Nghiên cứu và xây dựng bộ điều khiển thiết bị dân dụng trong phòng thông minh

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân
tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Đỗ Đạt. Nếu có gì sai phạm tôi xin hoàn toàn
chịu trách nhiệm.

Tác giả luận văn

Bùi Đình Thuần

1


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
MỤC LỤC...................................................................................................................2
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...............................................................................6
MỞ ĐẦU....................................................................................................................7
CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ ......................................................................................9
1.1. Giới thiệu .........................................................................................................9
1.1.1. Nhà thông minh là gì? ................................................................................9
1.1.2. Vai trò, ý nghĩa của công nghệ nhà thông minh.......................................10
1.2. Giải pháp xây dựng ngôi nhà thông minh tại trung tâm MICA – Đại học Bách
khoa Hà Nội ...........................................................................................................12
1.3. Vai trò của việc nghiên cứu, phát triển mô hình phòng thông minh trong Đào
tạo – Trường Đại học Sao Đỏ ................................................................................15
1.4. Mục tiêu của đề tài..........................................................................................17
CHƯƠNG 2. NHÀ THÔNG MINH .........................................................................19
2.1. Giới thiệu chung .............................................................................................19
2.2. Yêu cầu, mong muốn của người sử dụng .......................................................21

2.3. Công nghệ nhà thông minh.............................................................................21
2.3.1. Công nghệ nhà thông minh là gì?.............................................................21
2.3.2. Công nghệ nhà thông minh ......................................................................22
2.4. Điều khiển và hiển thị cho công nghệ nhà thông minh ..................................37
2.4.1. Điều khiển cho công nghệ nhà thông minh..............................................37
2.4.2. Hiển thị cho công nghệ nhà thông minh ..................................................39
2.5. Kết luận...........................................................................................................39
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN.....................................40
TRONG PHÒNG THÔNG MINH ...........................................................................40
3.1. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển phòng thông minh .................................40

2


3.1.1. Yêu cầu đối với bộ điều khiển..................................................................41
3.1.2. Yêu cầu với phần mềm điều khiển...........................................................41
3.2. Khối truyền thông không dây .........................................................................41
3.3. Bộ điều khiển ..................................................................................................41
3.3.1. Sơ đồ nguyên lý cấu trúc ..........................................................................41
3.3.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển ...........................................42
3.4. Thiết kế phần cứng cho bộ điều khiển............................................................42
3.4.1. Vi điều khiển ............................................................................................42
3.4.2. Chuẩn giao tiếp RS232.............................................................................49
3.4.3. Bộ điều khiển đường truyền MAX232.....................................................50
3.4.4. Thiết bị thu phát .......................................................................................51
3.4.5. IC PC 817 .................................................................................................55
3.4.6. Mạch nguồn..............................................................................................55
3.4.7. Sơ đồ nguyên lý Module điều khiển ........................................................56
3.4.8. Sơ đồ nguyên lý mạch ứng dụng..............................................................58
3.4.9. Kết nối module điều khiển với module ứng dụng....................................58

3.5. Triển khai phần mềm điều khiển trên máy tính..............................................60
3.5.1. Xây dựng giao diện điều khiển trên phần mềm Visual Basic 6.0 ............60
3.5.2. Phần mềm điều khiển ...............................................................................69
3.6. Kết quả thực hiện............................................................................................71
3.6.1. Giao diện điều khiển trên máy tính ..........................................................71
3.6.2. Bộ điều khiển thiết bị dân dụng điều khiển thông qua máy tính..............71
3.6.3. Triển khai lắp đặt mô hình thực nghiệm phòng thông minh....................72
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN.........................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................76
PHỤ LỤC..................................................................................................................78

3


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TT
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

Từ viết tắt
CFS
DAC
EIA
EIB

EIBG
IBI
IC
ICT

Tiếng Anh
Carrier Frequency System
Digital-to-Analog Converter
(Electronic Industries Alliance)
European Installation Bus
European Intelligent Building Group
The Intelligent Building Institute
Integrated circuit
Information and Communication
Technology
9. IEEE
Institute of Electrical and Electronic
Engineers
10. IP
Internet Protocol
11. ISM
Industrial, Scientific, Medical
12. LAN
Local Area Network
13. LCD
Liquid - Crystal Display
14. LON
Local Operating Network
15. MICA
Multimedia Information, Communication

& Applications
16. MOS
Metal-Oxide-Semiconductor
17. MSCOMM Activex Microsoft Comunication
18. OEM
Original Equipment Manufacturer
19. ODM
Original Design Manufacturer
20. PDA
Personal Digital Assistant
21. PLC
Power Line Communication
22. PSEN
Program Store Enable
23. PWM
Pulse Width Modulation
24. RCS
Ripple Carrier Signalling
25. TTL
transistor-transistor logic
26. UPB
Universal Powerline Bus
27. USB
Univeral Serial Bus
28. WAN
Wide Area Network

4

Tiếng Việt

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống SIAM
Hình 2.1: Mô hình nhà thông minh HAI
Hình 2.2: Điều khiển thiết bị chấp hành theeo công nghệ EIB
Hình 2.3: Cấu trúc hệ thống điều khiển thiết bị theo EIB
Hình 2.4: Giải pháp tổng thể cho ngôi nhà thông minh theo công nghệ EIB
Hình 2.5: Mô hình hệ thống điều khiển nhà thông minh sử dụng công nghệ Zigbee
Hình 2.6: Sơ đồ khối máy phát hồng ngoại
Hình 2.7: Sơ đồ khối máy thu hồng ngoại
Hình 2.8: Sơ đồ khôi hệ thống điều khiển nhà thông minh [7]

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển thiết bị dân dụng
Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc chung của vi điều khiển họ MCS51
Hình 3.4: Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển
Hình 3.5. RS 232 loại DB -9 và DB - 25
Hình 3.6: Hình dạng thực tế của Max232 CPE

