Bài 4: Hệ Thống Điều Khiển Trong Ngôi Nhà Thông Minh | Chuyên đề học tập Công nghệ 10 (Thiết kế và Công nghệ) | Chuyên Đề 2: Thiết Kế Mạch Điều Khiển Cho Ngôi Nhà Thông Minh - Lớp 10 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

Trang 28

Sau khi học xong bài này, em sẽ:

Trình bày được sơ đồ khối và nguyên tắc hoạt động của một hệ thống điều khiển cho ngôi nhà thông minh.

Hình 4.1 

Quan sát hình ảnh ngôi nhà thông minh trong Hình 4.1 và cho biết: Có những thiết bị nào trong ngôi nhà? Có những chức năng nào được điều khiển trong ngôi nhà thông minh?

I - KHÁI QUÁT VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH

Trong chương trình lớp 6, các em đã được làm quen với ngôi nhà thông minh. Trong chuyên đề của Công nghệ lớp 10, các em sẽ được tìm hiểu kĩ hơn về các công nghệ điều khiển phổ biến hiện nay đang được áp dụng cho việc phát triển ngôi nhà thông minh.

Một ngôi nhà thông minh là ngôi nhà được thiết kế kết hợp các công nghệ khác nhau nhằm đáp ứng các nhu cầu của người sử dụng, nhờ đó giúp cuộc sống trở nên tiện nghi hơn, đảm bảo an ninh, an toàn, tiết kiệm năng lượng. Ngoài ra các dịch vụ giám sát chăm sóc sức khoẻ cho người già, người khuyết tật, những người cần chăm sóc đặc biệt cũng được nghiên cứu phát triển trong ngôi nhà thông minh.

Khám phá

Lập sơ đồ tư duy thể hiện các đặc trưng của ngôi nhà thông minh.

Thông tin bổ sung

Một ngôi nhà thông minh có thể được thiết kế với hệ thống điều khiển cục bộ (hệ thống được đặt ngay tại ngôi nhà) hoặc dựa trên công nghệ Internet vạn vật với hệ thống điều khiển được triển khai trên nền tảng điện toán đám mây.

Trang 29

II - HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH

Một ngôi nhà thông minh có thể được thiết kế với hệ thống điều khiển cục bộ (hệ thống được đặt ngay tại ngôi nhà) hoặc dựa trên công nghệ Internet vạn vật với hệ thống điều khiển được triển khai trên nền tảng điện toán đám mây.

1. Ngôi nhà thông minh với hệ thống điều khiển cục bộ

a) Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển

Với hệ thống điều khiển cục bộ, các ngôi nhà thông minh được thiết kế với bộ điều khiển trung tâm đặt ngay trong nhà với các kịch bản hoạt động được tự động hoá theo nhu cầu của người sử dụng. Hình 4.2 trình bày sơ đồ khối đơn giản của một hệ thống điều khiển cho ngôi nhà thông minh, bao gồm hệ thống các cảm biến, camera, bộ điều khiển trung tâm và màn hình điều khiển.

Bộ điều khiển trung tâm

Người dùng

Màn hình điều khiển

Đầu vào (Cảm biến)

Camera

Cảm biến môi trường.

Đầu ra (Thiết bị điều khiển)

Khoá cửa

Đèn

Máy giặt, tủ lạnh,....

Hình 4.2. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển cục bộ cho ngôi nhà thông minh

Khám phá

Quan sát Hình 4.2 và cho biết bao gồm những cảm biến nào? 

– Cảm biến môi trường có thể bao gồm nhũng cảm biến nào?

– Các cảm biến đó tác động tới bộ điều khiển trung tâm để điều khiển các thiết bị tương ứng nào?

b) Nguyên tắc hoạt động

– Các cảm biến, camera: có nhiệm vụ thu nhận thông tin về các điều kiện môi trường của ngôi nhà để cung cấp cho bộ điều khiển trung tâm.

– Bộ điều khiển trung tâm: đóng vai trò là bộ não điều khiển mọi hoạt động của ngôi nhà. Với các thông tin thu nhận từ cảm biến, bộ điều khiển trung tâm sẽ ra quyết định điều khiển các thiết bị theo một thuật toán được người sử dụng thiết lập trước.

