Nghiên cứu thiết kế mô hình nhà thông minh

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC ..................................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................5
HỆ THỐNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT..............................................................6
HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................6
HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ .....................................................................7
PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................10
1. Lý do chọn đề tài. ................................................................................................10
2. Lịch sử nghiên cứu ..............................................................................................10
3. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận văn. ............................11
4. Tóm tắt điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả...........................................11
5. Phƣơng pháp nghiên cứu. ...................................................................................12
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH .....................................13
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NHÀ THÔNG MINH .................................13
1.2. CÁC TÍNH NĂNG CẦN THIẾT CỦA NHÀ THÔNG MINH ....................15
1.2.1. Chọn chế độ hoạt động với chỉ một nút bấm ..............................................15
1.2.2. Hệ thống ánh sáng thông minh ....................................................................17
1.2.2. Hệ thống điều khiển rèm mành ...................................................................17
1.2.3. Hệ thống an ninh thông minh ......................................................................18
1.2.4. Hệ thống kiểm soát môi trƣờng ...................................................................18
1.2.5. Hệ thống giải trí âm thanh đa vùng.............................................................19
1.2.6. Trực quan với màn hình cảm ứng 3D .........................................................19
1.2.7. Điều khiển bằng giọng nói ............................................................................20
1.2.8. Kết nối không giới hạn ..................................................................................20
1.3. GIỚI THIỆU NHÀ THÔNG MINH BKAV SMART HOME.....................21
1.3.1. Các tính năng .................................................................................................21
1.3.2. So sánh Bkav SmartHome với Siemens, Schneider ...................................29

1


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

1.3.3. Kết luận ..........................................................................................................34
1.4. GIỚI THIỆU CÁC TÍNH NĂNG CỦA MÔ HÌNH .....................................34
1.5. KẾT LUẬN .......................................................................................................38
CHƢƠNG 2. CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH ....39
2.1. CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG PIR ................................................................39
2.2. CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ LM35 .......................................................................40
2.3. RƠLE ................................................................................................................40
2.3.1. Tác dụng của rơle ..........................................................................................40
2.3.2. Cấu tạo ...........................................................................................................41
2.3.3. Nguyên lý hoạt động......................................................................................42
2.3.4. Cách chọn rơle ...............................................................................................42
2.3.5. Chú ý khi sử dụng rơle .................................................................................43
2.4. MÀN HÌNH HIỂN THỊ LCD .........................................................................43
2.4.1. Giới thiệu LCD ..............................................................................................43
2.4.2. Chức năng các chân trong LCD 1602 .........................................................43
2.4.3. Tập lệnh cho LCD 1602 ................................................................................45
2.4.4. Kết nối với vi điều khiển ...............................................................................47
2.5. ĐỘNG CƠ RC SERVO ...................................................................................48
2.5.1. Giới thiệu về động cơ RC Servo ...................................................................48
2.5.2. Cấu tạo của động cơ RC ...............................................................................49
2.5.3. Cách thức hoạt động và phƣơng pháp điều khiển .....................................50
2.6. VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA16 .......................................................................51
2.6.1. Giới thiệu chung ............................................................................................51
2.6.2. Chức năng Timer/Counter ...........................................................................51
2.6.3. Chức năng Ngắt .............................................................................................52

2.6.4. Chức năng truyền thông nối tiếp USART ..................................................53
2.7. KẾT LUẬN .......................................................................................................57
CHƢƠNG 3. HỆ THỐNG KẾT NỐI MẠNG KHÔNG DÂY ...........................58
3.1. TỔNG QUAN VỀ TIN NHẮN SMS ..............................................................58

2


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

3.1.1. Giới thiệu về SMS..........................................................................................58
3.1.2. Cấu trúc của một tin nhắn SMS ..................................................................60
3.1.3. SMS CENTER/SMSC ...................................................................................61
3.2. Tổng quát về hệ thống thông tin di động GSM .............................................62
3.2.1. Giới thiệu công nghệ GSM ...........................................................................62
3.2.2. Đặc điểm của công nghệ GSM .....................................................................62
3.2.3. Cấu trúc của mạng GSM ..............................................................................63
3.2.3.1. Cấu trúc tổng quát .....................................................................................63
3.2.3.2. Các thành phần của công nghệ mạng GSM ............................................64
3.2.4. Sự phát triển của công nghệ GSM ở Việt Nam ..........................................64
3.3. Giới thiệu module sim900, tập lệnh at command ..........................................65
3.3.1. Giới thiệu module Sim900 ............................................................................65
3.3.2. Đặc điểm của module Sim900 ......................................................................66
3.3.3. Khảo sát sơ đồ và chức năng của từng chân module Sim900 ...................68
3.3.4. Khảo sát tập lệnh AT của module Sim900 ..................................................70
3.4. KẾT LUẬN .......................................................................................................74
CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM ................................75
4.1. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ................................................................75
4.1.1. Thiết kế mô hình............................................................................................75
4.1.2. Chế tạo mô hình ............................................................................................76

