IOT for energy efficiency

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN

MÔN HỌC: HỆ THỐNG QUẢN LÝ NHÀ THÔNG MINH
Đề tài: IOT for energy efficiency

G.v hướng dẫn: PGS.TS
Nhóm sinh viên thực hiện: (Nhóm 7)

HÀ NỘI 2022


LỜI MỞ ĐẦU
Với trọng tâm tồn cầu về tính bền vững và tác động đến môi trường, nhu cầu về
năng lượng tái tạo đang ngày càng tăng. Nhưng việc nắm bắt các nguồn năng lượng mới
đòi hỏi những khả năng mới từ các hệ thống quản lý việc sản xuất, phân phối và tiêu thụ.
Sự phát triển của Internet of Things (IoT) đã cách mạng hóa các hệ thống quản lý
năng lượng để sử dụng năng lượng thích hợp. IoT được coi là đóng vai trị nịng cốt trong
việc biến các hệ thống quản lý năng lượng này thông minh hơn trong tương lai sắp tới.
Mỗi thiết bị có thể được kết nối với một mạng và nhiều thông tin có thể được thu thập từ
các thiết bị được kết nối này.
Nhiều chuyên gia khuyến nghị các hệ thống giám sát thời gian thực dựa trên IoT
để mang lại việc sử dụng năng lượng tối ưu. Nhưng vấn đề quản lý năng lượng và sử
dụng năng lượng tối ưu còn nhiều khía cạnh hơn thế, nó cịn phụ thuộc vào ý thức con
người, quy trình, cũng như các chính sác năng lượng của quốc gia. Trong khuôn khổ bài
báo cáo nhóm đã đưa ra một vài phương pháp triển khai giám sát điện năng và lựa chọn
thiết bị cho tòa nhà để tối ưu năng lượng sử dụng đồng thời vẫn đảm bảo hiệu năng và
tiện nghi cho tòa nhà.
Với sự hướng dẫn nhiệt tình của Thầy thì chúng em đã tiếp thu được nhiều kiến
thức, thơng qua tìm hiểu và nghiên cứu chúng em đã đưa ra một số nhận định và mô
phỏng về Hệ thống tối ưu năng lượng cho Hệ thống nhà thông minh. Do hạn chế về kiến

thức nên báo cáo của chúng em có gì thiết sót mong thầy bỏ qua và đưa ra góp ý để
chúng em cải thiện trong thời gian tới.
Nhóm chúng em chân thành cảm ơn Thầy rất nhiều vì đã nhiệt tình hướng dẫn chúng em!
Báo cáo của chúng em gồm 7 Chương, được liệt kế dưới đây như sau:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IBMS VÀ IOT
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PMS
CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG
CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO TÒA NHÀ THÔNG MINH
CHƯƠNG 5: PHẦN MỀM QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG
CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG
CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU.................................................................................................................................................................2
MỤC LỤC.......................................................................................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH ẢNH..............................................................................................................................................5
CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ IBMS VÀ IOT......................................................................................................7

1.1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÒA NHÀ (BMS)...............................................................................7
1.1.1. Giới thiệu chung hệ thống BMS..................................................................................................................7
1.1.2. Khái niệm về hệ thống quản lý tòa nhà........................................................................................................7
1.1.3. Mục tiêu của BMS (Hệ thống quản lý tòa nhà)............................................................................................8
1.1.4. Cấu trúc hệ thống tự động hóa tịa nhà BMS...............................................................................................8
1.1.5. Các hệ thống tự động trong tòa nhà...........................................................................................................10
1.1.6. Yêu cầu về hệ thống tự động hóa tịa nhà..................................................................................................10
1.1.7. Một số lợi ích của hệ thống BMS vào điều khiển tòa nhà..........................................................................11
1.1.8. Định hướng phát triển trong tương lai của hệ thống tự động hóa tịa nhà.................................................12

1.2. TỔNG QUAN INTERNET OF THINGS – IOT...............................................................................................12
1.2.1. Định nghĩa về Internet của vạn vật............................................................................................................12
1.2.2. Các thành tố của Internet of Things...........................................................................................................13
1.2.3. Kiến trúc hệ thống IoT...............................................................................................................................13
1.2.4. Giao thức kết nối trong IoT........................................................................................................................18
1.2.5. Ứng dụng IoT.............................................................................................................................................20
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PMS....................................................................................................22
2.1. Giới thiệu về hệ thống PMS..............................................................................................................................22
2.2. Cấu trúc của hệ thống PMS...............................................................................................................................22
2.3. Đặc điểm của hệ thống Power Management System.........................................................................................26
2.4. Tính năng của hệ thống PMS............................................................................................................................27
2.5. Lợi ích của hệ thống PMS.................................................................................................................................29
CHƯƠNG 3:

TRIỂN KHAI HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG................................................................30

3.1. Giả thiết bài toán – Sơ đồ hệ thống...................................................................................................................30
3.1.1. Giả thiết bài toán........................................................................................................................................30
3.1.2. Sơ đồ tổng quát hệ thống...........................................................................................................................33
3.2. Lưu đồ thuật toán...............................................................................................................................................34
3.3. Chọn thiết bị......................................................................................................................................................35
3.3.1. Thiết bị đo..................................................................................................................................................36
3.3.2. Thiết bị đóng cắt........................................................................................................................................37


3.3.3. Thiết bị điều khiển.....................................................................................................................................38
3.4. Mạng truyền thông trong hệ thống BMS...........................................................................................................40
3.4.1. Giới thiệu về truyền thông qua RS-485......................................................................................................41
3.4.2. Giao thức truyền thông...............................................................................................................................47
3.4.3. Truyền thông mạng không dây...................................................................................................................50

3.5. Thiết kế giao diện trên Win CC.........................................................................................................................51
CHƯƠNG 4:

LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO TỊA NHÀ THƠNG MINH..............................................................56

