2 Mục đích của đề tài Như trình bày ở mục 1.1, các thiết bị sản xuất phục vụ cho ngôi nhà thông minh thường là ở dạng hoạt động độc lập sẽ khó khăn trong việc quản lý, còn đối với dự án cho các tòa nhà lớn sẽ có bộ quản lý tập trung (chẳn hạn như BMS, BACnet/EIB, LONMARK) sẽ được lợi về mặt quản lý, nhưng lại có giá thành rất cao so với hệ thống tương đương ở dạng điều khiển trực tiếp (thường đắt hơn ít nhất là 3 lần). Sở dĩ các hệ thống có bộ quản lý tập trung có giá thành cao như vậy là một mặt do cơ sở hạ tầng thiết bị tương thích với hệ thống có giá thành cao, mặt khác chi phí vận hành, bảo trì, bảo dưỡng cũng tốn một khoảng đáng kể. Do đó, nếu tính với hạn sử dụng là 10 năm thì sẽ không có lợi về tài chính và đầu tư. Chẳng hạn, hiện tại công ty GAMMA thực hiện thi công nhiều dự án hệ thống BMS cho các biệt thự, căn hộ cao cấp với chi phí từ 15.000$ tùy theo từng mức độ của công trình.
Vì lý do đó, nên mục tiêu đề tài của tôi đó chính là Xây dựng được bộ xử lý trung tâm cho tòa nhà thông minh sao cho chi phí thấp nhất về sản phẩm thiết bị cũng như về bảo trì bảo dưỡng mà vẫn đảm bảo các tiêu chí của một hệ thống tòa nhà thông minh.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài Mô hình tòa nhà thông minh có nhiều chức năng với nhiều mục đích khác nhau tùy theo nhu cầu sử dụng của chủ căn nhà. Các chức năng của một tòa nhà thông minh bao gồm như: an ninh (kiểm soát vào ra, báo cháy/báo trộm, rò rỉ gas…), điều hòa không khí, tiết kiệm năng lượng, hệ thống chiếu sáng, hệ thống bơm nước, hệ thống nghe nhìn, truyền thông đa phương tiện…. Tuy nhiên, với những tiêu chí đặt ra ở trên, dưới góc độ nghiên cứu, đồng thời đảm bảo thời gian hoàn thành luận văn, trong nhiệm vụ và giới hạn đề tài, tôi sẽ chỉ thực hiện một số chức năng đặc biệt như kiểm soát vào ra dùng công nghệ nhận dạng khuôn mặt (phân biệt và Trang 4 chứng thực người dùng) và ứng dụng kết hợp với lập trình điều khiển thiết bị trên nền web thời gian thực và tất cả được thực hiện trên kit Raspberry Pi.4 Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện đề tài này với nhiệm vụ đề ra, tôi cần kết hợp hai phương pháp sau: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp tài liệu, lựa chọn phương pháp trong xử lý ảnh. Nghiên cứu các thuật toán phát hiện khuôn mặt, nhận diện khuôn mặt có thể thực hiện trên hệ thống nhúng linux.
Nghiên cứu phương pháp xây dựng máy chủ web điều khiển thiết bị theo thời gian thực. Trên cơ sở lý thuyết, tiến hành phân tích đánh giá, và đưa ra giải pháp thích hợp cho việc thực thi trên hệ thống. Thực thi trên phần cứng Linux: tiến hành viết chương trình nhận diện khuôn mặt, điều khiển qua nền web, tương tác với người dùng trên hệ thống nhúng linux. Trang 5 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết về trung tâm xử lý cho tòa nhà thông minh 2.1 Mô hình tổng quan Tòa nhà thông minh liên quan đến việc xây dựng và tích hợp hệ thống với những công nghệ tiên tiến.
Các hệ thống này bao gồm việc tự động hóa tòa nhà, an ninh, an toàn, viễn thông, hệ thống người dùng (hệ thống nghe nhìn, truyền thông đa phương tiện) và các hệ thống quản lý cơ sở khác. Tòa nhà thông minh phản ánh những tiến bộ và sự hội tụ công nghệ. Nó cung cấp thông tin về hoạt động của tòa nhà hoặc không gian bên trong cho phép chủ tòa nhà hoặc người cư ngụ ở đó quản lý toàn bộ tòa nhà hoặc một vùng không gian nào đó. Với thiết kế và xây dựng theo kiểu truyền thống, thì tòa nhà được thiết kế, lắp đặt và vận hành theo từng hệ thống riêng biệt (Hình 2.
Với thiết kế như vậy sẽ làm tốn kém về chi phí và giá thành, hệ thống cồng kềnh và khó khăn trong việc quản lý. Với cách tiếp cận khác, thì toàn bộ sẽ được quản lý bằng một hệ thống trung tâm. Khi đó các thiết bị sẽ được điều khiển thông qua các giao thức kết nối chung (Hình 2. Tuy nhiên, mỗi thiết bị của mỗi hãng sản xuất có giao thức điều khiển riêng cho từng hãng [11], còn đối với những hệ thống có chuyển đổi giao thức thì giá thành đắt.
Đây cũng là yếu tố ảnh hưởng đến giá thành đầu tư và xây dựng tòa nhà thông minh. Hệ thống quản lý riêng lẻ của tòa nhà thông minh Trang 7 Hình 2. Hệ thống điều khiển tích hợp Trang 8 2.2 Một số chức năng cơ bản của tòa nhà thông minh 2.1 Hệ thống điều hòa không khí (HVAC) HVAC là hệ thống duy trì khí hậu trong một tòa nhà. Nói cách khác, hệ thống HVAC kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng không khí, và chất lượng không khí tổng thể của tòa nhà.
Một hệ thống HVAC cơ bản sẽ lấy không khí từ bên ngoài hòa trộn với không khí thoát ra từ hệ thống hay các bộ lọc không khí, rồi đưa nó thông qua một hệ thống sưởi hoặc làm mát đến một nhiệt độ cần thiết, sau đó phân phối không khí lại vào các khu khác nhau của một tòa nhà. Hệ thống HVAC không chỉ làm cho người sống trong tòa nhà cảm thấy thoải mái, mà nó còn chi phối một phần đáng kể trong việc sử dụng năng lượng và chi phí liên quan đến tòa nhà. Trong việc duy trì chất lượng không khí của tòa nhà, hệ thống HVAC phải đáp ứng một loạt các điều kiện bên trong và bên ngoài tòa nhà (bao gồm cả thời tiết, thời gian trong ngày và các loại không gian khác nhau bên trong một tòa nhà), trong khi đó nó vẫn đồng thời tối ưu hóa hoạt động và năng lượng sử dụng liên quan. Hệ thống HVAC cũng rất quan trọng trong trường hợp có hỏa hoạn.
Hệ thống HVAC trong tòa nhà thương mại và nhà ở là rất khác nhau.