4.2. THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ ..................................................................76
4.2.1. Sơ đồ khối toàn mạch ....................................................................................76
4.2.2. Mạch nguyên lý khối nguồn .........................................................................77
4.2.3. Mạch nguyên lý khối điều khiển trung tâm ................................................78
4.2.4. Mạch nguyên lý khối giao tiếp SIM900 .......................................................79
4.2.5. Mạch nguyên lý khối bàn phím và hiển thị LCD .......................................79
4.2.6. Mạch nguyên lý khối chấp hành ..................................................................80
4.2.7. Mạch nguyên lý loa báo động và bơm nƣớc ...............................................81
4.2.8. Mạch nguyên lý LED ma trận .....................................................................81

3


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

4.3. THIẾT KẾ MẠCH IN VÀ CHẾ TẠO MẠCH .............................................82
4.3.1. Thiết kế mạch in ............................................................................................82
4.3.2. Kết quả chế tạo mạch ....................................................................................83
4.4. LẬP TRÌNH ......................................................................................................84
4.4.1. Lƣu đồ thuật toán chƣơng trình chính .......................................................84
4.4.2. Lƣu đồ thuật toán điều khiển bằng bàn phím ............................................85
4.4.3. Lƣu đồ thuật toán các chƣơng trình con ....................................................86
4.4.4. Lƣu đồ thuật toán xử lý tin nhắn .................................................................87
4.5. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ..........................................................................87
4.5.1. Thực nghiệm nhập mật khẩu đăng nhập hệ thống ....................................87
4.5.2. Thực nghiệm điều khiển từ xa các thiết bị điện qua điện thoại di động ..88
4.5.3. Thực nghiệm hệ thống chiếu sáng thông minh...........................................89
4.5.4. Thực nghiệm đo và hiển thị nhiệt độ ...........................................................89
4.5.5. Thực nghiệm hệ thống báo cháy ..................................................................89
4.5.6. Thực nghiệm hệ thống an ninh thông minh ...............................................90

4.5.7. Thực nghiệm điều khiển quạt thông minh..................................................90
4.6. KẾT LUẬN .......................................................................................................90
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................92

4


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là Hoàng Thế Phương học viên cao học lớp 13BCĐT.KT khóa 2013B
Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế mô hình nhà thông minh.
Giáo viên hướng dẫn: GVCC.TS. Nguyễn Trọng Doanh
Tôi xin cam đoan các nghiên cứu, thực nghiệm trong luận văn này là do chính tác
giả thực hiện.

5


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

HỆ THỐNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

EEPROM

Tên đầy đủ

Electronically Erasable Read- Bộ nhớ lưu trữ dữ liệu không

thay đổi

Only Memory
Universal

USART

Ý nghĩa

Synchronous

Asynchronous Serial Reveiver
and Transmitter

PWM

&

Bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ
và không đồng bộ
Điều chế độ rộng xung

Pulse width Modulation

Thanh ghi điều khiển

MCUCR
PIR

Passive infrared sensor

Cảm biến chuyển động

I/O Port

In/Out port

Cổng vào/ra

PSEN

Program store enable

Cho phép lưu trữ chương trình

LED

Light emitting diode

Diode phát quang

HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1. Chức năng các chân của LCD 1602 ........................................................45
Bảng 2. 2. Tập lệnh cho LCD 1602...........................................................................47
Bảng 2. 3. Đặc tính điện làm việc của LCD .............................................................48
Bảng 2. 4. Thiết lập bit chọn kiểu chẵn lẻ.................................................................56
Bảng 2. 5. Thiết lập bit chọn độ dài dữ liệu truyền ..................................................56
Bảng 2. 6. Thiết lập tốc độ BAUD ............................................................................57

6

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Biểu đồ thể hiện sự phát triển của Smart home .......................................13
Hình 1. 2. Chọn chế độ hoạt động của ngôi nhà ......................................................15
Hình 1. 3. Hệ thống điện sẵn sàng khi về nhà ..........................................................16
Hình 1. 4. Hệ thống ánh sáng thông minh ................................................................17
Hình 1. 5. Hệ thống điều khiển rèm mành ................................................................17
Hình 1. 6. Hệ thống an ninh thông minh ...................................................................18
Hình 1. 7. Hệ thống kiểm soát môi trường ................................................................18
Hình 1. 8. Hệ thống giải trí âm thanh .......................................................................19
Hình 1. 9. Màn hình cảm ứng 3D..............................................................................19
Hình 1. 10. Điều khiển bằng giọng nói .....................................................................20
Hình 1. 11. Kết nối không giới hạn ...........................................................................20
Hình 1. 12. Bảng điều khiển trung tâm 6 kênh SH-CC6 ..........................................22
Hình 1. 13. Bảng mạch của SH-CC6 ........................................................................22
Hình 1. 144. Vi xử lý ST M32F100 và còi chip .........................................................23
Hình 1. 15. Cảm biến điện dung và module zigbee...................................................23
Hình 1. 16. Công tắc cảm ứng 4 kênh SH-CTZ4 ......................................................23
Hình 1. 17. Mạch công suất và IC nguồn .................................................................24
Hình 1. 18. Bảng mạch điều khiển ............................................................................24
Hình 1. 19. Thiết bị kết nối trung tâm SH – BZ ........................................................25
Hình 1. 20. Bảng mạch chính ....................................................................................25
Hình 1. 21. Vi xử lý Cortex-M3 và Module ZigBee ..................................................25
Hình 1. 22. Modul nguồn NFM 5-5 ..........................................................................26
Hình 1. 23. Thiết bị cảnh báo an ninh SH – SCZ ......................................................26
Hình 1. 24. Bảng mạch bên trong SH – SCZ ............................................................26
Hình 1. 25. Thiết bị bật đèn cảm ứng SH-DZ ...........................................................27