Hình 3.7: Kết nối Max232 qua DB-9
Hình 3.8: Remote Cotrol điều khiển tivi Samsung
Hình 3.9: IC PT2248
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch phát hồng ngoại dùng PT2248
Hình 3.11: IC PT2249
Hình 3.12: Sơ đồ nối các chân của PT2249
Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý mạch thu tín hiệu hồng ngoại dùng PT2249
Hình 3.14: Hình dạng, sơ đồ nguyên lý, sơ đồ đấu nối PC 817
Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn
Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý Module điều khiển

Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý module ứng dụng
Hình 3.18: Các thuộc tính của COM
Hình 3.19: Module phần mềm MSCOMM.OCX
Hình 3.20: Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển
Hình 3.21: Giao diện điều khiển thiết bị phòng thông minh trên máy tính
Hình 3.22: Module bộ điều khiển thiết bị dân dụng kết nối máy tính
Hình 3.23: Mạch phát tín hiệu hồng ngoại dùng PT2248
Hình 3.24: Module kết nối đến mạch thu

5


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Mô tả chức năng của cổng P3.x của 8051
Bảng 3.2: Bảng chức năng các bít trong thanh ghi PSW
Bảng 3.3: Kết nối, gán địa chỉ giữa module điều khiển và module ứng dụng
Bảng 3.4: Gán địa chỉ để giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển

6


MỞ ĐẦU
Khoa học công nghệ phát triển, đời sống ngày một nâng cao, do đó nhu cầu về
chất lượng cuộc sống cũng ngày một tăng. Những ngôi nhà, toà nhà thông minh
được xây dựng ngày càng nhiều và ngày càng trở nên phổ biến trên thế giới nhằm
đáp ứng nhu cầu này. Nhà thông minh cũng đã bắt đầu được triển khai ở Việt Nam
và hứa hẹn sẽ phát triển mạnh trong tương lai gần. Xây dựng những ngôi nhà thông
minh là một trong những mục tiêu của ngành điều khiển và tự động hoá trong
những năm gần đây, trong đó việc nghiên cứu, phát triển hệ thống điều khiển trong
nhà là một trong những bài toán ưu tiên hàng đầu.

Sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay cũng đòi hỏi các cơ sở đào tạo
cần phải không ngừng nâng trình độ đội ngũ giáo viên, tăng cường cơ sở vật chất,
chế tạo mô hình, làm phong phú thêm các bài thí nghiệm, thực hành ... góp phần
nâng cao chất lượng đào tạo, tiếp cận với thành tựu khoa học đạt được của thế giới.
Với mục đích tìm hiểu, tiếp cận một lĩnh vực công nghệ mới phù hợp với
chuyên ngành được đào tạo “Đo lường và các hệ thống điều khiển”, luận văn mong
muốn nghiên cứu, tìm hiểu cơ sở lý thuyết về nhà thông minh, từ đó có thể nắm bắt,
làm chủ được những kiến thức liên quan tới việc phát triển, xây dựng hệ thống điều
khiển của nhà thông minh. Ngoài ra, dựa trên những kiến thức tìm hiểu được luận
văn cũng mong muốn phát triển được một mô hình hệ thống điều khiển các thiết bị
dân dụng trong phòng thông qua máy tính. Hệ thống điều khiển được xây dựng này
có thể mở rộng phục vụ cho hoạt động đào tạo trong lĩnh vực điều khiển, tự động
hóa tại Trường Đại học Sao Đỏ. Qua đó, kết quả của đề tài cũng góp phần làm tăng
thêm cơ sở vật chất, đa dạng hơn các bài thực hành, thí nghiệm cho nhà trường, góp
phần nâng cao chất lượng đào tạo.
Với những lý do trên, tác giả đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu và xây dựng
bộ điều khiển thiết bị dân dụng trong phòng thông minh”

Tôi xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo hướng dẫn: TS. Trần Đỗ Đạt,
người đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt cho tôi những phương pháp tư duy,
tiếp cận, giải quyết vấn đề một cách logic, khoa học, đồng thời là tấm gương

7


sáng về tinh thần làm việc nghiêm túc, hăng say nghiên cứu khoa học, tất cả
vì người học để tác giả noi theo. Tôi cũng chân thành cảm ơn các thầy, cô
giáo Khoa Điện, Trung tâm MICA, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận
tình giảng dạy, tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua!

8


CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1. Giới thiệu
Trong những năm gần đây, công nghệ và kỹ thuật xử lý tín hiệu số đã đạt
được nhiều bước tiến đáng kể. Nó thực sự là nền tảng cho việc xây dựng những hệ
thống đo lường số và cảm biến thông minh. Hiện nay, nhà thông minh không còn là
lĩnh vực mới và ngày càng phổ biến trong xã hội bởi những lợi ích to lớn mà nó
mang lại.

1.1.1. Nhà thông minh là gì?
Không có một định nghĩa duy nhất được chấp nhận cho khái niệm “nhà
thông minh”. Chúng ta có thể thấy một số định nghĩa về nhà thông minh như sau :
-

“Một ngôi nhà hoặc môi trường làm việc, bao gồm các công nghệ cho phép
các thiết bị và hệ thống được điều khiển một cách tự động” [25];

-

“Sự tích hợp của công nghệ và dịch vụ, ứng dụng cho nhà ở, căn hộ, phòng
ốc và những công trình nhỏ với mục đích tự động hóa chúng đồng thời tăng
được tính an toàn, bảo mật, tiện lợi, truyền thông thông tin và quản lý kỹ
thuật”[10];

-

“Thuật ngữ này được sử dụng để xác định một nơi ở sử dụng bộ điều khiển

để tích hợp thành một hệ thống tự động hóa tòa nhà. Sự tích hợp của hệ
thống tòa nhà cho phép các ngôi nhà có thể giao tiếp với nhau thông qua bộ
điều khiển, do đó cho phép các nút bấm đơn hoặc các mệnh lệnh bằng giọng
nói của hệ thống làm việc được đồng thời, trong các kịch bản được lập trình
sẵn hoặc thông qua các chế độ điều hành” [10]