4.1. Hệ thống chiếu sáng cho tịa nhà chung cư.......................................................................................................56
4.2. Lựa chọn thang máy cho smart building...........................................................................................................57
4.3. Hệ thống bơm thốt nước cho tịa nhà...............................................................................................................58
4.4. Lựa chọn các thiết bị cảm biến cho Smart Building.........................................................................................58
4.4.1. Cảm biến cửa.............................................................................................................................................59
4.4.2. Rèm cửa sổ thông minh..............................................................................................................................60
4.4.3. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm..........................................................................................................................60
4.4.4. Cảm biến khói, lửa.....................................................................................................................................61
4.4.5. Cảm biến vân tay........................................................................................................................................62
4.4.6. Cảm biến chuyển động...............................................................................................................................62
4.4.7. Bộ điều khiển trung tâm.............................................................................................................................63
4.4.8. Hệ thống giám sát thông minh...................................................................................................................64
CHƯƠNG 5:

PHẦN MỀM QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG.......................................................................................74

5.1. Powermanager...................................................................................................................................................74
5.2. Powerconfig.......................................................................................................................................................75
5.3. Hệ điều hành MindSphere.................................................................................................................................77
5.4. Hệ thống PMS Siemens tích hợp hệ điều hành MindSphere............................................................................78
CHƯƠNG 6:

MƠ PHỎNG..................................................................................................................................79

6.1. Giới thiệu về phần mềm cisco packet tracer......................................................................................................79

6.2. Thiết kế nhà thông minh....................................................................................................................................79
6.2.1 Kết nối thiết bị với Home Gateway............................................................................................................81
6.2.2 Tự động hóa các thiết bị IoT.......................................................................................................................83
6.2.3 Cấu hình cho thiết bị và cài đặt ISP router..................................................................................................88
6.2.4 Cách cấu hình cho thiết bị tới HomeGateway và Iot Server.......................................................................90
6.2.5 Đăng nhập, điều khiển thiết bị thông qua Web Browser............................................................................90
6.3 Sơ đồ mô phỏng tịa nhà thơng minh..................................................................................................................93
CHƯƠNG 7:

KẾT LUẬN.......................................................................................................................................95


DANH MỤC HÌNH ẢNH
HÌNH 1. 1 MƠ HÌNH QUẢN LÝ TỊA NHÀ THƠNG MINH...............................................................................................................................7
HÌNH 1. 2 CÁC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HĨA TRONG TỊA NHÀ...................................................................................................................10
HÌNH 1. 3 CÁC THÀNH TỐ CỦA INTERNET OF THINGS.............................................................................................................................13
HÌNH 1. 4 MƠ HÌNH THAM CHIẾU 3 LỚP.......................................................................................................................................................14
HÌNH 1. 5 MƠ HÌNH THAM CHIẾU 7 LỚP.......................................................................................................................................................15
HÌNH 1. 6 MƠ HÌNH CÁC PHƯƠNG THỨC KẾT NỐI TRONG IOT........................................................................................18
HÌNH 2. 1 CẤU TRÚC MẠNG ETHERNET ĐƠN GIẢN...................................................................................................................................23
HÌNH 2. 2 CẤU TRÚC MẠNG ĐẦY ĐỦ CỦA PMS.............................................................................................................23
HÌNH 2. 3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG PMS...............................................................................................................25
HÌNH 2. 4 SƠ ĐỒ TỔNG QUAN HỆ THỐNG.....................................................................................................................................................26
HÌNH 3. 1 SƠ ĐỒ TỔNG QT HỆ THỐNG......................................................................................................................................................33
HÌNH 3. 2 LƯU ĐỒ THUẬT TỐN.....................................................................................................................................................................35
HÌNH 3. 3 THIẾT BỊ PAC 4200.......................................................................................................................................36
HÌNH 3. 4 MODUL MỞ RỘNG 7KM PAC RS485............................................................................................................37
HÌNH 3. 5 THIẾT BỊ ĐĨNG CẮT ACB 3WL.....................................................................................................................37
HÌNH 3. 6 THIẾT BỊ ĐĨNG CẮT MCCB 3VA2................................................................................................................38
HÌNH 3. 7 PLC S7-1200................................................................................................................................................38

HÌNH 3. 8 MODUL MỞ RỘNG SM 1222..........................................................................................................................39
HÌNH 3. 9 PHẦN MỀM POWERMANAGER.......................................................................................................................................................40
HÌNH 3. 10 KIỂU TRUYỀN CÂN BẰNG 2 DÂY...............................................................................................................................................41
HÌNH 3. 11 TÍN HIỆU TRÊN 2 DÂY CỦA HỆ THỐNG CÂN BẰNG..............................................................................................................42
HÌNH 3. 12 CẶP DÂY XOẮN TRONG RS485....................................................................................................................42
HÌNH 3. 13 CÁCH XÁC ĐỊNH ÁP KIỂU CHUNG.............................................................................................................................................43
HÌNH 3. 14 TRUYỀN RS485 KHI THAM CHIẾU VỚI ĐẤT..........................................................................................................................43
HÌNH 3. 15 CÁCH ĐẶT ĐIỆN TRỞ ĐẦU CUỐI RT TRONG RS485 VÀ TÍN HIỆU RS485 THU ĐƯỢC TƯƠNG ỨNG VỚI 2 GIÁ
TRỊ ĐIỆN TRỞ RT.................................................................................................................................................44
HÌNH 3. 16 PHÂN CỰC CHO ĐƯỜNG TRUYỀN RS485......................................................................................................45
HÌNH 3. 17 NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG TRUYỀN THƠNG RS485 KẾT NỐI 32 THIẾT BỊ................................................................46
HÌNH 3. 18 TỐC ĐỘ BAUD RS485 TRUYỀN TRÊN DÂY CÁP TÍN HIỆU LÀ GÌ ? ĐÁP ỨNG NHANH HAY CHẬM........................46
HÌNH 3. 19 MƠ HÌNH OSI RÚT GỌN...............................................................................................................................................................48
HÌNH 3. 20 GIAO DIỆN PAGE MENU................................................................................................................................................................52
HÌNH 3. 21 GIAO DIỆN GIÁM SÁT DÒNG ĐIỆN, ĐIỆN ÁP, TẦN SỐ..........................................................................................................53
HÌNH 3. 22 GIAO DIỆN GIÁM SÁT CƠNG SUẤT TIÊU THỤ VÀ HỆ SỐ CÔNG SUẤT PF CỦA HỆ THỐNG........................................53
HÌNH 3. 23 GIAO DIỆN GIÁM SÁT TỔNG SĨNG HÀI....................................................................................................................................54
HÌNH 3. 24 GIAO DIỆN GIÁM SÁT CÔNG SUẤT NHẬN VÀ PHÁT.............................................................................................................54
HÌNH 3. 25 GIAO DIỆN GIÁM SÁT HỆ THỐNG MÁY BƠM..........................................................................................................................55