Hình 1. 26. Mạch điều khiển thiết bị bật đèn cảm ứng SH-DZ .................................27
Hình 1. 27. Cảm biến môi trường SH-SSZ ................................................................28
Hình 1. 28. Bảng mạch thiết bị .................................................................................28
Hình 1. 29. Module zigbee và module nguồn ............................................................28
Hình 1. 30. Công tắc đèn tự động của Siemens và Schneider ..................................30
Hình 1. 31. Sản phẩm của Bkav gây ấn tượng mạnh với thiết kế bền, đẹp, sang
trọng ..........................................................................................................................31
Hình 1. 32. Giao diện 3D trực quan của BKAV Smarthome ....................................31
Hình 1. 33. Giao diện của Siemens và Schneider .....................................................32
Hình 1. 34. Ngữ cảnh thông minh .............................................................................32
Hình 1. 35. Bộ truyền tín hiệu (tủ điện) của Siemens, Schneider và thiết bị không
dây của Bkav .............................................................................................................33
Hình 1. 36. Khóa cửa thông minh .............................................................................35
Hình 1. 37. Điều khiển thiết bị điện qua tin nhắn .....................................................35
Hình 1. 38. Chiếu sáng thông minh ..........................................................................36
Hình 1. 39. Đo và hiển thị nhiệt độ ...........................................................................36
Hình 1. 40. Báo cháy và chữa cháy tự động .............................................................37

7


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1. 41. Hệ thống báo động trộm ........................................................................37
Hình 2.1.Nguyên lý phát hiện các chuyển động ngang của thân nhiệt. ....................39
Hình 2.2. Sơ đồ chân LM35 dạng TO-92 ..................................................................40
Hình 2.3. Hình dạng của rơle ...................................................................................41
Hình 2.4. Cấu tạo rơle ..............................................................................................41
Hình 2. 5.Sơ đồ đơn giản của rơle ............................................................................42
Hình 2. 6. Hình dáng LCD ........................................................................................43

Hình 2. 7. Cấu tạo động cơ RC Servo .......................................................................49
Hình 2. 8. Giản đồ thời gian điều khiển động cơ RC servo ......................................50
Hình 2. 9. Thanh ghi UDR ........................................................................................54
Hình 2. 10. Thanh ghi UCSRA ..................................................................................54
Hình 2. 11. Thanh ghi UCSRB ..................................................................................55
Hình 2. 12. Thanh ghi UCSRC ..................................................................................55
Hình 3. 1. Cấu trúc một tin nhắn SMS ......................................................................60
Hình 3. 2. Cấu trúc của công nghệ GSM ..................................................................63
Hình 3. 3. Các thành phần mạng GSM .....................................................................64
Hình 3. 4. IC sim900 .................................................................................................68
Hình 3. 5. Sơ đồ chân IC sim900 ..............................................................................68
Hình 4. 1. Bản thiết kế mô hình nhà thông minh ......................................................75
Hình 4. 2. Bản vẽ 3D của mô hình ............................................................................76
Hình 4.3. Kết quả chế tạo mô hình nhà thông minh .................................................76
Hình 4. 4. Sơ đồ khối toàn mạch ...............................................................................76
Hình 4. 5. Mạch nguyên lý khối nguồn .....................................................................77
Hình 4. 6. Khối điều khiển trung tâm ........................................................................78
Hình 4. 7. Nguyên lý mạch SIM900 ..........................................................................79
Hình 4. 8. Nguyên lý khối bàn phím và hiển thị LCD ...............................................79
Hình 4. 9. Mạch nguyên lý khối chấp hành ..............................................................80
Hình 4. 10. Mạch nguyên lý loa báo động và bơm nước ..........................................81
Hình 4. 11. Mạch nguyên lý LED ma trận ................................................................81
Hình 4. 12. Mạch in mạch main lớp TOP (trái) và BOTTOM (phải) .......................82
Hình 4. 13. Mạch in mạch role lớp TOP (trên) và BOTTOM (dưới) .......................82
Hình 4. 14. Mạch in mạch bàn phím và LCD lớp TOP (trái) và BOTTOM (phải) ..83
Hình 4. 15. Mạch chấp hành .....................................................................................83
Hình 4. 16. Mạch main và mạch bàn phím ...............................................................83
Hình 4. 17. Lưu đồ thuật toán chương trình chính ...................................................84
Hình 4. 18. Lưu đồ thuật toán bàn phím ...................................................................85
Hình 4. 19. Lưu đồ thuật toán các chương trình con điều khiển bằng bàn phím .....86