-

Theo định nghĩa của Châu Âu (EIBG_European Intelligent Building Group)
nhóm phát triển cao ốc thông minh của Châu Âu, thì tòa nhà thông minh sẽ
phải phối hợp được những tinh túy, hiện đại nhất của:
o Các khái niệm (Concepts);
o Các vật liệu (Materials);
o Các hệ thống (Systems);

9


o Các kỹ thuật (Technologies) .
-

Theo định nghĩa của Mỹ _ IBI (The Intelligent Building Institute Học viện
Cao ốc thông minh), thì đó là cao ốc mà cung cấp một môi trường hữu ích và
hiệu quả cho hoạt động của con người thông qua sự tối ưu của 4 thành phần
cơ bản sau:
o Cấu trúc (structure);
o Hệ thống (Systems);
o Dịch vụ (Services);
o Quản lý (Management).

-

“Một nơi mà công nghệ thông minh được cài đặt và những công nghệ đó tạo
điều kiện cho việc giao tiếp tự động hoặc bắt đầu theo yêu cầu người sử
dụng, liên quan đến các thiết bị gia dụng, cảm biến, thiết bị chấp hành và
công tắc điều khiển” [10]
Như vậy, “Nhà thông minh” là ngôi nhà cho phép tích hợp các thiết bị điện

trong nhà vào một hệ thống nhằm đáp ứng nhu cầu phong phú của con người. Hệ
thống sẽ tự động xử lý các sự cố hoặc các tình huống đã được xác định trước và
thông báo cho chủ nhà biết mang lại sự an toàn, tiện nghi, tiết kiệm, linh hoạt, dễ
thay đổi, … cho ngôi nhà.

1.1.2. Vai trò, ý nghĩa của công nghệ nhà thông minh
Trong cuộc sống hiện đại ngày nay, mong ước về một ngôi nhà với hệ thống
điện hoàn toàn tự động ngày càng trở nên thiết thực và phổ biến hơn. Ngôi nhà
thông minh không còn là một khái niệm mới, rất nhiều ngôi nhà đã được lắp đặt, sử
dụng các thiết bị thông minh như hệ thống chiếu sáng, điều khiển nhiệt độ, điều hòa
không khí, hệ thống an ninh,... tạo cho chủ nhân một cuộc sống tiện dụng hơn, tiết
kiệm điện năng hơn, đảm bảo an ninh và an toàn hơn; thậm chí có thể tạo sự thư
giãn, hài hước cho gia chủ. Công nghệ này cũng có thể hỗ trợ những người cao tuổi,
khuyết tật bằng cách đơn giản hóa các thao tác truy cập đến các thiết bị trong nhà,
hệ thống báo động, liên kết đến các trung tâm chăm sóc thông qua mạng, remote
điều khiển,... Nói cách khác, đây là hệ thống giúp chủ nhân tận hưởng sự tiện nghi

10


của cuộc sống và dễ dàng quản lý tổng quát đối với cả tòa nhà. Chỉ với một chiếc
điều khiển từ xa, người sử dụng có thể điều khiển tất cả, dù đang ở bất kỳ nơi nào.

Những giá trị mà công nghệ nhà thông minh mang lại:
* Sự tiện lợi: Trong nhà thông minh, mọi thiết bị điện như tivi, bình nóng
lạnh, rèm cửa, máy bơm, điều hòa, đèn điện v.v… được kết nối với nhau, tất cả các
thiết bị điện trong nhà có thể điều khiển được mà không cần phải đến tận nơi. Hơn
nữa, thông qua mạng internet và điện thoại, ngôi nhà có thể quan sát, điều khiển các
thiết bị điện tại bất kỳ đâu và bất kỳ lúc nào.
* Giảm chi phí vận hành tòa nhà: Nhà thông minh giúp cho việc quản lý các
thiết bị điện trong nhà, hệ thống sẽ tự động bật các thiết bị điện khi cần và tắt khi
không sử dụng tùy theo thói quen sinh hoạt giúp giảm thiểu lãng phí điện năng. Bên
cạnh đó việc tăng giảm độ sáng tùy theo nhu cầu sử dụng cũng như điều kiện môi
trường bên ngoài sẽ giúp tiết kiệm rất nhiều việc tiêu hao điện năng dư thừa.
* Nâng cao tính hiệu quả, an ninh, an toàn: Với giải pháp nhà thông minh,
ngôi nhà sẽ được bảo vệ một cách tốt nhất. Hệ thống camera giám sát, hệ thống cảm
biến báo khói, báo rò khí ga, hệ thống hồng ngoại,… sẽ canh chừng cho gia đình
khi ngủ hay đi ra ngoài, đem đến giấc ngủ ngon hơn và cảm giác an tâm hơn. Khi
nhà bị đột nhập hoặc có nguy cơ cháy, giải pháp nhà thông minh sẽ tự động bật đèn,
hú còi, đồng thời báo ngay cho chủ nhà qua điện thoại hay gọi công an, cứu hỏa nếu
yêu cầu. Các phương thức báo động tùy thuộc vào ý tưởng của người sử dụng.
* Nâng cao thương hiệu quảng bá, thu hút nhiều khách hàng và từ đó tạo ra
nhiều giá trị mới.
* Hỗ trợ những người hạn chế về khả năng.
* Thân thiện với môi trường.
* Cải thiện chất lượng dịch vụ.

