Nghiên cứu xây dựng mô hình điều khiển nhà thông minh sử dụng kết nối bluetooth, GSM, các tác giả Võ Minh Phụng, Dương Thị Thanh Hiên, Võ Tiến Phúc (Trường Đại học Đà Lạt) đã tạo ra mô hình sản phẩm nhà thông minh, đặc biệt, hệ thống cảm biến chống trộm sử dụng tia laser được thêm vào để tăng cường khả năng bảo vệ tốt nhất cho ngôi nhà. Khi có xâm nhập trái phép thì đèn và còi báo động sẽ được bật lên. Giá thành của sản phẩm này rẻ hơn nhiều lần so với nước ngoài.
Điều khiển thiết bị từ xa thông qua điện thoại di động
Nhà thông minh đơn giản là ngôi nhà mà các thiết bị gia dụng như: đèn, tivi, quạt, bơm nước… có khả năng kết nối tương tác với người dùng để thực hiện việc điều khiển một cách thuận lợi hoặc hoạt động theo một chương trình đã được cài đặt sẵn. Nguyên lý hoạt động của các hệ thống điều khiển tự động nói chung, hệ thống nhà thông minh nói riêng tập trung chủ yếu vào việc giải quyết tương tác giữa hệ thống với môi trường thông qua các cảm biến thu nhận dữ liệu bên ngoài môi trường. Các tín hiệu này sẽ được chuyển đổi, xử lý tuỳ theo yêu cầu của từng điều kiện đặt ra mà điều khiển thiết bị theo mục đích cụ thể.
Nhóm tác giả đã xây dựng hệ thống mô phỏng mô hình nhà thông minh tích hợp phần cứng và phần mềm sử dụng công nghệ kết nối không dây như bluetooth và mạng di động GSM, để điều khiển các thiết bị từ xa thông qua phần mềm trên điện thoại di động thông minh chạy hệ điều hành Android, đồng thời thu nhận dữ liệu từ môi trường thông qua các cảm biến. Mô hình này tương đối khả thi khi triển khai trên thực tế vì chi phí rẻ, lắp ráp dễ dàng, tạo được sự thuận lợi và hiện đại cho người sử dụng.
Nhiệm vụ chính của khối nguồn là chuyển đổi điện lưới 220V AC (alternating current) sang nguồn điện một chiều với các mức điện áp 12V, 5V, 3.3V DC (direct current) cung cấp nguồn hoạt động cho khối điều khiển trung tâm và các khối khác trong hệ thống. Khối điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển ATMega16 đóng vai trò điều khiển cho toàn bộ hoạt động của hệ thống, tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến ngoài môi trường và thực hiện xử lý tương ứng. Từ đó đưa ra tín hiệu điều khiển đến các thiết bị ngoại vi; đồng thời thực hiện thu phát dữ liệu thông qua khối bluetooth hoặc GSM, sử dụng ứng dụng trên điện thoại di động để điều khiển các thiết bị ngoại vi.
Khối thu phát bluetooth và GSM thực hiện thu phát dữ liệu để thực hiện tương tác qua lại giữa khối điều khiển trung tâm và phần mềm điều khiển trên điện thoại di động thông qua công nghệ không dây bluetooth và GSM.
Khối đóng mở cửa RFID sử dụng công nghệ đọc thẻ từ RFID để đóng và mở cửa, tạo sự thuận tiện và bảo mật cho người sử dụng. Khối cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm có chức năng thu nhận các tín hiệu từ điều kiện môi trường bên ngoài và gửi cho bộ xử lý trung tâm để thực hiện điều khiển tương tác với các thiết bị ngoại vi.