HÌNH 4. 1 THANG MÁY NEXIEZ MR......................................................................................................................................58
HÌNH 4. 2 CẢM BIẾN CỬA AQUARA.........................................................................................................................................................................59
HÌNH 4. 3 PIN CR1632......................................................................................................................................................59
HÌNH 4. 4 THANH TREO RÈM CHO ĐỘNG CƠ AQARA.............................................................................................................................................60
HÌNH 4. 5 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM AQARA TEMPERATURE AND HUMIDITY SENSOR.............................................................................60
HÌNH 4. 6 PIN CR2032......................................................................................................................................................61
HÌNH 4. 7 CẢM BIẾN KHĨI – BÁO CHÁY ZIGBEE XIAOMI AQARA..........................................................................................................................61
HÌNH 4. 8 KHĨA CỬA VÂN TAY XIAOMI AQARA N200..............................................................................................................62

HÌNH 4. 9 CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG AQARA..........................................................................................................................................................63
HÌNH 4. 10 BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM ZIGBEE...................................................................................................................................................63
HÌNH 4. 11 CAMERA AQARA G2H CH-H01 AI FULL HD 1080P......................................................................................................................64
HÌNH 4. 12 VỊNG TUẦN HỒN CỦA 1 HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA TRUNG TÂM CHILLER............................................................................................66
HÌNH 4. 13 MAGNETIC BEARING CENTRIFUGAL LIQUID CHILLER.........................................................................................................................69
HÌNH 4. 14 R-410A J XP PRO RTU.....................................................................................................................................70
HÌNH 4. 15 FAN COIL...............................................................................................................................................................................................71
HÌNH 5. 1 GIAO DIỆN GIÁM SÁT VÀ PHÂN TÍCH DỮ LIỆU TRÊN SENTRON POWERMANAGER.................................................74
HÌNH 5. 2 GIAO DIỆN TRÊN POWERCONFIG.................................................................................................................................................76
HÌNH 5. 3 GIAO DIỆN POWERCONFIG TRÊN APP DI ĐỘNG.......................................................................................................................76
HÌNH 5. 4 HỆ ĐIỀU HÀNH MINDSPHERE KẾT NỐI VẠN VẬT VỚI NỀN TẢNG ĐIỆN TỐN ĐÁM MÂY..........................................77
HÌNH 5. 5 KHẢ NĂNG KẾT NỐI DỮ LIỆU CỦA MINDSPHERE...................................................................................................................78
HÌNH 6. 1 LIÊN KẾT MẠNG CỦA TỊA NHÀ THƠNG MINH.........................................................................................................................81
HÌNH 6. 2 THIẾT BỊ IOT KẾT NỐI TỚI HOMEGATEWAY...........................................................................................................................82
HÌNH 6. 3 MƠ PHỎNG THIẾT BỊ IOT KẾT NỐI TỚI HOMEGATEWAY....................................................................................................83
HÌNH 6. 4 HỆ THỐNG DẬP LỬA KHI CĨ ĐÁM CHÁY....................................................................................................................................84
HÌNH 6. 5 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GARAGE, CỬA SỔ THƠNG QUA NỒNG ĐỘ KHÍ CO2....................................................85
HÌNH 6. 6 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUẠT TRẦN, CỬA SỔ THÔNG QUA NHIỆT ĐỘ.............................................................................86
HÌNH 6. 7 HỆ THỐNG TĂNG GIẢM NHIỆT ĐỘ PHỊNG THEO NHIỆT ĐỘ MƠI TRƯỜNG......................................................................86
HÌNH 6. 8 SƠ ĐỒ MƠ PHỎNG TỊA NHÀ THƠNG MINH................................................................................................................................87
HÌNH 6. 9 CÁCH CẤU HÌNH THIẾT BỊ..............................................................................................................................................................90
HÌNH 6. 10 SƠ ĐỒ MƠ PHỎNG NHÀ THÔNG MINH......................................................................................................................................93


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IBMS VÀ IOT
1.1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÒA NHÀ (BMS)
1.1.1. Giới thiệu chung hệ thống BMS
Thuật ngữ BMS ra đời vào đầu những năm 1950. Các hệ thống quản lý tòa nhà
BMS được phát triển và ứng dụng khoảng 20-30 năm trở lại đây dựa trên cơ sở cơng
nghệ tự động hóa phát triển và tích hợp tổng thể. Hệ thống BMS ra đời trợ giúp cho

người quản lý các tòa nhà rất hiệu quả và kinh tế. Tuy vốn ban đầu đầu tư cho thiết bị và
các phần mềm là không nhỏ, nhưng so với chi phí khai thác lâu dài thì rất hiệu quả và
kinh tế.
Chúng ta có thể tham khảo các tòa nhà lớn ở sân bay Stuttgart của Đức, nhà băng
Credit Suisse First Boston ở anh, Capital Tower và hang sản xuất đĩa cứng Seagate ở
Singapore…Các tòa nhà này đã được trang bị hệ thống BMS của Siemens và đã đang
được khai thác rất hiệu quả và kinh tế.

Hình 1. 1 Mơ hình quản lý tịa nhà thơng minh

1.1.2. Khái niệm về hệ thống quản lý tòa nhà
Hệ thống quản lý toà nhà (BMS): là hệ thống toàn diện thực hiện điều khiển, quản
lý nhiều thiết bị khác nhau trong toà nhà.