11


1.2. Giải pháp xây dựng ngôi nhà thông minh tại trung tâm MICA – Đại học
Bách khoa Hà Nội
Trung tâm nghiên cứu quốc tế về thông tin đa phương tiện, truyền thông và

ứng dụng - Multimedia Information, Communication & Applications (MICA)
Website: được chính thức khánh thành vào tháng 11 năm 2002.
Đây là kết quả của sự hợp tác toàn diện và chặt chẽ giữa trường Đại học Bách khoa
Hà Nội, Trung tâm nghiên cứu khoa học Quốc gia Cộng hoà Pháp và Viện Đại học
Bách khoa Quốc gia Grenoble. Với diện tích sử dụng gần 900 m2, trung tâm MICA
được tổ chức thành 3 nhóm nghiên cứu:
1. Xử lý thông tin đa phương tiện;
2. Đo lường tiên tiến;
3. Nghiên cứu phát triển ứng dụng công nghiệp.
Hoạt động nghiên cứu khoa học và đào tạo của trung tâm liên quan đến các
lĩnh vực: Công nghệ thông tin, Điện tử-Viễn thông, Đo lường và các hệ thống điều
khiển. Trong quá trình thực hiện luận văn, em được học tập, nghiên cứu, khảo sát
tại trung tâm MICA, được tiếp xúc, học hỏi các thầy cô nhóm TIM (xử lý thông tin
đa phương tiện) và nhóm SIA (Các hệ thống đo lường tiên tiến), qua đó học hỏi,
tiếp thu được nhiều kiến thức bổ ích về khoa học kỹ thuật nói chung, công nghệ nhà
thông minh nói riêng.
Các ứng dụng về “đồ vật thông minh”, “nhà thông minh” ngày càng phát
triển mạnh, chúng ta thường gọi chúng dưới cái tên môi trường cảm thụ hay không
gian cảm thụ, đây là nơi các công nghệ mới nhất (Internet/Ethernet, Wifi, Powerline
Carrier, USB, Bluetooth, v.v.) được sử dụng. Chính vì vậy, cán bộ nghiên cứu tại
trung tâm MICA đã triển khai dự án SIAM2 trong khuôn khổ một dự án nghiên cứu
lớn của trung tâm. Hình 1.1 giới thiệu về cấu trúc của hệ thống.

12


Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống SIAM
Hệ thống có thể được mô tả khái quát như sau:
Module thi hành điều khiển: Chúng ta tập trung vào việc điều khiển các thiết
bị như các loại đèn (đèn sợi đốt, đèn neons, đèn halogens), các loại máy sưởi, rèm

cửa, các thiết bị điện tử như tivi, camera... Nhóm này được đặt tên là SIAMC.
Module truyền thông: Các thiết bị thu sẽ thu thập thông tin của môi trường
xung quanh như nhiệt độ, áp suất, …sau đó thông qua module truyền thông gửi
thông tin đến server. Nhóm này được đặt tên là SIAMM.
Với module truyền thông, các dữ liệu truyền từ các module thu nhận tới các
module điều khiển đều được truyền dưới dạng không dây như Wife, Bluetooth, ...
Nhóm này được đặt tên là SIAMA.
Để mô hình có hiệu quả khi hoạt động thì chúng sẽ được chia thành các khối,
các module tích hợp dùng công nghệ tích hợp. Nhóm này được đặt tên là SIAMN.

13


*Môi trường cảm thụ SIAM
Trong quá trình tìm hiểu, nhóm SIAM 2 đã phân ra các ứng dụng thông minh
cho môi trường SIAM2 như sau:
- Nhận biết được sự có mặt của con người trong phòng: khi một người bước
vào phòng, hệ thống đèn có thể tự động bật sáng chẳng hạn.
Thiết bị có thể dùng: Cảm biến hồng ngoại, relay.
Hành động: Bật/tắt đèn.
- Hệ thống báo cháy: Khi phát hiện ra khói có nồng độ vượt quá giá trị cho
phép, hệ thống sẽ báo động và phun nước từ hệ thống chống cháy trong tòa nhà.
Thiết bị cần dùng: Cảm biến khói, hệ thống phun nước, relay.
Hành động: Dựa vào cảm biến khói để bật/tắt chuông báo động và hệ thống
phun nước chữa cháy.
- Hệ thống điều hòa nhiệt độ: Giữ nhiệt độ trong phòng ở giá trị mong muốn.
Khi nhiệt độ đo được từ cảm biến cao hơn so với giá trị đặt, hệ thống quạt và điều
hòa tự động bật. Ngược lại, nếu nhiệt độ đo được thấp hơn giá trị đặt, hệ thống quạt
tự động tắt, hệ thống sưởi tự động bật lên.
Thiết bị cần thiết: Cảm biến nhiệt độ, relay.

- Hệ thống ánh sáng: Tự động bật/tắt hệ thống đèn hay đóng/mở rèm cửa sổ để
ánh sáng trong phòng đạt được giá trị mong muốn, hoạt động cũng tương tự hệ
thống điều hòa nhiệt độ.
- Hệ thống giải trí gia đình: Có hệ thống mạng tốc độ cao, kết nối Internet,
giúp người sử dụng có thể cập nhật thông tin, giải trí bất cứ lúc nào và bất cứ ở đâu
trong nhà.
- Hệ thống bảo vệ: Hệ thống camera giám sát, có khả năng nhận dạng người ra
vào ngôi nhà.
- Tích hợp khả năng điều khiển PDA, hay kiểm soát hoạt động qua Internet.
Sau khi nghiên cứu các giải pháp và phân loại môi trường cảm thụ, dự án đã
đưa ra các nhiệm vụ nghiên cứu sau:
- Tìm hiểu môi trường cảm thụ;

14


- Tìm hiểu các kỹ thuật và công nghệ truyền tin Bluetooth, Wifi và PLC;
- Nghiên cứu các đặc tính của các module điều khiển và thu thập;
- Nghiên cứu tích hợp các module này vào cấu trúc tổng thể của đề tài SIAM2.