Hình 4. 20. Lưu đồ thuật toán các chương trình con ................................................86
Hình 4. 21. Lưu đồ thuật toán xử lý tin nhắn ............................................................87

8


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Hình 4. 22. Thực nghiệm nhập mật khẩu đăng nhập hệ thống .................................87
Hình 4. 23. Hiển thị các MENU điều khiển ..............................................................88
Hình 4. 24. Thực nghiệm điều khiển thiết bị điện qua điện thoại .............................88
Hình 4. 25. Bật hệ thống chiếu sáng thông minh ......................................................89
Hình 4. 26. Kết quả đo và hiển thị nhiệt độ ..............................................................89
Hình 4. 27. Kết quả thực nghiệm hệ thống báo cháy ................................................89
Hình 4. 28. Kết quả thực nghiệm hệ thống an ninh thông minh ...............................90

9


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Ngày nay trên thế giới với sự bùng nổ của công nghệ thông tin, điện tử v.v…
đã làm cho đời sống của con người ngày càng hoàn thiện và nâng cao hơn. Các thiết
bị tự động hóa đã ngày càng xâm lấn vào trong sản xuất và thậm chí là vào cuộc
sống sinh hoạt hằng ngày của mỗi con người. Do đó một ngôi nhà thông minh
không còn là mơ ước của con người nữa mà nó đã trở thành hiện thực hóa. Qua báo
chí, các phương tiện truyền thông, internet chúng ta có thế thấy những mô hình ngôi
nhà thông minh đã ra đời. Để triển khai được các tính năng thông minh cho một

ngôi nhà, trước hết cần tạo ra một mô hình để nghiên cứu các tính năng cần thiết
cho ngôi nhà. Vì vậy tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế mô hình nhà
thông minh”.
2. Lịch sử nghiên cứu
Nhà thông minh (smart home) là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện
tử có tác dụng tự động hoá hoàn toàn hoặc bán tự động, thay thế con người trong
việc thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển. Nhà thông minh đã
được ứng dụng rất nhiều trên thế giới và trong những năm gần đây đã xuất hiện
nhiều ở Việt Nam.
Từ đầu những năm 1900, các thiết bị điều khiển từ xa bắt đầu được nghiên cứu
và phát minh, tạo tiền đề cho sự ra đời của “Smart home” sau này.
Sức mạnh phát triển của các thiết bị điện gia dụng bắt đầu từ năm 1915, để rồi
ý tưởng tự động hóa các thiết bị trong nhà xuất hiện vào những năm 1930. Đến năm
1984, thuật ngữ “Smart home” xuất hiện!
Nhận thấy khả năng ứng dụng nhà thông minh vào trong đời sống rất lớn nên
các cá nhân, công ty ở Việt Nam cũng đã tiến hành nghiên cứu về nhà thông minh.
Công ty BKAV đã nghiên cứu và chế tạo thành công sản phẩm BKAV Smarthome
với rất nhiều tính năng thông minh. Sản phẩm đã được ứng dụng vào các khu đô thị
cao cấp Ecopark (Hà Nội), Vinhomes Central Park (TP. Hồ Chí Minh),… tuy nhiên

10


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

giá thành trọn bộ của BKAV SmartHome khá cao và không phù hợp với người dân
có thu nhập thấp.
Hiện tại trên thị trường Việt Nam đã xuất hiện rất nhiều thiết bị điện thông
minh rời rạc có thể lắp đặt dễ dàng ở trong nhà như: đui đèn cảm ứng chuyển động,
thiết bị báo động trộm tại chỗ, thiết bị báo động cháy tại chỗ,… với giá thành vừa

phải. Tuy nhiên nhược điểm của các thiết bị này là tính năng bị hạn chế, phải lắp đặt
nhiều thiết bị nếu muốn có một ngôi nhà thông minh với nhiều tính năng.
3. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận văn.
- Mục đích:
Nghiên cứu các tính năng cần thiết của ngôi nhà thông minh, lựa chọn giải
pháp hợp lý để triển khai cho ngôi nhà với tiêu chí tự động hóa, tăng độ an toàn, tiết
kiệm điện năng, và giá thành vừa phải.
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
+ Đối tượng nghiên cứu: Các cảm biến chuyển động, cảm biến nhiệt độ, ánh
sáng, các thiết bị chấp hành, vi điều khiển AVR, module SIM900.
+ Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu, lựa chọn giải pháp, và triển khai mô hình
nhà thông minh với các tính năng cần thiết: Hệ thống chiếu sáng thông minh, điều
khiển từ xa các thiết bị điện qua điện thoại di động, hệ thống an ninh báo động trộm
tại chỗ và báo động qua điện thoại di động, hệ thống đo nhiệt độ và cảnh báo cháy
qua điện thoại di động, điều khiển đóng mở cửa bằng mật khẩu.
4. Tóm tắt điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Luận văn được trình bày gồm 4 chương: Chương 1, tác giả trình bày tổng quan
về ngôi nhà thông minh và lịch sử phát triển ngôi nhà thông minh, các tính năng cần
thiết của nhà thông minh, giới thiệu các nhà thông minh đã được ứng dụng thực tế.
Chương 2 nghiên cứu về các loại cảm biến, vi điều khiển, các linh kiện điện tử được
sử dụng để thiết kế mạch. Chương 3 nghiên cứu lý thuyết về module SIM900, cách
giao tiếp module SIM900 với vi điều khiển để điều khiển thiết bị qua điện thoại di
động. Chương 4 thiết kế và chế tạo mạch, mô hình, lập trình mô hình hoạt động

11


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

theo ý muốn, kết quả thực nghiệm trên thực tế.