Hệ thống giám sát trung tâm theo dõi trạng thái hoạt động và bắt lỗi các thiết bị
gồm đèn chiếu sáng, thang máy, hệ thống phòng cháy và các thiết bị an ninh kiểm soát
vào ra hoặc xâm nhập hệ thống từ các cổng người dùng. Với sự phát triển của máy tính
và cơng nghệ thơng tin kỹ thuật số, các thiết bị điều khiển tự động hệ thống điều hịa
khơng khí được tích hợp cùng với thiết bị trung tâm để theo dõi và điều khiển tất cả các
thiết bị trong toà nhà.

1.1.3. Mục tiêu của BMS (Hệ thống quản lý tịa nhà)
Là tập trung hóa và đơn giản hóa việc giám sát, vận hành và quản lý tịa nhà. BMS
cho phép nâng cao hiệu suất của tòa nhà bằng cách giảm chi phí nhân cơng, chi phí năng
lượng và cung cấp môi trường làm việc thoải mái và an toàn cho con người.

1.1.4. Cấu trúc hệ thống tự động hóa tịa nhà BMS
Trong cấu trúc trên được chia làm 4 cấp :
1.1.4.1. Cấp điều khiển khu vực – cấp trường:

Các bộ điều khiển ở cấp độ khu vực là các bộ điều khiển sử dụng bộ vi xử lý, cung
cấp chức năng điều khiển số trực tiếp cho các thiết bị ở từng khu vực, bao gồm các hệ
thống như: các bộ VAV, bơm nhiệt, các bộ điều hịa khơng khí cục bộ, ... Hệ thống phần
mềm quản lý năng lượng cũng được tích hợp trong các bộ điều khiển cấp khu vực. Ở cấp
khu vực, các cảm biến và cơ cấu chấp hành giao diện trực tiếp với các thiết bị được điều
khiển.
Các bộ điều khiển cấp khu vực sẽ được nối với nhau trên một đường bus, do vậy
có thể chia sẻ thơng tin cho nhau và với các bộ điều khiển ở cấp điều khiển hệ thống và
cấp điều hành Đây là cấp bao gồm các thiết bị trường trong toà nhà: Chiller, AHU, FCU,
VAV.. valve, cảm biến, cơ cấu chấp hành…, hệ thống bơm, đèn chiếu sáng…. Hệ thống
BMS của ALC hỗ trợ rất mạnh trong việc kết nối với các thiết bị trường này. Rất nhiều
các nhà cung cấp thiết bị trường khác nhau hồn tồn có thể kết nối vào hệ thống một
cách dễ dàng.
1.1.4.2. Cấp điều khiển hệ thống:
Các bộ điều khiển hệ thống có khả năng lớn hơn so với các bộ điều khiển ở cấp
khu vực về số lượng các điểm vào ra, các vòng điều chỉnh và cả các chương trình điều
khiển. Các bộ điều khiển hệ thống thường được áp dụng cho các ứng dụng lớn hơn như
hệ thống điều hòa trung tâm, hệ thống máy lạnh trung tâm,...Các bộ điều khiển hệ thống
có thể hoạt động độc lập trong trường hợp bị mất truyền thông với các trạm vận hành.
Đây là cấp bao gồm Router của hệ thống và các bộ điều khiển kết nối với nhau.
Router của hệ thống làm nhiệm vụ truyền thông giữa các bộ DDC với server trên cấp
quản lý giám sát. Mọi thông số của hệ thống trên các bộ DDC sẽ được cập nhật lên


Server của hệ thống giúp cho người vận hành, nhà Quản lý có thể thực hiện giám sát điều
khiển tồn bộ các tham số cho hệ thống . DDC (Digital Direct Controller) bộ điều khiển
số, chứa các chương trình điều khiển và thực hiện điều khiển giám sát cho các hệ thống
thơng qua chương trình và các tham số đo đếm được từ các cảm biến ở cấp dưới.
 Đặc điểm :
Truyền thông giữa các DDC trên lớp mạng này là ARCnet 146 kbps, BACnet

MS/TP 76.8 kbps… Tốc độ truyền thơng này có thể được lựa chọn cho phù hợp với yêu
cầu kỹ thuật và các thiết bị sử dụng trong hệ thống.
Router của hệ thống cịn có thể kết nối với các thiết bị của các nhà sản xuất khác
BACnet thông qua cổng kết nối Third Party. Điều này khiến cho hệ thống BMS của ALC
có khả năng tích hợp “Mở”. Rất nhiều nhà sản xuất thiết bị có thể kết nối với hệ thống
thông qua nhiều chuẩn khác nhau: Modbus, LONwork, N2…. Điều này sẽ loại bỏ được
hẳn sự phụ thuộc của hệ thống vào các nhà cung cấp và giảm chi phí tích hợp hệ thống.
Các bộ DDC được thiết kế theo kiểu modul rất tiện cho việc mở rộng, thay thế hay
nâng cấp trong trường hợp cần thiết.
1.1.4.3. Cấp vận hành và giám sát
Các trạm vận hành và giám sát chủ yếu giao tiếp với các nhân viên vận hành. Một
trạm vận hành thường bao gồm các gói phần mềm ứng dụng sau:
An tồn hệ thống: Giới hạn quyền truy cập và vận hành đối với từng cá nhân.
Xâm nhập hệ thống: Cho phép những người có quyền được truy cập và lấy dữ liệu
hệ thống qua máy tính cá nhân hoặc các thiết bị lưu trữ khác.
Định dạng dữ liệu: Lắp ghép các điểm dữ liệu rời rạc vào trong các nhóm định
dạng.
Lập báo cáo: Có khả năng lập báo cáo tự động, định kỳ hoặc theo yêu cầu về các
cảnh báo và các sự kiện, hoạt động vận hành. Đồng thời cung cấp các khả năng tóm tắt
báo cáo.
Quản lý việc bảo trì bảo dưỡng: Tự động lập kế hoặch và tạo ra các thứ tự cơng
việc cho các thiết bị cần bảo trì dựa trên lịch sử thời gian làm việc hoặc kế hoạch theo
niên lịch
Tích hợp hệ thống: Cung cấp giao diện và điều khiển chung cho các hệ thống con
(HVAC, báo cháy, an toàn, giám sát truy nhập,...) và cung cấp khả năng tổng hợp thông.
 Đặc điểm:
 Truyền thông trên lớp này là BACnet IP 100Base T-Ethernet với tốc độ
truyền 10/100Mbps đảm bảo việc truy cập hệ thống với tốc độ rất cao.