1.3. Vai trò của việc nghiên cứu, phát triển mô hình phòng thông minh
trong Đào tạo – Trường Đại học Sao Đỏ
Trường Đại học Sao Đỏ trực thuộc Bộ Công Thương, được thành lập trên cơ
sở nâng cấp Trường Cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ theo Quyết định số 376 – TTg
ngày 24 tháng 3 năm 2010 của Thủ tướng chính phủ. Trường có trụ sở chính (Cơ sở
1) tại số 24, phố Thái Học 2, Phường Sao Đỏ; Cơ sở 2 đặt tại thôn Ninh Chấp,
Phường Thái Học, thị xã Chí Linh, tỉnh Hải Dương với quy mô hơn 500 cán bộ,
giảng viên, giáo viên và hơn 15.500 học sinh, sinh viên. Sau 41 năm xây dựng và
phát triển, nhà trường đã đào tạo, cung cấp cho xã hội hơn 80 nghìn công nhân kỹ
thuật, kỹ thuật viên trung cấp, thợ cả, giáo viên dạy nghề, kỹ thuật viên cao đẳng có

trình độ kỹ thuật cao phục vụ cho sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.
Hiện nay, nhà trường đang đào tạo 5 cấp đào tạo: Đại học – 6 ngành, Cao đẳng – 23
ngành, Trung cấp chuyên nghiệp – 10 ngành, Cao đẳng nghề - 7 nghề và Trung cấp
nghề - 7 nghề với chủ trương đa dạng hóa các loại hình đào tạo, đào tạo đa cấp, đa
ngành, đa lĩnh vực.
Mục tiêu đào tạo của nhà trường là “Đào tạo những gì xã hội cần chứ không
chỉ đào tạo những gì nhà trường đang có”, đào tạo gắn với sử dụng, đáp ứng nhu
cầu của thị trường lao động. Khoa học công nghệ ngày càng phát triển, nhu cầu về
trình độ, tay nghề của các doanh nghiệp, người sử dụng lao động ngày một cao đòi
hỏi nhà trường cần phải không ngừng: Đẩy mạnh công tác nghiên cứu khoa học,
nâng cao trình độ đội ngũ giảng viên, giáo viên; Đổi mới nội dung chương trình,
giáo trình; Đổi mới phương pháp dạy học; Tăng cường đầu tư mua sắm trang thiết
bị phục vụ đào tạo …
Đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao đáp ứng nhu cầu thực tiễn đòi hỏi các
trường không ngừng nâng cao chất lượng toàn diện, trong đó học đi đôi với hành, lý
thuyết gắn liền với thực tế luôn là một trong những yếu tố cần được quan tâm hàng

15


đầu. Đối với đa số các trường thì việc đầu tư, mua sắm trang thiết bị, máy móc, mô
hình hiện đại phục vụ giảng dạy là vô cùng cần thiết. Tuy nhiên, trong điều kiện
kinh phí còn hạn hẹp thì việc phát huy nội lực, đẩy mạnh công tác nghiên cứu, tự
chế tạo phương tiện, đồ dùng, thiết bị dạy học là một chủ trương đúng và rất thiết
thực cho sự phát triển lâu dài của nhà trường. Qua thực tế cũng như tham khảo ở
nhiều trường, thì việc đầu tư mua sắm trang thiết bị của các trung tâm, công ty, viện
nghiên cứu,… đa số mô hình có tính thẩm mỹ cao, nhưng chi phí tốn kém, chuyển
giao công nghệ, bảo hành bảo dưỡng gây nhiều phiền toái về thời gian, công sức, …
Hơn nữa, lại không phát huy hết năng lực nghiên cứu của đội ngũ giáo viên.
Khi đời sống của con người được nâng cao và cải thiện, cũng sẽ tạo ra cho

chúng ta những nhu cầu cao hơn trong cuộc sống. Hãy tưởng tượng khi trở về nhà
sau một ngày làm việc mệt mỏi, mọi thứ đã sẵn sàng, tất cả đều tự động, và việc cần
làm là nghỉ ngơi và tận hưởng. Trong xã hội, vẫn có không ít người còn bị hạn chế
về khả năng (người cao tuổi, tàn tật, khuyết tật,...), nhu cầu về trao đổi thông tin,
thỏa mãn các đòi hỏi cá nhân là rất lớn. Những người này cần có sự trợ giúp của
máy móc, công nghệ, đơn giản như việc điều khiển các thiết bị trong phòng với
những người hạn chế về khả năng di chuyển thì việc này cũng khó khăn và cần sự
hỗ trợ rất nhiều.
Tự động hóa là lĩnh vực loài người luôn hướng tới bởi nó cho phép nâng cao
hiệu quả kinh tế, nâng cao chất lượng sản phẩm, dịch vụ, mang lại sự tiện lợi cho
người sử dụng, ...
Xu hướng phát triển chung của xã hội, tình hình thực tế của nhà trường đòi
hỏi mỗi cán bộ, giảng viên cần phải không ngừng nâng cao năng lực nghiên cứu,
ứng dụng khoa học kỹ thuật hiện đại, tiên tiến, chế tạo phương tiện, mô hình, đồ
dùng dạy học phục vụ giảng dạy,... giúp cho sinh viên dễ dàng tiếp thu được bài học
trên lớp cũng như tự nghiên cứu ở nhà. Nhà thông minh mở ra một hướng nghiên
cứu giúp người giảng viên có thể nâng cao trình độ, tiếp cận với khoa học, công
nghệ mới, qua đó có thể xây dựng, phát triển các ứng dụng trong cuộc sống thường
ngày, đặc biệt có thể xây dựng được các mô hình, bài thí nghiệm làm giàu thêm cơ

16


sở vật chất cho nhà trường, phong phú hơn về nội dung các bài thực hành, thí
nghiệm trong lĩnh vực tự động hóa,... góp phần nâng cao chất lượng toàn diện trong
nhà trường. Đây cũng là một trong những lý do chính giúp em lựa chọn đề tài.