Đóng góp mới của tác giả: Luận văn đã xây dựng được một mô hình nhà
thông minh với tất cả các tính năng hoạt động đồng thời trên cùng một bộ thiết bị,
và có khả năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thiết kế, chế
tạo, và thực nghiệm:
+ Luận văn nghiên cứu tổng quan về các tính năng của ngôi nhà thông minh,
nghiên cứu giải pháp để thực hiện được từng tính năng.
+ Nghiên cứu và lựa chọn các loại cảm biến phù hợp với từng tính năng.
+ Nghiên cứu phương pháp điều khiển các thiết bị điện thường dùng trong nhà.
+ Thiết kế, chế tạo các mạch điện giao tiếp cảm biến và điều khiển.
+ Lập trình để mạch điện hoạt động với đúng và đủ các tính năng đặt ra.
+ Thực nghiệm trên thực tế.

12


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

CHƢƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NHÀ THÔNG MINH
Các tính năng của nhà thông minh đã được nghiên cứu rất nhiều trên thế giới,
cũng như ở Việt Nam. Ngày nay, xã hội càng hiện đại, khoa học kỹ thuật càng phát
triển thì cuộc sống của con người càng đầy đủ tiện nghi và việc ứng dụng tự động
hóa càng được rộng rãi. Con người mong muốn có thể tạo ra một ngôi nhà có các
thiết bị gia dụng như: hệ thống chiếu sáng, sưởi ấm, máy lạnh, TV, máy tính, âm
thanh, camera an ninh,… có khả năng tự động hóa và “giao tiếp” với nhau theo một
lịch trình định sẵn. Chúng có thể được điều khiển ở bất cứ đâu, từ trong chính ngôi

nhà thông minh đó đến bất kỳ nơi nào trên thế giới thông qua điện thoại hoặc
internet.
Từ đầu những năm 1900, các thiết bị điều khiển từ xa bắt đầu được nghiên cứu
và phát minh, tạo tiền đề cho sự ra đời của “Smart home” sau này.
Sức mạnh phát triển của các thiết bị điện gia dụng bắt đầu từ năm 1915, để rồi
ý tưởng tự động hóa các thiết bị trong nhà xuất hiện vào những năm 1930. Đến năm
1984, thuật ngữ “Smart home” xuất hiện!
Cùng với sự phát triển đến chóng mặt của công nghệ, nhà thông minh cũng từ
đó được để ý đến và nhận được sự đầu tư nhiều hơn. Đến năm 2012, theo báo cáo
của ABI Research, tại Mỹ đã có 1,2 triệu căn nhà được tự động hóa.

Hình 1. 1. Biểu đồ thể hiện sự phát triển của Smart home

13


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Hiện nay, khái niệm ngôi nhà thông minh vẫn chưa được phổ biến rộng rãi
trong tâm trí người dùng. Tuy nhiên, do tính ứng dụng rất lớn, các tập đoàn và công
ty công nghệ hiện nay đã, đang và sẽ đầu tư vào Smart home rất nhiều. Theo hãng
nghiên cứu Gartner, công nghệ nhà thông minh có thể đóng góp 1,9 nghìn tỷ USD
cho kinh tế thế giới vào năm 2020.
Công nghệ và thiết bị cho ngôi nhà thông minh đang được các công ty trong
ngành xây dựng quan tâm nhiều. Tại châu Âu, ngày càng có nhiều điều luật bắt
buộc các ngôi nhà mới xây phải có chứng chỉ thân thiện môi trường, như cách nhiệt
tốt, giảm tiêu thụ điện, nước và khí đốt,...
Tại Hội chợ CeBIT 2014, IFA 2014 hay gần nhất là CES 2015, có rất nhiều
công ty xuất hiện và giới thiệu về thị trường cung cấp thiết bị cho “Ngôi nhà thông
minh”.