Các kết quả nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng đo được cho thấy mức điện áp của cảm biến thay đổi từ 0 đến 5V, tương ứng với các mức điện áp là mức giá trị môi trường cảm biến đo được. So sánh giá trị mà cảm biến điện tử đo được với mức giá trị được chuẩn hoá cho thấy kết quả có sự chính xác tương đối, sai số ảnh hưởng chủ yếu là do các nguồn nhiễu công nghiệp và chất lượng của cảm biến. Khối điều khiển ngoại vi sử dụng để điều khiển các thiết bị ngoại vi được kết nối bên ngoài như đèn, tivi, quạt, bơm nước… thông qua lệnh điều khiển từ người sử dụng.
Có thể điều khiển các thiết bị điện một cách tự động
Chủ nhân của ngôi nhà sử dụng thẻ từ RFID để chứng thực tại cửa chính, nếu chứng thực hợp lệ thì đèn báo hiệu màu vàng sáng lên và cửa sẽ tự động mở ra. Nếu chứng thực không hợp lệ thì đèn báo màu đỏ sáng lên và cửa không được mở ra. Như vậy, chỉ những thẻ từ đã đăng ký trong hệ thống thì mới được chứng thực để mở cửa.
Khi người dùng khởi động chương trình điều khiển trên điện thoại thì giao diện lựa chọn chức năng điều khiển sẽ hiển thị, cho phép lựa chọn chức năng điều khiển thông qua mạng di động GSM hoặc qua mạng không dây bluetooth. Việc sử dụng mạng GSM có ưu điểm là phạm vi điều khiển không giới hạn, có thể sử dụng ở bất cứ nơi nào có mạng di động, nhưng lại tốn kém chi phí do dịch vụ tin nhắn. Việc sử dụng mạng không dây bluetooth có lợi thế là không tốn kém chi phí nhưng phạm vi điều khiển không vượt quá 20 m.
Sau khi chọn lựa chức năng điều khiển thì trên màn hình ứng dụng cho phép điều khiển tắt mở các thiết bị điện ngoại vi trong gia đình như đèn, quạt, tivi, bơm nước. Khi chưa lựa chọn chức năng thì chương trình sẽ chờ đợi đến khi người dùng xác định chức năng điều khiển.
Bên trong ngôi nhà, hệ thống cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm thu nhận tín hiệu môi trường, đồng thời khối điều khiển trung tâm gửi lên màn hình điều khiển trên điện thoại di động thông qua kết nối không dây bluetooth, trên màn hình điện thoại sẽ hiển thị các thông số môi trường mà các cảm biến nhận được. Chức năng cài đặt nhiệt độ dùng để cài đặt ngưỡng nhiệt độ mong muốn, khi nhiệt độ trong phòng vượt ngưỡng cài đặt thì hệ thống sẽ tự động bật quạt để giảm nhiệt độ trong phòng.
Hệ thống cho phép người sử dụng chọn chức năng điều khiển như: chế độ “Relax” sẽ bật nhạc lên để thư giãn sau ngày làm việc mệt mỏi; đèn tự động giảm độ sáng hoặc có thể thay đổi mức độ sáng khi người dùng chọn chế độ “Movie”; chế độ “Meeting” sẽ bật đèn sáng ở mức cao nhất phù hợp cho việc tiếp khách.
Một phần mềm được lập trình sẵn chạy trên điện thoại di động thông minh để người sử dụng có thể tương tác điều khiển một cách thuận tiện nhất. Mô hình nhà thông minh được thiết kế và hoàn thiện và các thiết bị trong gia đình được thay thế hiển thị bằng bốn bóng đèn LED.
Thông qua quá trình nghiên cứu, nhóm tác giả đã thiết kế một mô hình nhà thông minh có khả năng kết nối các thiết bị trong ngôi nhà thành một hệ thống mạng các thiết bị thông qua các mạng không dây như bluetooth hoặc GSM. Hệ thống này được điều khiển qua phần mềm trên điện thoại thông minh tạo được sự thuận lợi và hiện đại cho người dùng. Như vậy, bằng việc sử dụng kết nối qua mạng di động GSM, nhóm tác giả đã giải quyết được vấn đề điều khiển từ xa chỉ hạn chế trong phạm vi 10m mà các nghiên cứu khác gặp phải, vì phạm vi điều khiển thiết bị thông qua mạng di động là không hạn chế ở nơi có phủ sóng mạng di động.