1.4. Mục tiêu của đề tài
Là một giảng viên công tác tại khoa Điện, trường Đại học Sao Đỏ, sau hai
năm học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội với mong muốn

được học tập, nâng cao trình độ phục vụ giảng dạy, công tác, tôi đã lựa chọn đề tài
với mục tiêu nghiên cứu về công nghệ nhà thông minh, từ đó triển khai xây dựng bộ
điều khiển thiết bị dân dụng trong phòng thông minh. Kết quả nghiên cứu của đề tài
sẽ là bước đệm quan trọng trong việc mở ra một hướng nghiên cứu ứng dụng mới
trong nhà trường, đồng thời làm giàu thêm cơ sở vật chất, phong phú hơn nội dung
các bài thực hành, thí nghiệm của khoa Điện, trường Đại học Sao Đỏ góp phần nâng
cao chất lượng đào tạo của nhà trường.
Yêu cầu đặt ra là nắm bắt được kiến thức về ngôi nhà thông minh, trên cơ sở
kết quả tìm hiểu, nghiên cứu, kết hợp lý thuyết chuyên ngành được đào tạo thực
hiện việc thiết kế bộ điều khiển để điều khiển các thiết bị dân dụng trong phòng
thông minh thông qua giao diện điều khiển trên máy vi tính (phương thức truyền
tin, nhận tín hiệu, truyền thông giữa máy tính với bộ điều khiển, truyền thông giữa
bộ điều khiển với thiết bị dân dụng – đối tượng điều khiển).
Vấn đề này đã được thực hiện bởi nhiều hãng thiết bị gia dụng lớn trên thế
giới như LG, Siemens … như là giải pháp không dây cho ngôi nhà thông minh, tuy
nhiên giá thành cho gói giải pháp như vậy là rất tốn kém và chưa phổ biến ở những
nước như Việt Nam.
Trong đề tài này, hệ thống điều khiển thiết bị dân dụng cho phòng thông
minh được xây dựng dựa trên những module rời, nhằm ghép nối được vào thiết bị
sẵn có, thực hiện được những tác vụ điều khiển đơn giản.
Thiết bị cho giải pháp gồm hai phần chính:
– Bộ điều khiển giao tiếp với máy tính (Module điều khiển)

17


– Đối tượng điều khiển – là các thiết bị dân dụng như ti vi, quạt điện, thiết
bị chiếu sáng…
Phần mềm trên máy tính sẽ quản lý, điều khiển bộ điều khiển qua đó điều
khiển các thiết bị chấp hành trên. Trong phần tiếp theo luận văn sẽ tập trung đi sâu

vào việc tìm hiểu những vấn đề liên quan tới ngôi nhà thông minh và hệ điều khiển
trong nhà thông minh.

18


CHƯƠNG 2. NHÀ THÔNG MINH

2.1. Giới thiệu chung
Như đã trình bày tại Chương một, khái niệm Nhà thông minh có thể hiểu là
ngôi nhà mà các thiết bị của nó với cấu trúc đặc biệt cho phép chủ nhân của chúng
có thể điều khiển từ xa hoặc cho toàn bộ các thiết bị điện trong nhà hoạt động tự
động theo chương trình định trước bằng một lệnh đơn giản. Ngày nay, cùng với sự
phát triển của khoa học và công nghệ, đặc biệt là công nghệ điện tử đã làm cho điều
kiện sống con người ngày càng có nhiều thay đổi. Các thiết bị điện tử gia dụng như
máy giặt, điều hòa, ti vi…dường như ngày càng thông minh hơn nhờ được ứng
dụng các thành tựu của khoa học, công nghệ.
Ngôi nhà thông minh dưới góc độ kỹ thuật là ngôi nhà mà các thiết bị của nó
với cấu trúc đặc biệt cho phép chủ nhân của chúng có thể điều khiển từ xa hoặc cho
toàn bộ các thiết bị điện trong nhà hoạt động tự động theo chương trình định trước
bằng một lệnh đơn giản. Ví dụ, chủ nhà có thể sử dụng một chiếc điện thoại để ra
lệnh cho hệ thống an ninh, điều khiển nhiệt độ, bật tắt một vài thiết bị, điều khiển hệ
thống chiếu sáng, cho phép hệ thống giải trí hay hệ thống rạp hát tại nhà hoạt động,
hay thực hiện nhiều tác vụ khác. Phạm vi của hệ thống thông minh ngày càng được
mở rộng theo sự phát triển của công nghệ điện tử, vi xử lý, công nghệ thông tin.
Hình 2.1 minh họa cho mô hình một hệ thống nhà thông minh của HAI.
Trong ngôi nhà thông minh có thể bao gồm các hệ thống an ninh, báo cháy, chiếu
sáng, điều khiển nhiệt độ, âm thanh, hệ thống giải trí, bể bơi, spa, điều khiển rèm
cửa, bơm tưới cây, và các hệ thống khác mà chúng có thể giao tiếp và phối hợp hoạt
động cùng nhau. Tuy nhiên, tùy từng yêu cầu cụ thể mà hệ thống nhà thông minh có

thể chỉ bao gồm một vài hệ thống hoặc tất cả các hệ thống trên.

19


Hình 2.1: Mô hình nhà thông minh HAI

20


2.2. Yêu cầu, mong muốn của người sử dụng
Công nghệ ngày một phát triển, đời sống ngày được cải thiện và nâng cao, do
đó mà con người cũng ngày càng mong muốn được tận hưởng cuộc sống cao hơn.
Nhu cầu là rất phong phú và đa dạng, nhưng có thể tổng hợp lại thành các tiêu chí
cơ bản sau:
- Sự tiện lợi: Hệ thống nhà thông minh cũng giống như một hệ thống giải trí.
Hệ thống cần mang đến những trải nghiệm thú vị, mới lạ và cũng dễ sử dụng. Luôn
kiểm tra được ngôi nhà trong những chuyến đi xa nhà;
- Thao tác đơn giản: Giao diện màn hình theo yêu cầu của ở dạng Menu điều
khiển được thiết kế theo yêu cầu tạo nên sự thoải mái và thuận tiện khi sử dụng,
thậm chí trẻ em cũng có thể hướng dẫn, sử dụng các chức năng cơ bản của hệ
thống;
- An toàn: Tăng cường tính an toàn là mối quan tâm chính của những người
sống trong một ngôi nhà thông minh. An toàn dựa trên các yếu tố cơ bản như: Xử lý
các các sự cố thường xuyên và không thường xuyên trong nhà, thậm chí các sự cố
không xảy ra, kịp thời đưa ra các thông tin, báo động khi xảy ra sự cố;
- Độ tin cậy;
- Giảm thiểu chi phí năng lượng;
- Thay đổi chức năng linh hoạt;
- Có thể mở rộng, nâng cấp với chi phí thấp;

- Có tính thẩm mỹ;
- Chi phí thấp.

