Khóa luận Nghiên cứu, tìm hiểu các công nghệ trong việc phát triển nhà thông minh

Nguyễn Thị Bích Thủy K51C-HTTT Khóa luận tốt nghiệp ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Bích Thủy NGHIÊN CỨU, TÌM HIỂU CÁC CÔNG NGHỆ TRONG VIỆC PHÁT TRIỂN NHÀ THÔNG MINH KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Hệ thống thông tin HÀ NỘI - 2010 Nguyễn Thị Bích Thủy K51C-HTTT Khóa luận tốt nghiệp ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Bích Thủy NGHIÊN CỨU, TÌM HIỂU CÁC CÔNG NGHỆ TRONG VIỆC PHÁT TRIỂN NHÀ THÔNG MINH KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Hệ thống thông tin Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngọc Hóa HÀ NỘI - 2010 Nguyễn Thị Bích Thủy K51C-HTTT Khóa luận tốt nghiệp Lời cảm ơn Để hoàn thành được khóa luận này tôi xin chân thành cảm ơn các thầy/cô trường Đại học Công nghệ đã chỉ bảo, giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận này. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới các anh chị trong công ty I-Solution, công ty Emate đã cung cấp tài liệu cũng như giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận. Cuối cùng tôi xin được gửi lời cảm ơn của mình tới gia đình, tập thể lớp K51CB, đã động viên giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện khóa luận. Do điều kiện thời gian hạn chế, khóa luận khó tránh khỏi những thiếu sót, kính mong thầy cô cùng các bạn góp ý để khóa luận được hoàn thiện. Sinh viên Nguyễn Thị Bích Thủy Nguyễn Thị Bích Thủy K51C-HTTT Khóa luận tốt nghiệp GIỚI THIỆU Công nghệ thông tin là một ngành đem lại cho cuộc sống con người nhiều tiện ích mà không ngành nào có thể sánh bằng. Một trong những tiện ích to lớn ấy là đem lại sự thoải mái và tiện nghi cho đời sống sinh hoạt hàng ngày. Hãy tưởng tượng buổi sáng chúng ta thức dậy, đèn trong phòng tự động điều chỉnh ánh sáng phù hợp với ánh sáng ngoài trời, cỏ ở sân được tưới nước phù hợp với độ ẩm trong ngày, khi chúng ta xuống nhà đã có bánh mỳ nóng trong lò nướng bánh và máy cà phê tự động bật. Khi ra khỏi nhà, chúng ta có thể hoàn toàn yên tâm về hệ thống an ninh cho ngôi nhà. Buổi chiều khi về nhà bồn tắm đã được xả đủ nước nóng, ánh sáng vừa phải, nhạc du dương được bật để chúng ta có thể bước ngay vào thế giới thư giãn v.v. Trong khóa luận này tôi xin giới thiệu các giải pháp nhà thông minh và tập trung nghiên cứu một trong những giải pháp tối ưu là hệ thống Bus cài đặt châu Âu (European Installation Bus viết tắt là EIB), trong chương 4, tôi sẽ trình bày một cách tổng quan về cấu hình mạng, các phương tiện, phương thức truyền thông, định dạng gói dữ liệu, việc quản lý địa chỉ và mạng. Do thời gian và quy mô nghiên cứu còn hạn chế nên khóa luận khó tránh khỏi những thiếu sót, rất mong sự quan tâm, đóng góp của các thầy cô giáo, các bạn đọc để khóa luận được hoàn thiện và thiết thực. Nguyễn Thị Bích Thủy K51C-HTTT Khóa luận tốt nghiệp DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa ApC Application Controller Điều khiển ứng dụng BCU Bus Coupling Unit Đơn vị nối bus EIB European Installation Bus Bus cài đặt tiêu chuẩn Châu Âu EIS EIB Interworking Standard Chuẩn ảnh hưởng EIB ETS EIB Tool Software Phần mềm công cụ EIB LC Line Coupler Bộ nối dòng PLC Power Line Comunicate Công nghệ truyền thông trên đường dây điện TP Twisted Pair Cáp đôi xoắn Nguyễn Thị Bích Thủy K51C-HTTT Khóa luận tốt nghiệp MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ............................................................................................ 1 1.1 Tầm quan trọng của nhà thông minh trong cuộc sống hiện đại ....................1 1.2 Ý nghĩa khoa học........................................................................................1 1.3 Ý nghĩa thực tiễn ........................................................................................2 1.4 Đối tượng nghiên cứu .................................................................................2 1.5 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................3 1.6 Nội dung nghiên cứu ..................................................................................3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH ......................................... 