Trong Triển lãm thành tựu kinh tế - xã hội Việt Nam và Thăng Long - Hà Nội
2010, Bkav đã giới thiệu Hệ thống nhà thông minh SmartHome. Đây là một trong
những công trình công nghệ cao hoàn toàn do các kỹ sư và chuyên gia của Công ty
đầu tư phát triển công nghệ ngôi nhà thông minh Bkav SmartHome (công ty thành
viên của Bkav) nghiên cứu và sản xuất; Trường ĐH Công nghệ (ĐHQG Hà Nội)
cũng đã thành công với đề tài nghiên cứu về nhà thông minh thuộc KC.03/06-10;
Hay như Cisco Systems Việt Nam đã đưa ra thị trường giải pháp tòa nhà thông
minh CCRE (Cisco Connected Real Estate); và gần đây nhất là hội thảo về Giải
pháp nhà thông minh do Công ty Cổ phần Biển Bạc phối hợp với các đối tác tổ
chức vào ngày 23/02/2011 tại Hà Nội đã thu hút được đông đảo khách quan tâm
tham dự.
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều hãng cung cấp các sản phẩm an ninh,
giám sát có tính năng hiện đại, thông minh, công nghệ cao. Tuy nhiên, các thiết bị
an ninh giám sát đã là thông minh thì thường phải liên quan đến phần mềm và mỗi
hãng lại có từng phần mềm khác nhau để đáp ứng nhu cầu thị hiếu của nhiều khách
hàng khác nhau. Do đó, khó khăn của các hãng khi vào thị trường Việt Nam là khó
cung cấp và đầu tư đồng bộ. Vì vậy, rất cần có sự tích hợp, đồng bộ giữa các hãng

14


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

để đáp ứng được nhu cầu của người dùng. Giải quyết bài toán nói trên, hiện nay ở
thị trường trong nước doanh nghiệp Việt Nam đã có thể tích hợp được các hệ thống
an ninh giám sát của các hãng thành một hệ thống hoàn thiện. Nhiều doanh nghiệp
đã phát triển được các phần mềm thông minh, có thể tích hợp được các hệ thống,
hiểu lẫn nhau. Công nghệ an ninh giám sát cũng được chế tạo để dành cho rất nhiều
người sử dụng ở các nước, với các ngôn ngữ khác nhau như: Anh, Pháp, Trung
Quốc, Nga và trong đó có cả ngôn ngữ tiếng Việt. Và phần mềm tích hợp thông

minh là phải giải quyết được việc giải nghĩa, dịch các loại ngôn ngữ đó, để người
dùng ở quốc gia nào, ngôn ngữ nào đều có thể lựa chọn cho phù hợp với điều kiện,
hoàn cảnh của mình.
1.2. CÁC TÍNH NĂNG CẦN THIẾT CỦA NHÀ THÔNG MINH
1.2.1. Chọn chế độ hoạt động với chỉ một nút bấm

Hình 1. 2. Chọn chế độ hoạt động của ngôi nhà

Thông thường để điều khiển tất cả các thiết bị trong nhà, ta cần tới hàng chục
công tắc, thậm chí với căn nhà lớn là hàng trăm công tắc. Với nhà thông minh, ta có
thể điều khiển tất cả bằng một vài nút bấm trên màn hình cảm ứng của smartphone
hay máy tính bảng. Ta 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.
Ví dụ khi khách đến, ta chỉ cần chạm vào chế độ “Tiếp khách”, đèn phòng
khách bật sáng rực rỡ, rèm kéo lên, điều hòa giảm xuống độ mát sâu hơn, giảm âm

15


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

lượng nhạc phát… Thông thường để làm được việc này thì ta phải chạy khắp căn
phòng và bấm rất nhiều công tắc, thật tiện nghi khi chỉ cần chạm vào một nút trên
màn hình để bật chế độ hoạt động là các thiết bị điện tự động hoạt động theo ý
muốn.
Trường hợp khi đi ngủ, thay vì phải kéo rèm, đóng cửa, tắt điện, mò mẫm đi
lên giường, ta chỉ việc chạm vào chế độ “Đi ngủ” trên điện thoại hoặc máy tính
bảng, hệ thống sẽ thực hiện giúp bạn tất cả những việc này, đồng thời kích hoạt hệ
thống an ninh, báo động khi phát hiện xâm nhập trái phép.

Hình 1. 3. Hệ thống điện sẵn sàng khi về nhà

Một kịch bản thường gặp, trước khi trở về nhà từ cơ quan, bạn chỉ cần bấm
chế độ: “Về nhà”, bình nóng lạnh sẽ bật, hệ thống quạt thông gió, điều hòa nhiệt độ
sẽ khởi động… để khi bạn về đến nhà, tất cả đã 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 mà
bạn ưa thích, điều hòa tăng nhiệt độ để giúp bạn đỡ “lười” ra khỏi giường trong mỗi
buổi sáng.

16


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

1.2.2. Hệ thống ánh sáng thông minh

Hình 1. 4. 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 thì đèn mới được bật sáng và tự động tắt khi không có
người. Không những thế, hệ thống ánh sáng còn có thể tự động điều chỉnh ở chế độ
phù hợp 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..
1.2.2. Hệ thống điều khiển rèm mành

Hình 1. 5. Hệ thống điều khiển rèm mành

Hệ thống rèm mành ngoài chế độ 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. Hệ thống
còn có thể 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.