2.3. Công nghệ nhà thông minh

2.3.1. Công nghệ nhà thông minh là gì?
Công nghệ nhà thông minh là một thuật ngữ chung về công nghệ thông tin và
truyền thông (ICT - Information and Communication Technology) được ứng dụng
cho nhà ở, nơi mà các thành phần khác nhau được giao tiếp thông qua một mạng nội
bộ. Công nghệ này có thể được sử dụng để theo dõi, cảnh báo và thực hiện các chức
năng được lập trình sẵn để lựa chọn. Công nghệ nhà thông minh cũng cho phép tự

21


động giao tiếp với môi trường xung quanh, internet, điện thoại cố định hoặc điện
thoại di động.
Công nghệ nhà thông minh tạo ra sự linh hoạt và phối hợp các thuật toán
chức năng khác nhau so với cài đặt thông thường và hệ thống kiểm soát môi trường,
vì các chương trình, các thông điệp được tích hợp, trao đổi thông qua mạng. Ví dụ
như điều khiển tự động chiếu sáng, đèn có thể tự động bật, tắt kết hợp với các sự
kiện khác xảy ra trong ngôi nhà.

2.3.2. Công nghệ nhà thông minh
Hiện nay trên thế giới người ta ứng dụng rất nhiều công nghệ điều khiển làm
nền tảng để phát triển các sản phẩm cũng như các ứng dụng cho ngôi nhà thông
minh. Một cách chung nhất có thể chia thành các loại chính sau:
- Công nghệ truyền thông thông qua đường dây điện (Power Line
Communication – PLC). Ví dụ như X10 thông qua đường dây điện;
- Công nghệ Busline: Sử dụng một đường cáp tín hiệu riêng để tạo môi

trường truyền thông giữa các thiết bị điều khiển và chấp hành;
- Công nghệ sóng vô tuyến: Sử dụng sóng vô tuyến làm môi trường truyền
thông giữa các thiết bị. Ví dụ như Bluetooth;
- Công nghệ sóng hồng ngoại.
Truyền thông qua đường dây điện từ có thể dễ dàng cài đặt, nhưng có thể bị
nhiễu điện từ do đường dây điện gây ra. Khi sử dụng với mục đích chính là điều
khiển các thiết bị điện thông thường, chẳng hạn như đèn điện hay động cơ thì nó có
thể làm việc dễ dàng, tuy nhiên nếu hệ thống có thêm đáng kể các tín hiệu cần
truyền như của cảm biến thì sẽ gặp nhiều hạn chế về bảo toàn thông tin, nhiễu,...do
tín hiệu từ các cảm biến là các tín hiệu nhỏ, nhiễu rất dễ xâm nhập.
Công nghệ Busline thì cần phải trang bị thêm dây cáp để truyền dữ liệu, do
đó có thể phức tạp thêm về cấu trúc và cài đặt hệ thống, tuy nhiên nâng cao được
tính an toàn, bảo mật thông tin.
Truyền tin bằng sóng vô tuyến ngày càng trở lên phổ biến vì nó cho phép cải
tạo, lắp đặt các cảm biến được dễ dàng. Cảm biến có thể đặt ở bất cứ vị trí nào mà

22


không phải đi dây cồng kềnh, phức tạp, và với công nghệ chế tạo pin hiện đại ngày
nay, cảm biến có thể hoạt động lâu dài, nhiều năm mà không phải thay pin. Công
nghệ này càng được sử dụng phổ biến trong các hệ thống bảo mật cho ngôi nhà và
hệ thống báo động xã hội.
Truyền tin bằng sóng hồng ngoại cũng được áp dụng cho truyền thông trong
các ngôi nhà, và rất lý tưởng trong việc điều khiển, kiểm soát các thiết bị trong nhà
như ti vi, quạt, ... Nó có thể được sử dụng để cung cấp một giao diện người dùng
với hệ thống nhà thông minh, cho phép tự do kết nối với các phần tử khác trong hệ
thống. Nó cũng cho phép kết nối linh hoạt với các thiết bị hỗ trợ người khuyết tật,
hệ thống điều khiển cũng như các thiết bị truyền thông. Mặc dù vậy, công nghệ này
cũng bị giới hạn bởi khoảng cách truyền tin, và cũng không thực sự thích hợp khi có

nhu cầu truyền tin an toàn.
Mỗi công nghệ đều có tiềm năng, thế mạnh, hạn chế riêng và không có một
giải pháp duy nhất, lý tưởng sử dụng cho ngôi nhà thông minh. Tùy theo từng công
nghệ mà ta sẽ thấy ở nó những điều thú vị. Sau đây giới thiệu một số công nghệ phổ
biến ứng dụng trong các ngôi nhà thông minh.