4 2.1 Xu hướng phát triển nhà thông minh trên thế giới .......................................4 2.2 Xu hướng phát triển nhà thông minh ở Việt Nam .......................................4 2.3 Thế nào là một ngôi nhà thông minh...........................................................5 2.4 Mô hình nhà thông minh.............................................................................9 2.4.1 Mạng LAN ............................................................................................9 2.4.2 Các thiết bị thông minh ........................................................................10 CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NHÀ THÔNG MINH ............... 12 3.1 Khái niệm công nghệ nhà thông minh.......................................................12 3.2 Ưu điểm của công nghệ nhà thông minh ...................................................12 3.3 Các công nghệ nhà thông minh .................................................................13 3.4 Công nghệ EIB là công nghệ mang tính đột phá .......................................16 CHƯƠNG 4: CÔNG NGHỆ EIB .......................................................................... 21 4.1 Giới thiệu về công nghệ EIB.....................................................................21 4.1.1 Mục đích tổng quan .............................................................................21 4.1.2 Các tính năng chính của bus.................................................................22 4.2 Truyền thông ............................................................................................23 4.2.1 Topo vật lý...........................................................................................23 4.2.2 Twisted Pair.........................................................................................23 4.2.3 Cài đặt topo xoắn đôi: ..........................................................................24 4.3 Sự trao đổi dữ liệu và hoạt động mạng:.....................................................27 4.3.1 Sự trao đổi dữ liệu: ..............................................................................27 4.4 Giao thức EIB:..........................................................................................29 4.4.1 Cấu trúc gói dữ liệu: ............................................................................29 4.4.2 Chế độ địa chỉ: .....................................................................................30 4.5 Các thành phần EIB: .................................................................................32 4.5.1 Định nghĩa các thành phần cơ bản:.......................................................33 4.5.2 Định nghĩa thành phần hệ thống:..........................................................34 4.5.3 Định nghĩa thiết bị BUS EIB:...............................................................35 4.5.4 Cổng kết nối với mạng bên ngoài:........................................................36 4.6 Phần mềm cài đặt EIB: .............................................................................36 Nguyễn Thị Bích Thủy K51C-HTTT Khóa luận tốt nghiệp CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG THỰC TẾ .................................................................. 37 5.1 Bài toán ....................................................................................................37 5.2 Đánh địa chỉ .............................................................................................38 5.3 Lập trình...................................................................................................39 5.4 Ví dụ ........................................................................................................39 5.4.1 Các tính năng trong nhà .......................................................................39 5.4.2 Bố trí thiết bị........................................................................................40 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN...................................................................................... 