17


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

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.
1.2.3. Hệ thống an ninh thông minh

Hình 1. 6. Hệ thống an ninh thông minh

Hệ thống an ninh trong ngôi nhà nắm giữ vai trò quan trọng, bảo vệ ngôi nhà
24/7, kiểm soát các nguy cơ cháy nổ (rò rỉ khí gas, chập điện), bị xâm nhập trái
phép… Hệ thống này gồm các thiết bị kiểm soát vào ra ACS (chuông cửa có hình
kết hợp kiểm soát vào ra bằng vân tay, mã số, thẻ từ), cảm biến phát hiện người,
cảm biến phát hiện kính vỡ, cảm biến khói, hệ thống IP camera ghi hình, hàng rào
điện tử..
1.2.4. Hệ thống kiểm soát môi trƣờng

Hình 1. 7. 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

18


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

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.
1.2.5. Hệ thống giải trí âm thanh đa vùng

Hình 1. 8. Hệ thống giải trí âm thanh

Hệ thống âm thanh đa vùng 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
giãn khi bắt đầu một ngày mới.
1.2.6. Trực quan với màn hình cảm ứng 3D

Hình 1. 9. Màn hình cảm ứng 3D

Nhà thông minh cho phép chủ nhân sẽ dễ dàng kiểm soát ngôi nhà thông qua
một giao diện trực quan 3D trên smartphone hay tablet, mà ở đó các thiết bị được
mô phỏng giống như đang sử dụng thực tế. Do đó, khi cần điều khiển các thiết bị

19

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

trong nhà, ta chỉ cần bấm vào các thiết bị đó trên màn hình điều khiển là có thể điều
khiển được. Khi muốn mở rèm thì ta chỉ cần bấm vào rèm trên màn hình cảm ứng,
khi muốn điều khiển điều hòa thì ta bấm vào hình ảnh điều hòa. Giao diện điều
khiển 3D ngoài việc hỗ trợ điều khiển tương tác các thiết bị trong phòng, nó còn hỗ
trợ người sử dụng “di chuyển” từ phòng này sang phòng khác như trong thực tế.
1.2.7. Điều khiển bằng giọng nói

Hình 1. 10. Điều khiển bằng giọng nói

Ngày 3/3, nhà sản xuất Mitsubishi Electric Corp của Nhật Bản tuyên bố họ đã
phát triển công nghệ thang máy kích hoạt bằng giọng nói nhằm hỗ trợ những người
phải ngồi xe lăn và những người khiếm thị không ấn được bàn phím thang máy.
Nhà sản xuất muốn đưa công nghệ trên vào ứng dụng thực tế khi họ trang bị
cho các thang máy được sản xuất mới của hãng như một chức năng bổ sung.
1.2.8. Kết nối không giới hạn

Hình 1. 11. Kết nối không giới hạn

Bạn có thể kiểm soát ngôi nhà từ bất cứ đâu. Bạn đang ở văn phòng, hay đang
trong kỳ nghỉ, hệ thống Nhà thông minh Unisys SmartHome giúp bạn dễ dàng kiểm
soát và điều khiển ngôi nhà từ thiết bị di động, máy tính bảng thông qua kết nối
Internet (Wifi, 3G).

20


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Với các công nghệ kết nối tiên tiến nhất như công nghệ truyền dữ liệu không
dây chuyên dụng Zigbee, công nghệ truyền dữ liệu trên đường điện PLC… hệ thống
Nhà thông minh có thể triển khai trên các ngôi nhà đang sử dụng hoặc xây mới mà
không phải đi lại đường điện hay sửa đổi hạ tầng. Thực tế sử dụng, nhu cầu phát
sinh và thay đổi là điều không tránh khỏi, bởi vậy với thiết kế không dây rất tiện lợi
cho việc mở rộng và thay đổi nhu cầu của người dùng. Ví dụ trong quá trình sử
dụng, người dùng có nhu cầu xây thêm phòng mới, mở rộng phòng cũ hay đơn giản
là lắp thêm một bể cá (có nhu cầu điều khiển ánh sáng, máy lọc nước theo các tiêu
chuẩn), thì tất cả sự thay đổi này đều có thể tích hợp vào hệ thống thông minh một
cách đơn giản.
1.3. GIỚI THIỆU NHÀ THÔNG MINH BKAV SMART HOME
1.3.1. Các tính năng [10]
Bkav tuyên bố làm chủ công nghệ sản xuất nhà thông minh nhờ việc làm chủ
thiết kế tạo dáng công nghiệp, thiết kế cơ khí, thiết kế điện tử, phát triển phần mềm
và hệ điều hành hoàn thiện cho nhà thông minh. Nhà sản xuất chỉ nhập khẩu các
linh kiện phụ trợ từ nước ngoài (tụ điện, điện trở từ Nhật, kính cường lực Gorilla
Glass từ Corning của Mỹ…). Bkav cho biết các đối tác này cũng là đối tác cung cấp
linh kiện cho Apple hay Samsung.
Việc điều khiển toàn bộ căn nhà SmartHome có thể thực hiện bằng nhiều
cách: ngoài phần mềm trên điện thoại/máy tính bảng còn có hệ thống bảng điều
khiển 6 kênh SH-CC6 và công tắc cảm ứng 4 kênh SH-CTZ4.
Cả hai bảng điều khiển đều có thiết kế liền mạch do phần panel cảm ứng
(dùng kính cường lực Gorilla Glass) được gắn chặt với khung nhôm. Nhà sản xuất
rất chú trọng vào thiết kế và tính thẩm mỹ của sản phẩm nên không cho phép người
dùng có thể tháo thiết bị từ mặt trước (phần mặt kính cảm ứng). Các thành phần bo
mạch, khung đỡ và màn hình được định vị bằng vít từ phía mặt sau, được gắn kết
với nhau thông qua gần chục con vít và dùng cơ cấu nhựa để gá đỡ các bộ phận,