 Server của hệ thống có thể chạy trên nhiều hệ điều hành như Window,
Linux, Solari
 Có thể truy cập vào hệ thống thơng qua mạng LAN của tồ nhà hay qua
đường truyền Internet không giới hạn trạm vận hành.
1.1.4.4. Cấp quản lý
Cấp quản lý là cấp trên cùng của cấu trúc hệ thống BMS. Một người vận hành ở
cấp độ này có thể lấy dữ liệu và ra lệnh cho bất cứ điểm nào trong hệ thống. Toàn bộ
chức năng của cấp điều hành trong một số trường hơp khẩn cấp có thể chuyển về cấp
quản lý. Chức năng chính của cấp quản lý là thu thập, lưu trữ và xử lý dữ liệu lịch sử như
năng lượng sử dụng, chi phí vận hành và các cảnh báo và tạo ra các báo cáo để cung cấp
các công cụ cho quá trình quản lý và việc sử dụng thiết bị lâu dài.

1.1.5. Các hệ thống tự động trong tòa nhà
Việc phân chia hệ thống tự động hóa tịa nhà thành các phần nhỏ khác nhau tuy
thuộc vào quan điểm của từng nhà tích hợp hệ thống. Việc phân chia này có tính tương
đối vì tất cả các thiết bị của tòa nhà đều nằm trong một hệ thống và một thiết bị có thể
làm hai hay nhiều chức năng trong tịa nhà. Ta có thể phân chia hệ thống tự động hóa tịa
nhà như hình vẽ:

Hình 1. 2 Các hệ thống tự động hóa trong tịa nhà

1.1.6. u cầu về hệ thống tự động hóa tịa nhà
Hệ thống tự động hóa tịa nhà nhằm đảm bảo một mơi trường làm việc an tồn và
hiệu quả vì vậy một hệ thống tự động hóa tịa nhà cần phải đảm bảo:
 Hệ thống phải đảm bảo theo dõi, cảnh báo, điều khiển, giám sát theo thời gian
thực.











Có tính sẵn sàng và độ tin cậy cao.
Quản lý báo động (Alarm management).
Quản lý sự kiện (Event management).
Lập lịch làm việc.
Phân tích lịch sử và phương hướng.
Có hệ thống báo động tự động và bằng tay.
Hệ thống phải có tính mở, tức là có thể nâng cấp hệ thống một cách dễ dàng.

1.1.7. Một số lợi ích của hệ thống BMS vào điều khiển tòa nhà
Hệ thống dây dẫn được chuẩn hóa trong mạng có thể dễ dàng nâng cấp, chỉnh sửa
cho phù hợp với hệ thống điều khiển.
Giá trị của tịa nhà sẽ được nâng cao thơng qua việc tăng khả năng điều khiển
riêng cho từng người
Chi phí tiêu thụ được quản lý thông qua việc quản lý và điều khiển các thiết bị
theo lịch trình hàng ngày
 Ưu điểm của việc quản lý tòa nhà:
 Quản lý hiệu quả, tiết kiệm nhân công:
Lượng lớn dữ liệu, nên việc vận hành tồ nhà và các thiết bị có thể thực hiện được
bởi một số ít nhân cơng.
 Duy trì và tối ưu hóa mơi trường:
Duy trì điều kiện môi trường tối ưu, như nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí CO2, bụi
cũng như cường độ sáng cho từng người sử dụng hoặc từng thiết bị sản xuất.
 Tiết kiệm năng lượng và nhiên liệu:
Sử dụng hiệu quả năng lượng tự nhiên và hạn chế lãng phí các nguồn nguyên liệu,

dùng các biện pháp như điều khiển và duy trì nhiệt độ được đặt trước hoặc sử dụng khí
trời khi cần thiết kiểm sốt tải trong tịa nhà.
 Đảm bảo các u cầu an tồn:
Bằng việc tập trung thơng tin toàn bộ các thiết bị về đơn vị xử lý trung tâm, ta có
thể dễ dàng xác định trạng thái của thiết bị, vận hành và khắc phục các sự cố như mất
điện, hỏng, cháy. Với hệ thống an ninh tích hợp, ta có thể n tâm về sự an toàn của
người sử dụng trong toà nhà, bảo mật thông tin cá nhân mà không làm mất sự thoải mái.
 Nâng cao sự thuận tiện cho người sử dụng:


Việc tích hợp nhiều tính năng trong các thiết bị giúp người dùng luôn cảm nhận
được sự thoải mái.

1.1.8. Định hướng phát triển trong tương lai của hệ thống tự động hóa tịa nhà
Xây dựng thành cơng một hệ thống tự động hóa tịa nhà là đem lại sự tích hợp hệ
thống và các hệ thống điều khiển riêng lẻ trước kia có khả năng liên lạc và điều khiển lẫn
nhau. Hiện nay, xu hướng làm việc tại nhà đã thúc đẩy các tác động từ xa tới các hệ
thống trong tòa nhà. Xu hướng trên thúc đẩy hệ thống truyền thơng trong tịa nhà ngày
càng hồn thiện hơn để người làm việc có thể truy cập vào mạng dữ liệu của tòa nhà. Sự
ra đời và phát triển vượt bậc của các thiết bị khơng dây địi hỏi hệ thống tự động hóa tịa
nhà phải tích hợp các bộ quản lý các thiết bị khơng dây đó. Như vậy xu hướng phát triển
của hệ thống tự động hóa tịa nhà bao gồm:
Tích hợp tịan bộ các hệ thống trong tịa nhà để đưa ra một chuẩn truyền thơng
duy nhất với môt hệ thống theo dõi và điều khiển
Đảm bảo các hệ thống đang tồn tại có khả năng hoạt động độc lập, có khả năng
nâng cấp mà khơng ảnh hưởng đến các hệ thống khác.
Dần dần xóa bỏ việc sử dụng các phòng điều khiển riêng cho các chức năng khác
nhau.
Thúc đẩy sự phát triển của các bộ điều khiển thơng minh, có khả năng tự chuẩn
đốn và sửa lỗi.