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 49 Nguyễn Thị Bích Thủy K51C-HTTT Khóa luận tốt nghiệp - 1 - CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tầm quan trọng của nhà thông minh trong cuộc sống hiện đại Khái niệm ngôi nhà dùng để che mưa che nắng, là nơi trú ẩn cho con người trong những tình trạng thời tiết khó khăn đã đi vào quá khứ từ rất lâu, ngôi nhà hiện nay còn là nơi nghỉ ngơi, thư giãn những lúc mệt mỏi, là nơi thể hiện tính sáng tạo, óc thẩm mỹ của con người. Chính vì thế mà ta có thể thấy ngành xây dựng luôn luôn phát triển trên toàn thế giới về mọi mặt, quy mô, thẩm mỹ, công nghệ, .v.v. Ngôi nhà hiện nay của con người đã to hơn, đẹp hơn, tiện nghi hơn, và những tiêu chí ấy luôn được nâng cao nhằm phục vụ con người một cách hiệu quả nhất. Trong tương lai, những tiêu chí trên sẽ không bao giờ dừng lại, trong đó phương diện công nghệ luôn được đề cao và là phương diện đi đầu trong công cuộc phát triển ngành xây dựng. Khi các công trình nhà ở đã phát triển mạnh theo quy mô và kiến trúc thì người ta quan tâm hơn đến tính thoải mái của con người khi sử dụng nó, và họ kết hợp tất cả chức năng có thể có của ngôi nhà để mang lại cho con người một cuộc sống tiện nghi, không lo nghĩ. Ngôi nhà càng ngày càng trở nên thông minh, thân thiện với con người, hiểu được những suy nghĩ của chủ nhà và thực hiện các ý nghĩ của chủ nhà một cách tự động, chính xác. Từ đó khái niệm nhà thông minh đã được đưa ra để các nhà khoa học nghiên cứu. Ngôi nhà thông minh là khái niệm sẽ giải quyết các vấn đề như: tiện nghi, thoải mái, an toàn, tiết kiêm, an tâm v.v. 1.2 Ý nghĩa khoa học Nhà thông minh mang một ý nghĩa rất lớn cho khoa học, bởi nó đưa ra giải pháp mới cho ngành điện tử, giải pháp truyền dẫn và quản lý tài nguyên điện trong thiết kế xây dựng. Một giải pháp hoàn toàn khác biệt so với giải pháp truyền thống sử dụng mạng lưới điện 220V hay 110V trên toàn hệ thống đường dây diện, làm cho người dùng có thể gặp nguy hiểm, đặc biệt với trẻ nhỏ. Giờ đây mạng lưới điện giao tiếp với người dùng chỉ còn 24V không thể gây nguy hiểm tính mạng cho con người. Các sản phẩm trong công trình xây dựng không còn là các sản phẩm hoạt động riêng Nguyễn Thị Bích Thủy K51C-HTTT Khóa luận tốt nghiệp - 2 - rẽ nữa, mà chúng được phối hợp với nhau tạo thành một hệ thống thống nhất, để đạt hiệu quả sử dụng cao nhất, với chi phí thấp nhất. Ngoài ra, giải pháp này ra đời đã đưa đến công nghệ mới, công nghệ chế tạo sản phẩm thông minh, các phần mềm quản lý hệ thống, với tính thẩm mỹ cao, nhiều tính năng mới, ưu việt hơn, dễ sử dụng, nhưng vẫn tiết kiệm chi phí, năng lượng, v.v. Tóm lại, công nghệ nhà thông minh đã lời giải cho nhiều vấn đề trong nghiên cứu khoa học đồng thời cũng tạo nên một công cuộc nghiên cứu mới, phạm vi ứng dụng không chỉ trong xây dựng nữa mà còn tạo ra làn sóng công nghệ cho các lĩnh vực khác, lĩnh vực thông tin, điện tử, tự động hóa, v.v. 1.3 Ý nghĩa thực tiễn Chúng ta không thể phủ nhận lợi ích của việc nghiên cứu và phát triển nhà thông minh tới đời sống hiện tại, nó mang lại tính tiện nghi, thoải mái, sang trọng, an toàn cho cuộc sống nhiều âu lo, vất vả hàng ngày. Không những vậy nhà thông minh còn là giải pháp tiết kiệm nguồn năng lượng, đang là vấn đề làm đau đầu các nhà khoa học. Con người sẽ có một cuộc sống tốt đẹp hơn, không phải dành quá nhiều tâm trí trong việc quản lý ngôi nhà, mà con người có thể dành thời giờ cho nhiều việc khác. Chúng ta gần như tương tác được với những vật liệu mà trước đây gần như là không thể. Và ngôi nhà của chúng ta cũng có một cái nhìn hoàn toàn mới, thực sự như một vật thể