2.3.2.1. Công nghệ X10
Power Line Communication (PLC) công nghệ mới được sử dụng để truyền
dữ liệu thông qua mạng điện trong nhà, các công trình xây dựng hoặc ngoài trời.
Công nghệ này tuy còn mới mẻ với khách hàng nhưng thực ra đã được sử
dụng từ đầu thế kỷ 20, cho các mục đích truyền thông tin của nội bộ ngành Điện. Ví
dụ như hệ thống CFS (Carrier Frequency System), sử dụng các máy phát 10W để
truyền thông tin bảo vệ, đo đạc trên đường dây cao thế với khoảng cách lên tới
500km hay hệ thống RCS (Ripple Carrier Signalling) sử dụng trong quản lý tải của
hệ thống truyền tải điện hạ thế và trung thế. Hiện nay, công nghệ PLC được sử dụng
cho các ứng dụng trong nhà như hệ thống giám sát, cảnh báo, tự động hoá, ...
Mạng PLC trong nhà sử dụng mạng điện trong nhà làm phương tiện truyền
dẫn, để kết nối các thiết bị sử dụng trong nhà như máy tính, điện thoại, máy in và

23


các thiết bị video, gọi là hệ thống mạng PLC LAN. Như vậy đã tránh được việc lắp
đặt các mạng cáp mới tốn kém chi phí.
Về cấu trúc, mạng PLC trong nhà không khác nhiều so với cấu trúc mạng
truy nhập PLC sử dụng lưới điện hạ thế. Trong cấu trúc này, có một trạm gốc PLC
đặt tại vị trí công tơ điện để kết nối với mạng PLC backbone. Các thiết bị trong nhà
kết nối với trạm gốc thông qua các modem PLC đặt tại các ổ cắm điện. Mạng PLC
trong nhà không chỉ có thể kết nối đến mạng truy nhập sử dụng công nghệ PLC mà
còn có thể kết nối đến các mạng truy nhập khác.

X10 là giao thức thông tin cho phép các thiết bị liên lạc với nhau thông qua
mạng dây điện trong nhà. Tín hiệu được truyền đi được mã hóa với tần số 120Kz
cùng với tín hiệu điện với tần số công nghiệp (50 – 60 Hz). Hầu hết các thiết bị
tương thích X10 có giá thành chấp nhận được, chúng được điều khiển thông qua hệ
thống dây dẫn điện trong nhà có nghĩa là không phải tốn nhiều kinh phí, thời gian
để làm thêm một hệ thống dây điều khiển khác.
X10 được điều khiển hoàn toàn bằng "ngôn ngữ" mã lệnh truyền trên chính
cáp cấp nguồn điện đến từng thiết bị, theo nguyên tắc đặt mã là một chữ cái từ A
đến Z và chữ số từ 1 đến 16.
Các ký tự từ A-Z (chỉ sử dụng 16 chữ cái) được quy định là mã của ngôi nhà
(House Code) và các chữ số từ 1-16 (16 số) được gọi là thứ tự của thiết bị (Unit
Code). Với lượng ký tự và chữ số này, trong chỉ một hệ thống, người ta có thể thiết
lập đến 256 mã lệnh khác nhau, tương ứng với mỗi mã lệnh có thể được gán cho
một hoặc nhiều thiết bị X10 tùy thuộc vào mục đích điều khiển thiết bị sử dụng.
Giống như mọi công nghệ ngôi nhà thông minh trên thế giới, công nghệ X10
cũng có thể tham gia vào mọi hệ thống điều khiển trong tòa nhà:
- Hệ thống điều hòa không khí: Không chỉ là những chiếc máy điều hòa
thông thường, nhờ công nghệ tự động hóa thông minh, hệ thống còn có khả năng
giao tiếp với trạm điều khiển trung tâm thực hiện giám sát và thay đổi tham số của
hệ thống cho phù hợp với thời gian trong ngày, với các mùa, và các khoảng trống...

24


Hệ thống có thể giám sát từ xa chất lượng không khí lưu thông trong tòa nhà và cho
phép quan sát từ bất kỳ nút nào trong mạng thông tin.
- Hệ thống điều khiển ánh sáng (lighting control): Dựa vào nhiều thông số
(lưu lượng, cường độ ánh sáng, độ rọi), hệ thống sẽ đảm bảo chất lượng chiếu sáng
đúng như yêu cầu, thông báo cho bạn biết khi nào ắc quy dự phòng của hệ thống
chiếu sáng khẩn cấp ở trạng thái yếu, nhờ đó có thể thay thế kịp thời. Mọi sự cố liên

quan đến hệ thống chiếu sáng đều được truyền về trung tâm và người sử dụng có
thể biết những thông tin này ở bất cứ nút nào trong mạng điều khiển.
- Hệ thống điều khiển cổng vào/ra (access control): Với hệ thống này, có thể
tận dụng tối đa những yêu cầu bảo mật riêng như cài mã bằng vân tay, mã số, mã
điều khiển để đóng/mở cửa phòng, thu thập thông tin giám sát các cổng vào/ra về
trung tâm bằng hệ thống thẻ kiểm soát, thậm chí đăng nhập từ xa qua mạng máy
tính.
- Hệ thống điều khiển đảm bảo an toàn (security control): Thông thường, hệ
thống điều khiển có tính phức tạp và quan trọng nhất trong tòa nhà. Ngoài hệ thống
an ninh chính là hệ thống đảm bảo an toàn chống cháy nổ, khí độc, ngập úng trong
khi sử dụng lửa, khí đốt, khói, nước... Hệ thống điều khiển an toàn sẽ có khả năng
phản ứng kịp thời đối với từng trường hợp thông qua liên lạc thông tin hai chiều
giữa trung tâm điều khiển tòa nhà với chủ nhà, cảnh sát, cứu hỏa, và các đội cứu hộ
khác một cách hoàn toàn tự động.
Hầu hết các sản phẩm X10 hoạt động tốt không gặp bất cứ vấn đề gì. Tuy
nhiên, vì các thiết bị X10 liên kết với nhau thông qua mạng điện trong nhà nên
chúng sẽ gặp một số trở ngại như: Có thể gây ra nhiễu lên đường dây điện; Nguy cơ
khi thiết bị X10 phát tín hiệu trên đường truyền tải điện một pha và thiết bị nhận tín
hiệu lại ở pha khác; Nhiều khi tín hiệu tự động chuyển sang 2 pha khi đi qua một số
thiết bị 220V. Điều này có thể khắc phục bằng cách dùng bộ ghép pha SignaLinc.
Những ưu điểm cơ bản của X10: Tại Mỹ người ta ước tính rằng có khoảng
mười triệu nhà đang sử dụng công nghệ X10 bởi những tiện ích mà X10 mang lại

25