21

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

không dùng băng keo. Việc tháo vít cũng không đơn giản bởi các con vít dùng cốt
đồng nên được bắt rất chặt.
Bảng điều khiển trung tâm 6 kênh SH-CC6

Hình 1. 12. Bảng điều khiển trung tâm 6 kênh SH-CC6

Bảng điều khiển SH-CC6 được thiết kế nhỏ gọn, hiện đại và tinh tế với khung
nhôm phay nguyên khối và màn hình Gorilla Glass thường thấy ở iPhone và các
smartphone cao cấp
Việc tháo rời nắp lưng thiết bị không gặp khó khăn gì do bảng mạch phía sau
được định vị vào khung bằng 4 ốc vít.

Hình 1. 13. Bảng mạch của SH-CC6

Bảng mạch phía sau điều khiển việc hiển thị các chuỗi ký tự trên màn hình
LCD phía trên. Các vùng khoanh đỏ là vị trí các connector: 1- Connector kết nối với
bảng mạch điều khiển phía trên. 2- Connector nối với màn hình LCD.
Bảng mạch thứ hai đặt ngay phía dưới bề mặt cảm ứng của SH-CC6. Bảng
mạch điều khiển này chứa các con chip và module kết nối không dây: 1- Vi xử lý

22


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

chính ST M32F100 của ST Micro Electronics, nhà sản xuất chip bán dẫn lớn nhất

thế giới có trụ sở tại Thụy Sĩ. 2- Còi chip. 3- Module ZigBee. 4- Cảm biến điện
dung ST16M31.

Hình 1. 144. Vi xử lý ST M32F100 và còi chip

Vi xử lý chính ST M32F100 của ST Micro Electronics cho phép điều khiển
các phần hiển thị trên màn hình LCD.
Còi chip (khi chạm vào nút bấm cảm ứng sẽ kêu bíp để thông báo đã nhận
lệnh) do hãng TDK (Nhật) sản xuất.

Hình 1. 15. Cảm biến điện dung và module zigbee

Cảm biến điện dung ST16M31 có tác dụng "đọc" lệnh từ phím cảm ứng phía
trên.
Module kết nối không dây ZigBee (công nghệ không dây công suất thấp an
toàn cho sức khỏe, dùng cho các thiết bị gia dụng) với tần số 2.4 Ghz của Murata
Nhật Bản. Murata cũng là đối tác cung cấp module WiFi cho iPhone 6.
Công tắc cảm ứng 4 kênh SH-CTZ4

Hình 1. 16. Công tắc cảm ứng 4 kênh SH-CTZ4

23


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Công tắc cảm ứng 4 kênh SH-CTZ4 sử dụng khung nhôm nguyên khối và có
thiết kế tương tự như SH-CC6.

Hình 1. 17. Mạch công suất và IC nguồn

Phần khoanh đỏ ở mạch công suất là rơ le để đóng/ngắt mạch điện, bốn rơ le
này tương ứng với 4 nút bấm cảm ứng. Đây là linh kiện của SUN Hold Electric
(Hồng Kông). Tên mã 1216A cho thấy linh kiện được điều khiển bằng tín hiệu một
chiều 12V và chịu được dòng tải tối đa 16A.
IC nguồn (của Power Integrations) gắn ở mặt sau mạch công suất sẽ chuyển từ
dòng điện xoay chiều sang điện một chiều 12V để cung cấp năng lượng điều khiển
rơ le.

Hình 1. 18. Bảng mạch điều khiển

Các linh kiện trên bảng mạch điều khiển cảm ứng: 1- Cảm biến điện dung
ST16M31 của ST Micro Electronics, tương tự như trên SH-CC6. 2- Còi chip của
TDK. 3- Module ZigBee của Murata.

24


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Thiết bị kết nối trung tâm

Hình 1. 19. Thiết bị kết nối trung tâm SH – BZ

Thiết bị kết nối trung tâm SH – BZ là cầu nối mạng thiết bị ZigBee với server
của hệ thống nhà thông minh Bkav SmartHome. Trong bán kính 8m, các thông tin
trạng thái của tất cả các thiết bị trong căn nhà được truyền về SH - BZ và sau đó
được chuyển đến server SmartHome.

Hình 1. 20. Bảng mạch chính

Bảng mạch chính trong thiết bị kết nối trung tâm gồm: 1- Vi xử lý Cortex-M3.
2- Module ZigBee. 3- Module nguồn NFM 5-5

Hình 1. 21. Vi xử lý Cortex-M3 và Module ZigBee

Vi xử lý Cortex-M3 của Texas Intruments (Mỹ), hãng sản xuất vi xử lý hàng
đầu thế giới. Vi xử lý này cũng tích hợp chip giao tiếp với máy tính qua mạng LAN,
Ethernet.

25