có thể tự vận hành để phục vụ con người. Giờ đây ta hoàn toàn hãnh diện với một ngôi nhà thể hiện đẳng cấp của sự chuyên nghiệp, sang trọng, phong cách, cá tính hay bất cứ đặc trưng nào mà chúng ta muốn có. Chất lượng cuộc sống ngày càng nâng cao là mục đích hướng tới của tất cả chúng ta, và nhờ có công nghệ nhà thông minh mà điều đó đã được thực hiện với những bước tiến dài và hy vọng tới một tương lai là cuộc sống tuyệt vời. 1.4 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là các hệ thống nhà thông minh, trong khóa luận này sẽ điểm qua các công nghệ khác như X10, PLC, UPB và tập trung nghiên cứu công nghệ mới là EIB. Nguyễn Thị Bích Thủy K51C-HTTT Khóa luận tốt nghiệp - 3 - 1.5 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu là nghiên cứu lý thuyết song song với tìm hiểu thực tế. Khóa luận này dựa trên các tài liệu của công ty EMATE, công ty phân phối độc quyền công nghệ EIB tại Việt Nam, ở Bà Triệu, Hai Bà Trưng Hà Nội; và công ty I- Solution, công ty cung cấp giải pháp tòa nhà thông minh trụ sở tại tầng 4 tòa nhà 15T, đường Nguyễn Thị Định, quận Cầu Giấy, Hà Nội. 1.6 Nội dung nghiên cứu Khóa luận tập trung nghiên cứu công nghệ EIB với cái nhìn tổng quan về cấu hình mạng, các phương tiện và phương thức truyền thông, định dạng gói dữ liệu, việc quản lý địa chỉ và quản lý mạng. Do thời gian hạn chế nên khóa luận mới chỉ đưa ra cái nhìn tổng quan về hệ thống, kính mong các thầy và các bạn bổ sung góp ý để hoàn thiện khóa luận. Nguyễn Thị Bích Thủy K51C-HTTT Khóa luận tốt nghiệp - 4 - CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH 2.1 Xu hướng phát triển nhà thông minh trên thế giới Nhà thông minh mang tính tất yếu của nhân loại. Nhiều người cho rằng, một trong những điều thú vị nhất khi dùng Internet là nó rất phổ biến trong cuộc sống. Một phòng ngủ, một cái tủ lạnh hay một ngôi nhà bình thường cũng đều được nối mạng. Những “ngôi nhà thông minh” giờ đã trở nên quen thuộc, trong đó Internet không những chỉ được truy cập từ một máy tính cá nhân bình thường, mà còn là một phương tiện điều khiển các chức năng trong nhà. Hàng nghìn ngôi nhà nối mạng như vây đã có trong thực tế. Phó chủ tịch Intel – ông Louis Burns đã từng đưa ra nhận định tại diễn đàn các nhà phát triển Intel, diễn ra tại Mỹ năm 2004: “ Ngành công nghiệp điện toán, điện tử tiêu dùng và viễn thông đang kết hợp thành một ngành công nghiệp mới nhằm đưa ra các giải pháp thống nhất tạo ra những ngôi nhà số, giúp con người sử dụng nối mạng ở bất cứ nơi nào mà họ đặt chân tới.” Ngôi nhà thông minh đang là ngôi nhà thể hiện phong cách chuyên nghiệp tại Mỹ. Theo tập đoàn thương mại Internet Home Alliance cho biết, trong 1,5 triệu ngôi nhà được xây dựng mới ở Mỹ năm 2005, thì 20% nhà có “cấu trúc nối mạng” để liên kết điều khiển từ xa. 2.2 Xu hướng phát triển nhà thông minh ở Việt Nam Ngôi nhà thông minh đang dần chiếm lĩnh thị trường nhà ở Việt Nam. Một vài thập kỷ trước đây, ai cũng nghĩ rằng chỉ ông chủ ngành công nghệ thông tin như Bill Gate mới có thể có được ngôi nhà mơ ước của mình, một ngôi nhà thông minh có thể ghi nhớ từng thói quen, sở thích của các vị khách đến chơi nhà. Nhưng ý nghĩ đó đã dần trôi qua theo thời gian, hiện nay, hàng loạt các hãng xây dựng, các nhà tích hợp mạng nội bộ, các công ty cung cấp đồ gia dụng luôn chào mời những sản phẩm, dịch vụ nhà thông minh, mang lại sự thoải mái và tiện nghi cho ngôi nhà của chúng ta. Nguyễn Thị Bích Thủy K51C-HTTT Khóa luận tốt nghiệp - 5 - Cùng với sự phát triển kinh tế của xã hội là sự nâng cao đời sống hàng ngày, ta có thể thấy rõ công nghệ nhà thông minh luôn gây được sự chú ý của người dân Việt Nam, đã có hơn 50 ngàn người đến tham quan và sử dụng thử các thiết bị kỹ thuật số được nối mạng thành hệ thống thống nhất tại Trung tâm kỹ thuật số LG tại thành phố Hồ Chí Minh sau hơn một năm hoạt động. Trung tâm kỹ thuật số LG nằm tại khuôn viên khách sạn New World, với hơn 1000m2, có thể xem là nơi giới thiệu thiết kế kiểu mẫu mô hình của