Phát triển các thiết bị cảm biến không dây, một cảm biến có thể làm được nhiêu
chức năng (nhiệt, khói, độ ẩm…). Phát triển được các thiết bị này sẽ khiến cho việc lắp
đặt và bảo trì hệ thống được dễ dàng do không sử dụng đến dây dẫn
Nâng cao khả năng cho hệ thống an ninh bằng các thiết bị kiểm soát sinh học như:
kiểm soát vân tay, kiểm sốt giọng nói..

1.2. TỔNG QUAN INTERNET OF THINGS – IOT
1.2.1. Định nghĩa về Internet của vạn vật
Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999. Vào tháng 6 năm 2009,
Ashton từng cho biết rằng “ hiện nay máy tính – và do đó, Internet – gần như phụ thuộc
hoàn toàn vào con người để truyền tải dữ liệu. Gần như tất cả trong số 50 petabyte dữ liệu
đang có trên Internet (vào thời điểm đó) đều được ghi lại hoặc tạo ra bởi con người chúng
ta, thông qua các cách thức như gõ chữ, nhấn nút, chụp ảnh, quét mã vạch …”. Con
người là nhân tố chính quyết định trong thế giới Internet hiện nay. Tuy nhiên con người
có nhiều nhược điểm và vì thế Internet of Things có tiềm năng thay đổi thế giới, giống
như cách mà Internet đã thay đổi cuộc sống của chúng ta.


Internet of Things được định nghĩa là một hệ thống gồm các đối tượng thơng minh
có thể điều khiển và tương tác với những đối tượng có thể đáp ứng tương tác từ xa, hay
có thể làm việc độc lập nhằm cung cấp các dịch vụ và giải pháp mà không cần sự can
thiệp của con người.

1.2.2. Các thành tố của Internet of Things
Kiến trúc IoT được đại diện cơ bản bởi 4 phần: Vạn vật (Things), trạm kết nối
(Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud) và các lớp tạo và
cung cấp dịch vụ (Services-creation and Solutions-Layers).

Hình 1. 3 Các thành tố của Internet of Things

 Vạn vật: Các thiết bị được kết nối trực tiếp thông qua băng tầng mạng không dây
và truy cập vào internet.
 Trạm kết nối: đóng vai trị là một trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng kết
nối với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý
 Hạ tầng mạng và điện toán đám mây:
 Cơ sở hạ tầng kết nối: gồm các thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng
hợp… thiết bị có thể kiểm sốt lưu lượng dữ liệu
 Trung tâm dữ liệu/ hạ tầng điện toán đám mây: hệ thống lớn các máy chủ, hệ
thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối
 Các lớp tạo và cung câp dịch vụ: đưa các sản phẩm và giải pháp IoT ra thị trường
và tận dụng hết giá trị của phân tích dữ liệu từ hệ thống có sẵn.

1.2.3. Kiến trúc hệ thống IoT
Trong một hệ thống IoT, dữ liệu được tạo ra bởi nhiều loại thiết bị, được xử lý
theo những cách khác nhau, được truyền tới các vị trí khác nhau và được các ứng dụng
tác động. Mơ hình tham chiếu IoT được đề xuất bao gồm nhiều lớp. Mỗi lớp được xác


định với thuật ngữ có thể được tiêu chuẩn hóa để tạo ra một khung được chấp nhận trên
toàn cầu như một mơ hình tham chiếu.
Mơ hình tham chiếu IoT khơng hạn chế phạm vi hoặc vị trí của các thành phần của
nó. Mơ hình tham chiếu IoT cũng cho phép quá trình xử lý xảy ra ở mỗi mực độ từ đơn
giản đến phức tạp, tuỳ thuộc vào thực tiễn hệ thống. Mơ hình mơ tả cách xử lý các nhiệm
vụ ở mỗi lớp để duy trì sự đơn giản, cho phép khả năng mở rộng cao và đảm bảo khả
năng hỗ trợ. Cuối cùng, mơ hình xác định các chức năng cần thiết cho một hệ thống IoT
để được hồn chỉnh.
Mơ hình kiến trúc IoT đóng vai trị quan trọng để có tư duy thiết kế một ứng dụng
IoT trong thực tiễn. Tùy vào quy mô hệ thống mà mơ hình kiến trúc có thể từ 3 lớp đến
nhiều lớp.
1.2.3.1. Mơ hình tham chiếu 3 lớp

Hình 1. 4 Mơ hình tham chiếu 3 lớp

 Lớp thiết bị
Lớp này bao gồm các cảm biến, thiết bị chấp hành và các bộ điều khiển như vi xử
lý/vi điều khiển, PLC, FPGA đến các máy tính nhúng.
Lớp thiết bị thực hiện đo lường và thu thập dữ liệu các đại lượng vật lý thông qua
các cảm biến, điều khiển các thiết bị chấp hành và có thể truyền và nhận dữ liệu từ các
thiết bị khác qua mạng.
 Lớp mạng
Chức năng lớp mạng xác định các giao thức truyền thông khác nhau được sử dụng
cho việc kết nối mạng và thực hiện điện toán biên.