– Màn hình điều khiển: là thiết bị cho phép người sử dụng tương tác với hệ thống. Người sử dụng thông qua màn hình điều khiển có thể cài đặt các luật điều khiển cho bộ điều khiển trung tâm, điều khiển trực tiếp các thiết bị hoặc xem trạng thái hoạt động của các thiết bị.

Hệ thống điều khiển này có thể được mở rộng với bộ điều khiển trung tâm có giao diện kết nối internet, cho phép người sử dụng truy cập vào bộ điều khiển trung tâm từ bên ngoài ngôi nhà để giám sát và điều khiển các thiết bị trong nhà.

Trang 30

2. Ngôi nhà thông minh dựa trên công nghệ Internet vạn vật

a) Giới thiệu về công nghệ Internet vạn vật

Công nghệ Intemet vạn vật, hay còn gọi là công nghệ IoT (viết tắt của cụm từ tiếng Anh Internet of Things) là công nghệ được sử dụng trong thiết kế các hệ thống thông minh hiện nay. Với công nghệ IoT, các thiết bị trong hệ thống được kết nối để trao đổi thông tin với hệ thống điều khiển trung tâm qua mạng internet. Người sử dụng ở mọi nơi có thể kết nối với hệ thống trung tâm thông qua mạng intemet để giám sát và điều khiển các thiết bị trong hệ thống.

Cảm biến và cơ cấu chấp hành

Xử lí

Truyền thông

Các vật

Cổng nối

Nền tảng đám mây

Người dùng

Hình 4.3. Mô hình loT đơn giản

Mô hình IoT về cơ bản có các thành phần chính sau (Hình 4.3):

– Các vật (Things) được hiểu là thiết bị có tích hợp cảm biến và cơ cấu chấp hành, có nhiệm nhận thông tin và tác động lên đối tượng cần điều khiển, có khả năng xử lí và truyền thông tin. 

– Cổng nối (Gateway) là thiết bị trung gian giữa các thiết bị và nền tảng đám mây, có nhiệm vụ chuyển đổi các giao thức truyền thông không dây của các vật (things) sang giao thức truyền thông mạng internet. Trong một số ứng dụng, cổng nối có thể có tính năng lưu trữ, xử lí tại chỗ.

– Nền tảng đám mây là nơi triển khai các phần mềm trên nền điện toán đám mây, có nhiệm vụ lưu trữ, quản lí, xử lí các thông tin của hệ thống.

– Các thiết bị người dùng cuối như máy tính, điện thoại di động có thể kết nối với các dịch , vụ đám mây để giám sát, điều khiển các thiết bị.

Thông tin bổ sung

Hiện nay xu hướng các hệ thống dữ liệu doanh nghiệp thường được triển khai trên các nền tảng điện toán đám mây như nền tảng đám mây của Amazon, của Google, Microsoft, hoặc nền tảng đám mây của riêng các doanh nghiệp.

Trang 31

b) Hệ thống điều khiển cho ngôi nhà thông minh dựa trên công nghệ IoT

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Trước đây, ngôi nhà thông minh được thiết kế chủ yếu dựa trên các thiết bị thông minh có kết nối cục bộ với nhau trong phạm vi ngôi nhà và thường sử dụng kết nối có dây. Tuy nhiên, với công nghệ loT hiện nay, việc kết nối và điều khiển được mở rộng hơn. Người sử dụng ở mọi nơi đều có thể giám sát và điều khiển ngôi nhà thông minh một cách dễ dàng. Ngoài ra, tận dụng được lợi thể tính toán của các dịch vụ dựa trên nền tảng điện toán đám mây, việc phân tích các dữ liệu sử dụng các công nghệ trí tuệ nhân tạo và cơ sở dữ liệu lớn được tiến hành dễ dàng. Điều này giúp cho ngôi nhà ngày càng trở nên thông minh hơn, đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của con người.