một ngôi nhà thông minh với các thiết bị kỹ thuật số mà dù đứng ở bất kỳ nơi đâu trong ngôi nhà, ta cũng có thể điều khiển tất cả các thiết bị qua mạng “gia đình” – LG home network, đồng thời có thể sử dụng thử các thiết bị, sản phẩm đặc biệt sẽ có mặt trong một ngôi nhà thông minh như điều khiển máy lạnh bằng điện thoại, nghe radio bằng lò vi ba v.v. Ngoài ra trung tâm còn có chương trình đào tạo và hướng dẫn người sử dụng có thể làm quen, không bỡ ngỡ với việc sử dụng các thiết bị thường có trong nhà thông minh, như quản lý ngôi nhà qua máy tính để bàn, hay quản lý hệ thống đèn qua điện thoại v.v. Theo điều tra của ngành xây dựng, càng ngày số lượng ngôi nhà lắp đặt hệ thống nhà thông minh ngày càng tăng, song song với nó, tiện nghi của các ngôi nhà cũng được nâng cao, bởi vậy mà các công ty giải pháp nhà thông minh đã được thành lập rất nhiều nhằm đáp ứng nhu cầu lắp đặt của khách hàng. 2.3 Thế nào là một ngôi nhà thông minh Một ngôi nhà thông minh có thể đơn giản hay phức tạp tùy theo tính năng mà chủ nhà mong muốn. Có thể chỉ là một thiết bị điều chỉnh độ sáng cho đèn ngủ nhưng cũng có thể là các tính năng cao cấp hơn, phức tạp hơn như tự động hóa hoàn toàn các thiết bị có trong gia đình theo lịch hoạt động tương ứng với thói quen sinh hoạt hàng ngày của các thành viên trong gia đình. Bất cứ những gì chúng ta cần ở một ngôi nhà thông minh với các thiết bị hiện đại đều có thể được mang đến. Chúng ta hãy tưởng tượng hoạt động của một hệ thống nhà thông minh được minh họa dưới đây: Buổi sáng: Vào 5h30’ sáng hệ thống bắt đầu tự động điều chỉnh các thiết bị trong khi chúng ta vẫn đang ngon giấc. Sau một đêm dài, hệ thống điều hòa được giảm công suất hoạt động để tiết kiệm năng lượng, hệ thống điều khiển trung tâm sẽ dựa trên nhiệt độ thực tế ngoài trời và gửi tín hiệu điều khiển tới bộ điều khiển điều hòa, để Nguyễn Thị Bích Thủy K51C-HTTT Khóa luận tốt nghiệp - 6 - kích hoạt hệ thống làm ấm không khí nếu nhiệt độ trong phòng thấp hoặc làm mát không khí nếu nhiệt độ trong phòng cao hơn nhiệt độ đặt trước. Đến 6h00’ không khí trong nhà đã trở nên dễ chịu sẵn sàng đón ta thức dậy. Hệ thống an ninh tự động trở lại trạng thái bình thường, đèn phòng ngủ chính bật sáng với độ sáng thấp để ta không bị chói mắt khi mới thức giấc. Sau đó vài phút đèn phòng ngủ chính sẽ tăng độ sáng để ta quan sát mọi vật. Ngay lúc đó, một bản nhạc nhẹ chào đón ngày mới được bật lên. Hình 2/1: Bộ điều khiển điều hòa Máy pha cà phê tự động được bật lên để sẵn sàng cho ta ly cà phê thơm ngon vào buổi sáng. Ngoài trời, hệ thống bơm nước tưới thảm cỏ tự động bật lên để thảm cỏ luôn được giữ ẩm và sau một vài phút khi thảm cỏ đó được tưới đủ nước hệ thống bơm sẽ tự động tắt. Nếu tối hôm trước trời mưa thì hệ thống cảm biến sẽ thông báo cho hệ thống trung tâm rằng thảm cỏ đó đủ nước và hệ thống bơm tưới sẽ không hoạt động. Ban ngày: Khi vòi tắm hoa sen không được sử dụng, máy rửa bát đĩa đã rửa xong bát đĩa của bữa sáng, bình nóng lạnh tự động tắt để tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Khi tất cả các thành viên trong gia đình đều đã đến nơi làm việc hay trường học, hệ thống an ninh tự động được đặt ở trạng thái an ninh cao. Hệ thống trung tâm tự động tắt hết các đèn mà ta quên chưa tắt. Hệ thống cảm biến đảm bảo an toàn an ninh cho ngôi nhà. Chúng là cảm biến chuyển động, cảm biến cửa – cửa sổ, cảm biến Nguyễn Thị Bích Thủy K51C-HTTT Khóa luận tốt nghiệp - 7 - báo khói – báo cháy v.v, tất cả các cảm biến đảm bảo chắc chắn mọi thứ trong ngôi nhà đều an toàn. Khi có một thành viên trong gia đình ở nhà, hệ thống điều hòa sẽ tự động tắt sau một vài phút nếu có một ai đó mở cửa. Ngôi nhà có nguy cơ bị đột nhập khi tất cả các thành viên trong gia đình đều không có mặt ở nhà. Nếu ngôi nhà được trang bị hệ thống an ninh thì nguy cơ này sẽ không còn nữa. Khi kẻ gian cố gắng đột nhập vào nhà, hệ thống điều khiển trung tâm tự động quay số để gọi và thông báo địa chỉ nhà cho cảnh sát, hoặc đơn giản h