Lớp mạng bao gồm các thiết bị liên kết mạng như Hub, Switch, Router; các thiết
bị chuyển đổi giao thức mạng như Gateways; đến các thiết bị có khả năng lưu trữ, xử lý
cục bộ trước khi gửi dữ liệu lên Server trung tâm.
Các “Things” ở lớp thiết bị được kết nối với thiết bị Gateway ở lớp mạng thông
qua các mạng cục bộ như Wifi, Zigbee, Bluetooth, LoRaWAN … đến các mạng có dây
như CAN, Modbus, Profibus, RS485, Ethernet,…. Sau đó, thiết bị ở lớp mạng thực hiện
xử lý và gửi lên trung tâm dữ liệu qua mạng toàn cầu như Internet, 3G/4G/LTE, GSM.
 Lớp ứng dụng
Đây là trung tâm lưu trữ dữ liệu hay đám mây điện tử.
Lớp này thực hiện thu nhận dữ liệu từ lớp mạng, lưu trữ, xử lý dữ liệu và ra quyết
định dựa trên các thuật tốn AI/ML hoặc các cơng cụ phân tích dữ liệu hiện đại.
1.2.3.2. Mơ hình tham chiếu 7 lớp
Mơ hình tham chiếu IoT và các lớp do CISCO đề xuất gồm 7 lớp, luồng dữ liệu ở
cả hai hướng. Trong điều khiển, thông tin điều khiển đi từ trên cùng của mơ hình (lớp 7)
xuống dưới cùng (lớp 1). Trong mơ hình giám sát, luồng thơng tin đi theo chiều ngược
lại.

Hình 1. 5 Mơ hình tham chiếu 7 lớp

 Lớp 1. Thiết bị vật lý và bộ điều khiển


Lớp này bao gồm các thiết bị vật lý và các bộ điều khiển để điều khiển nhiều thiết
bị. Đây là “Thing” trong IoT, và chúng bao gồm một loạt các thiết bị đầu cuối gửi và
nhận thôn tin. Các thiết bị ở lớp này cũng rất đa dạng và khơng có quy tắc nào về kích
thước, vị trí hoặc nguồn gốc. Một số thiết bị sẽ có kích thước nhỏ như một con chíp bán
dẫn, số khác sẽ lớn như các phương tiện giao thơng.
Mơ hình tham chiếu IoT mô tả các mức độ xử lý cho thiết bị ở lớp 1 như sau:
Khả năng chuyển đổi tương tự sang số theo yêu cầu.
Khả năng tạo dữ liệu hay thu thập dữ liệu.
Được truy vấn và điều khiển qua mạng.
 Lớp 2. Khả năng kết nối
Giao tiếp và khả năng kết nối được tập trung ở lớp 2 của mơ hình tham chiếu IoT.
Chức năng quan trọng nhất của lớp này là tuyền tải thông tin đáng tin cậy và kịp thời giữa
các thiết bị lớp 1, giữa thiết bị lớp 1 với thiết bị mạng lớp 2 và giữa các thiết bị lớp 2 với
thiết bị lớp 3.
Các khả năng kết nối mạng bao gồm:
Giao tiếp giữa các thiết bị lớp 1.
Truyền tải dữ liệu đáng tin cậy trên mạng.
Thực thi trên các giao thức khác nhau.
Chuyển mạch và định tuyến.
Chuyển đổi giữa các giao thức mạng.
Bảo mật ở lớp mạng.
Phân tích mạng.
 Lớp 3. Điện tốn biên
Chức năng của lớp 3 được thúc đẩy bởi nhu cầu chuyển đổi luồng dữ liệu mạng

thành thông tin phù hợp để lưu trữ và xử lý ở lớp 4 (lớp tích lũy dữ liệu). Điều này có
nghĩa là các hoạt động ở lớp 3 tập trung vào phân tích và chuyển đổi dữ liệu dung lượng
lớn. Việc xử lý dữ liệu ở lớp 3 bao gồm:
Đánh giá dữ liệu
Định dạng dữ liệu để xử lý lớp cao hơn nhất quán.
Mở rộng/ giải mã: Xử lý dữ liệu khó hiểu với ngữ cảnh bổ sung.
Giảm hoặc tóm tắt dữ liệu để tối thiểu hóa và lưu lượng truy cập vào mạng.
Thẩm định/kiểm tra: xác định xem dữ liệu đại diện cho một ngưỡng hoặc cảnh
báo.


 Lớp 4.
Tích lũy dữ

liệu

Hệ thống mạng được xây dựng để truyền tải dữ liệu một cách đáng tin cậy. Ở lớp
này, dữ liệu đang chuyển động được chuyển đổi sang trạng thái nghỉ. Lớp 4 xác định:

Nếu dữ liệu được quan tâm ở lớp cao hơn: việc xử lý dữ liệu ở lớp 4 là lớp đầu
tiên nó được cấu hình để phục vụ nhu cầu cụ thể ở lớp cao hơn.
Nếu dữ liệu phải được duy trì: nên lưu dữ liệu trong ổ đĩa hoặc được tích lũy trong
bộ nhớ để sử dụng trong ngắn hạn.
Nếu dữ liệu được tổ chức hợp lý: dữ liệu có được tổ chức thích hợp cho hệ thống
lưu trữ khơng?
Nếu dữ liệu phải được kết hợp lại hoặc tính tốn lại: Dữ liệu có thể được kết hợp,
tính tốn lại hoặc tổng hợp với thơng tin được lưu trữ trước đó.
 Lớp 5. Trừu tượng hóa
Các hệ thống IoT sẽ cần mở rộng quy mô đến cấp công ty – hoặc thậm chí tồn
cầu – và sẽ u cầu nhiều hệ thống lưu trữ để cung cấp dữ liệu thiết bị IoT. Các chức

năng trừu tượng hóa dữ liệu của lớp 5 tập trung vào việc hiển thị dữ liệu và lưu trữ dữ
liệu theo những cách cho phép phát triển các ứng dụng đơn giản hơn, nâng cao hiệu suất.
Mức trừu tượng hóa dữ liệu phải xử lý nhiều việc khác nhau, bao gồm:
Đối chiếu nhiều định dạng dữ liệu từ các nguồn khác nhau
Đảm bảo ngữ nghĩa nhất quán của dữ liệu giữa các nguồn
Xác nhận rằng dữ liệu đã hoàn tất cho ứng dụng cấp cao hơn
Hợp nhất dữ liệu vào một nơi hoặc cung cấp quyền truy cập.
Bảo vệ dữ liệu với xác thực và phân quyền thích hợp.
Chuẩn hóa hoặc khơng chuẩn hóa và lập chỉ mục dữ liệu để cung cấp quyền truy
cập ứng dụng nhanh chóng.
 Lớp 6. Ứng dụng
Lớp 6 là lớp ứng dụng, nơi diễn giải thơng tin. Mơ hình tham chiếu IoT khơng cần
xác định chính xác một ứng dụng cụ thể. Các ứng dụng thay đổi theo thị trường, và nhu
cầu kinh doanh.