Khám phá

Quan sát Hình 4.4 và mô tả thao tác, các tác động trung gian khi sử dụng điện thoại di động để bật/tắt một bóng đèn trong ngôi nhà thông minh.

Thông tin bổ sung

Công nghệ trí tuệ nhân tạo được ứng dụng trong việc điều khiển thiết bị trong ngôi nhà bằng giọng nói. Người sử dụng thay vì dùng tay tương tác với các bảng điều khiển hay điện thoại thông minh để điều khiển thiết bị thì có thể sử dụng tiếng nổi để ra lệnh điều khiển.

Thiết bị trong ngôi nhà thông minh:

Khoá cửa

Đèn

Máy giặt, tủ lạnh,...

Máy pha cà phê,...

Cảm biến môi trường

Camera

Thiết bị cổng nối

Nền tảng đám mây"

Quản lí kết nối loT

Quản lí thiết bị loT

Bảo mật thiết bị loT

Phân tích thiết bị IoT

Học máy

Cơ sở dữ liệu

Trực quan hóa

Người dùng:

Ứng dụng di động

Ứng dụng web

Hình 4.4. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cho ngôi nhà thông minh dựa trên công nghệ IoT

Hình 4.4 trình bày sơ đồ khối hệ thống điều khiển cho ngôi nhà thông minh dựa trên công nghệ IoT. Hệ thống bao gồm các thiết bị trong ngôi nha, thiết bị cổng nối, hệ thống điều khiển trung tâm, ứng dụng cho người dùng.

Trang 32

Nguyên tắc hoạt động

– Tất cả các thiết bị trong ngôi nhà, ví dụ như: máy điều hoà nhiệt độ, tủ lạnh, lò vi sóng, hay khoá cửa, camera, hoặc các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, đầu báo khói, báo cháy,... có khả năng kết nối mạng sử dụng các công nghệ truyền thông không dây như: Bluetooth, Zigbee, Wifi,...

− Thiết bị cổng nối có vai trò là nơi trung chuyển thông tin giữa các thiết bị trong ngôi nhà và hệ thống điều khiển trung tâm. Cổng kết nối cũng có thể có một số chức năng quản lí cục bộ, đóng vai trò như bộ điều khiển của ngôi nhà.

– Hệ thống điều khiển trung tâm được triển khai trên nền tảng điện toán đám mây là nơi lưu trữ thông tin về các thiết bị; quản lí tài khoản người dùng; quản lí việc đăng kí thiết bị. Ngoài ra, trên nền tảng đám mây, có thể thực hiện việc phân tích dữ liệu thu thập được để đưa ra các quyết định cần thiết cho hoạt động của ngôi nhà thông minh.

– Thông qua giao diện web trên máy tính hoặc qua các ứng dụng di động trên điện thoại thông minh, người dùng có thể giám sát, nhận thông tin cảnh báo, điều khiển ngôi nhà
của mình.

– Các cảm biến trong ngôi nhà thu nhận thông tin qua thiết bị cổng nối để gửi lên hệ thống điều khiển trung tâm qua internet. Hệ thống điều khiển được triển khai trên nền tảng tính toán đám mây sẽ lưu trữ và xử lí thông tin. Dựa vào các kịch bản mà người sử dụng thiết lập, lệnh điều khiển sẽ được gửi từ hệ thống điều khiển qua internet đến thiết bị cổng nối và cuối cùng đến thiết bị cần điều khiển.

Thông tin bổ sung

Wi-Fi (Wifi) là công nghệ mạng không dây, sử dụng sóng vô tuyến để truyền nhận dữ liệu tốc độ cao, khoảng cách ngắn. Công nghệ này được sử dụng để thay thế các loại dây cáp trong mạng cục bộ (LAN: Local Area Network).

Bluetooth là công nghệ truyền thông không dây, sử dụng sóng vô tuyến, để truyền thông tin trong khoảng cách ngắn giữa các thiết bị điện tử.

Vận dụng

Quan sát trong nhà của em và chỉ ra các thiết bị có thể được điều khiển bằng các bảng điều khiển từ xa hoặc bằng điện thoại di động. Trong số đó, thiết bị nào có khả năng kết nối internet?