Chính những nhu cầu và xu hướng phát triển này đã dẫn tới các nghiên cứu liên quan: hệ thống nhà thông minh: tổng quan và phân tích hệ thống [1]; thiết kế và tạo ra một hệ thống tự động hóa ngôi nhà dùng WiFi [2]; khái niệm nhà thông minh: tương lai trước mắt của chúng ta [3].
Các nghiên cứu trên và một số nghiên cứu khác đi sâu giải quyết vấn đề ở dạng mô hình, sơ đồ khối, mẫu thực nghiệm mà chưa giải quyết vấn đề thực tế là các ngôi nhà hiện nay vẫn đang sử dụng công tắc đóng mở thông thường để điều khiển. Vậy làm thế nào để các thiết bị này có thể điều khiển được thông qua Internet và đảm bảo các thiết bị được tích hợp thêm phải có kích thước nhỏ gọn, tiết kiệm thời gian và chi phí cải tạo, tăng tính thẩm mỹ [4]. Bài viết giới thiệu phương thức ứng dụng công tắc thông minh để điều khiển thiết bị điện thông thường trong gia đình.
Tổng quan giải pháp thực hiện
Yêu cầu về thiết bị, mạng truyền thông
Nghiên cứu này sử dụng: 01 smart phone có đăng ký 4G và sử dụng được mạng WiFi để cài đặt phần mềm và kết nối Internet; 01 bộ WiFi có kết nối Internet; 01 công tắc thông minh điều khiển không dây qua Internet và thiết bị điều khiển như bóng đèn, quạt.
Thiết kế hệ thống tích hợp điều khiển không dây
Hiện nay, ở hầu hết các gia đinh Việt Nam hệ thống điện đang được bố trí như Hình 1.
Hình 1. Hệ thống điện thông thường
Thông thường, điện lưới 220VAC được đưa tới Aptomat tổng của gia đình, sau đó sẽ chia ra đến Aptomat của từng tầng. Mục đích của việc này để dễ dàng trong việc kiểm soát và sửa chữa khi có sự cố điện trong gia đình. Ở mỗi tầng sẽ có các thiết bị điện như đèn chiếu sáng (đèn âm trần, đèn tuýp, đèn ngủ, đèn ngoài trời,.v.v.), các hệ thống ổ cắm, điều hòa, bình nóng lạnh.
Sau Aptomat của từng tầng, ta lại dùng Aptomat cho từng thiết bị như điều hòa, bình nóng lạnh; còn các thiết bị như ổ cắm, công tắc sẽ được đấu nối từ Aptomat của tầng đó. Trong quá trình đấu nối cho các loại đèn, ta sẽ sử dụng các loại công tắc 1 chiều hoặc đảo chiều tùy theo mục đích sử dụng.
Như vậy toàn bộ việc bật tắt các thiết bị điện trong nhà đều sẽ thông qua công tắc hoặc Aptomat.
Thế nhưng trong thời đại hiện nay, chúng ta muốn ngồi một chỗ vẫn có thể điều khiển và kiểm soát các thiết bị trong gia đình. Ví dụ khi đi ra ngoài, bạn vẫn có thể biết được các thiết bị nào đang bật, các thiết bị nào đang tắt; hoặc khi bạn đi làm về, nước đã bật sẵn để cho bạn tắm. Hoặc hơn nữa, ngôi nhà của bạn sẽ tự bật đèn khi trời tối, khi có người đi trong hành lang, tăng giảm độ sáng cho phù hợp với môi trường v.v.. Các công tắc và thiết bị thông thường sẽ không thể làm được những việc trên mà phải bật tắt trực tiếp tại nhà.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ đề xuất một giải pháp cụ thể để có thể giải quyết được những vấn đề nêu trên. Cụ thể, nghiên cứu này sẽ cải tiến hệ thống điện thông thường để có thể vừa giữ nguyên chế độ bật tắt bằng công tắc, vừa có thể lựa chọn điều khiển các thiết bị điện thông qua Internet, WiFi và ứng dụng trên điện thoại thông minh.
Về nguyên lý hoạt động, tín hiệu điều khiển bật tắt trên ứng dụng của điện thoại sẽ được truyền qua mạng Internet và tới modem WiFi của gia đình. WiFi kết nối với các công tắc điều khiển từ xa và gửi tín hiệu điều khiển đến các công tắc này. Sau đó các công tắc này sẽ điều khiển đóng mở các rơ le của các thiết bị điện.
Hình 2. Điều khiển các thiết bị thông qua Internet
Các công tắc sẽ gửi trạng thái của thiết bị ngược lại theo mạng Internet đến điện thoại để người dùng sẽ kiểm soát được trạng thái hoạt động của thiết bị, để người dùng dễ dàng kiểm soát các thiết bị trong gia đình của mình.