 Các ứng dụng bao gồm:
Các ứng dụng kinh doanh chẳng hạn như ERP.
Các ứng dụng di động xử lý các tương tác đơn giản.
Các báo cáo kinh doanh thông minh, trong đó ứng dụng là máy chủ BI.
Các ứng dụng phân tích dữ liệu cho các quyết định kinh doanh.
Các ứng dụng trung tâm điều khiển/ quản lý hệ thống mà điều khiển chính
hệ thống IoT và khơng tác động lên dữ liệu do nó sản xuất ra.
 Lớp 7. Hợp tác và quy trình
Một trong những điểm khác biệt chính của IoT đó là IoT bao gồm con người và
các quy trình. Hệ thống IoT và thơng tin nó tạo ra có giá trị rất ít trừ khi nó mang lại các
hành động, điều này thường địi hỏi con người và quy trình. Mọi người sử dụng các ứng
dụng và dữ liệu liên quan cho các nhu cầu cụ thể.

1.2.4. Giao thức kết nối trong IoT

Hình 1. 6 Mơ hình các phương thức kết nối trong IoT

1.2.4.1. Giao tiếp có dây
Kết nối có dây cung cấp một phương tiện liên lạc rất đáng tin cậy vì khả năng kết
nối mở rộng giữa các thiết bị với hệ thống giám sát. Thiết bị được kết nối vật lý ít có khả
năng bị nhiễu hoặc gián đoạn hơn.
Giao tiếp có dây phù hợp với các thiết bị tĩnh, được cài đặt trong các tịa nhà thơng
minh, tự động hóa gia đình và các ứng dụng điều khiển cơng nghiệp.


 Một số giao tiếp có dây:
 Ethernet:
Mỗi card giao diện mạng Ethernet được cấp một mã định danh duy nhất
MAC. Địa chỉ MAC gồm một số 48 bit, 24 bit đầu tiên là ID nhà sản xuất hoặc Mã định
danh.
o Ưu điểm:
Đáng tin cậy và có thể sử dụng trong mộ tịa nhà.
Mạng lưới bắt đầu với nó và kết thúc với nó.
o Nhược điểm:
Khơng thể sử dụng cho mạng đường dài.
 RS – 232:
Tiêu chuẩn giao diện, thường sử dụng trong các Serial Port của máy tính,
tiêu chuẩn xác định các đặc tính điện và thời gian của tín hiệu
o Ưu điểm:
Hệ thống dây và đầu nối đơn giản.
Hầu hết các bộ xử lý đều có giao diện này và giá cả thấp.
o Nhược điểm:
Các kết nối và thuật ngữ ít tiêu chuẩn hơn.
 RS – 485:

Tiêu chuẩn EIA – 485. Tăng số lượng thiết bị từ 10 lên 32 và xác định đặc
tính điện cần thiết để đảm bảo đủ điện áp tín hiệu dưới tải tối đa.
o Ưu điểm:
Ứng dụng đa điểm.
Hoạt động trên một cặp dây.
o Nhược điểm:
1.2.4.2. Giao tiếp không dây
 Một số giao thức không dây:
 Wi-fi:


Wi-fi chỉ công nghệ IEEE 802.11. Wi-fi tốn năng lượng và phức tạp, nhưng
các thiế bị mới và các module giảm nhiều rào cản và cho phép tích hợp Wi-fi ứng dụng
IoT và hoạt động bằng pin thiết bị.
Tần số: 2,4 GHz; 3,6 GHz và 4,9/5,0 GHz
Phạm vi: thông thường lên đến 100m, có thể gia hạn.
Ứng dụng: Router, Máy tính bảng,…
 Bluetooth:
Bluetooth tương quan với hệ thống IoT thơng qua việc kết nối với một điện
thoại di động hoặc máy tính bảng hoạt động như một cổng kết nối Internet.
Tần số: 2,4 GHz.
Phạm vi: 50- 100m.
Ứng dụng: Hands – free tai nghe, trackers thể dục,…
 Zigbee:
Tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp và là giao thức
mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động hóa
Tần số: 868 MHz, 2,4 GHz.
Phạm vi: 10 -100m.

1.2.5. Ứng dụng IoT

IoT được ứng dụng rộng rãi nhằm giúp con người có thể bảo hành và giám sát từ
xa, điều khiển hệ thống tự động, chăm sóc KH và hỗ trợ dịch vụ…
 Sản xuất/ cơng nghiệp:
Sản xuất/cơng nghiệp đã chiếm vị trí hàng đầu trong một phân tích năm
2018. Những gã khổng lồ công nghệ như Microsoft và AWS cũng như những cơng ty tự
động hóa cơng nghiệp lớn như Siemens hay Rockwell Automation là một trong những
động lực của quá trình chuyển đổi kỹ thuật số trong ngành sản xuất/công nghiệp.
 Vận tải:
Vận tải/ tự hành là lĩnh vực ứng dụng lớn thứ hai vào năm 2020. Tesla đã thiết lập
tiêu chuẩn ngành cho ô tô kết nối khi ra mắt Model S vào năm 2012, giới thiệu khả năng
cập nhật phần mềm qua mạng đầu tiên. Kể từ đó, hầu hết các nhà sản xuất xe hơi đã theo
đuổi việc tích hợp các cơng nghệ IoT tương tự Tesla.