Trên điện thoại di động, nhóm nghiên cứu xây dựng phền mềm điều khiển chạy trên hệ điều hành Android với giao diện thiết kế đơn giản, dễ dàng cho người sử dụng. Mô hình được điều khiển qua điện thoại di động thông minh, từ đó hệ thống có thể điều khiển các thiết bị điện theo một kịch bản đã được cài đặt trước. Ngoài ra, hệ thống còn kết nối với các cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm,… để thực hiện thu nhận các tín hiệu bên ngoài và đưa đến khối xử lý trung tâm để điều khiển các thiết bị ngoại vi một cách tự động.
Để tăng tính bảo mật và cải tiến so với các hệ thống khác thì hệ thống cảm biến chống trộm sử dụng tia laser được thêm vào để tăng cường khả năng bảo vệ tốt nhất cho ngôi nhà. Khi có xâm nhập trái phép vào ngôi nhà thì đèn và còi báo động sẽ được bật lên. Công nghệ chứng thực qua thẻ từ RFID cũng được ứng dụng để mang lại tính thuận tiện, hiện đại giúp chủ nhân ngôi nhà đóng mở cửa ngôi nhà an toàn.
Công suất tiêu thụ của hệ thống đo đạc được khoảng 1.5W. Ngoài ra, hệ thống còn kết hợp các cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm để điều khiển bóng đèn, quạt một cách tự động sẽ giúp tiết kiệm được chi phí sử dụng điện năng trong ngôi nhà một cách hợp lý nhất. Ví dụ, khi trời tối thì nhờ cảm biến ánh sáng đo được cường độ ánh sáng thấp nên sẽ truyền tín hiệu tới vi điều khiển để thực hiện bật bóng đèn một cách tự động, hay khi cảm biến nhiệt độ đo được nhiệt độ quá cao thì sẽ gửi tín hiệu cho vi điều khiển và thực hiện bật quạt làm mát.
So sánh về chi phí thiết kế mạch điều khiển vào tầm giá khoảng 700.000đ, với các thiết bị điều khiển trung tâm và kết nối mạng hiện có trên thị trường vào khoảng 45.000.000đ, thấp hơn rất nhiều nhưng vẫn đảm bảo được các tính chất, chức năng của một ngôi nhà thông minh.
Ưu điểm trong nghiên cứu này là mô hình nhà thông minh hoạt động tốt và đang được tiến hành chạy thử trong thời gian dài để kiểm tra tính ổn định của thiết bị điều khiển, đáp ứng được các mục tiêu mà đề tài đã đưa ra. Giao diện phần mềm được thiết kế dễ dàng, đơn giản cho người sử dụng, tính ứng dụng cao, sự tiện lợi, tiết kiệm, an toàn, giá thành phải chăng nên có thể được sử dụng rộng rãi cho cá nhân, gia đình, các cơ quan và xí nghiệp.
Sản phẩm được kiến nghị sử dụng tại các ngôi nhà nhỏ với yêu cầu chi phí lắp đặt thấp nhưng vẫn đảm bảo được các tính chất và chức năng của ngôi nhà thông minh. Thiết bị điều khiển mà nhóm nghiên cứu xây dựng cho phép kết nối các thiết bị thành một mạng điều khiển không dây và đây chính là yếu tố cốt lõi để tạo nên những ngôi nhà thông minh giá rẻ. Khi đó, mọi ngôi nhà theo mô hình truyền thống đều có thể biến thành một không gian tiện nghi, hiện đại. Thay vì phải di chuyển đến vị trí và tự tay bật tắt các thiết bị thì giờ đây chúng ta chỉ việc điều khiển chúng thông qua phần mềm điều khiển trên điện thoại.