Để đề phòng trường hợp bị mất kết nối Internet, hệ thống vẫn cần bật tắt trực tiếp thông qua hệ thống công tắc và nút bấm. Hệ thống sẽ có 2 chế độ bật tắt trực tiếp và điều khiển từ xa.
Hình 3. Hệ thống điều khiển tích hợp
Ở đây ta sẽ sử dụng công tắc thông minh Sonoff T1 US dùng nguồn nuôi 90 - 250VAC, tải cho phép 600W [5]. Một bộ modem WiFi TP-link và bóng đèn led 10W.
Kết quả thực nghiệm
Từ Aptomat ta đấu nối vào N in, L in để tiến cấp nguồn cho công tắc, L out đấu nối vào thiết bị.
Hình 4. Sơ đồ đấu thiết bị
Đấu nối xong, ta tiến hành tải và cài đặt ứng dụng Ewelink smart home trên smart home, sau đó tiến hành ghép nối công tắc và cài đặt thông số diều khiển.
Dưới đây lần lượt mô tả điều khiển thiết bị thông qua ứng dụng và điều khiển trực tiếp trên công tắc.
Hình 5. Kết quả thí nghiệm
Trên ứng dụng sẽ hiển thị trực tiếp trạng thái của thiết bị, ta có thể dễ dàng kiểm soát và biết được những thiết bị nào đang hoạt động. Để điều khiển bằng giọng nói thông qua trợ lý ảo Google, ta tiến hành tải và cài đặt Google Assistant và Google Home; sau đó tiến hành liên kết Google Home với Ewelink. Sau khi liên kết, sẽ xuất hiện danh sách các thiết bị, ta thêm các thiết bị cần thiết vào phòng là có thể điều khiển bằng giọng nói.
Ngoài ra có thể thiết lập thêm thời gian bật tắt tự động cho thiết bị bằng tính năng đặt lịch và hẹn giờ trên ứng dụng Ewelink Smart Home. Ví dụ, ta muốn hẹn giờ thiết bị bật vào 19h và tắt vào 22h hàng ngày, ta bấm vào "lịch" sau đó chọn thêm. Ta chọn 19h, chọn các ngày lặp lại, chọn hành động rồi lưu lại. Tương tự với tắt thiết bị, ta chọn 22h và chọn "tắt". Như vậy là hoàn thành việc bật tắt tự động hàng ngày
Hình 6. Hẹn giờ bật tắt tự động
Đánh giá thực nghiệm
Dựa vào kết quả thực nghiệm, ta thấy hệ thống có các ưu điểm và nhược điểm sau: tốc độ phản hồi của thiết bị khi điều khiển không dây rất nhanh, độ trễ thấp (nhỏ hơn 1s); độ tin cậy cao, tất cả các lần thử đều thành công; khả năng hẹn giờ bật tắt rất tốt, có thể thêm các cảm biến để tối ưu hơn; cách đấu nối rất đơn giản, dễ dàng thực hiện; ghép nối nhanh chóng; nút cảm ứng của công tắc phản hồi rất tốt, độ trễ gần như không có.
Tuy nhiên, hệ thống cũng có một số hạn chế: các thiết lập tự động sẽ không hoạt động nếu như bị mất mạng Internet (để khắc phục ta có thể sử dụng bộ điều khiển trung tâm Zigbee); điều khiển không dây qua diện thoại rất phụ thuộc vào mạng Internet.
Kết luận
Giải pháp trên giúp hệ thống điện thông thường có thể làm việc được ở 2 chế độ là điều khiển qua smart phone và điều khiển qua công tắc thông thường. Giải pháp cải tiến không cần phải khoan đục, các thiết bị có tính thẩm mĩ cao, chi phí thấp.
Tuy nhiên, do không đi lại dây nên các thiết bị chung một đường dây không thể điều khiển riêng biệt được. Muốn điều khiển riêng biệt ta cần phải đi lại đường dây điện.
Ngoài ra, chúng ta có thể sử dụng thêm các hệ thống camera, cảm biến để biến ngôi nhà của mình trở nên hoàn thiện hơn.
Tài liệu tham khảo
[1] Mehedi Hasan, MD Toufiqul Islam Bilash, Parag Biswas, Md. Ashik Zafar Dipto, 2018, "Smart Home Systems: Overview and Comparative Analysis".
[2] Niharika Shotriya, Anjali Kulkarni, Priti Gadhave, 2014, International Journal of Science, Engineering And Technology Reseach (IJSETR), "Smart Home Using Wifi".
[3] Vincent Ricquebourg, David Menga, David Durand, Bruno Marhic, Laurent Delahoche, Christophe, 2007, "The Smart Home Concept: our immediate future".
[4] Nguyễn Văn Thắng, Trần Văn Hội, 2020, "Ứng dụng IoT để điều khiển các thiết bị điện trong các ngôi nhà thông thường".
[5] https://sonoff.vn/cong-tac-cam-ung-wifi-sonoff-t1eu.
