Giải pháp kết nối không dây và chiếu sáng cho các thiết bị trong tòa nhà thông minh

　　Cuộc cách mạng tòa nhà thông minh đang được tiến hành, mang lại sự thoải mái và thuận tiện hơn cho khu dân cư, giảm chi phí vận hành và tăng năng suất của nhân viên trong các lĩnh vực thương mại. Đến năm 2022, thị trường toàn cầu được định giá gần 78 tỷ USD.

　　Ánh sáng điều khiển không dây là yếu tố quan trọng trong cuộc cách mạng này, cho phép nhiều chế độ hoạt động khác nhau giúp tránh lãng phí năng lượng và ngăn ngừa sự gián đoạn và chi phí liên quan đến các dự án đi dây lại quy mô lớn. Lắp đặt bộ điều khiển không dây có thể tiết kiệm tới 70% chi phí đi dây lại cho các ngôi nhà hiện có, hoặc 15% chi phí cáp cho các dự án mới.

　　Trong khi một số ngôi nhà mới, chẳng hạn như bất động sản sang trọng, có thể được thiết kế khéo léo ngay từ đầu, những ngôi nhà hiện có có thể được nâng cấp theo từng giai đoạn. Chủ sở hữu có thể ưu tiên hệ thống sưởi ấm hoặc chiếu sáng là bước đầu tiên hướng tới công nghệ thông minh, sau đó mở rộng hệ thống với các tính năng thông minh khác như bộ điều khiển thiết bị, cửa chớp hoặc khóa cửa. Tất cả các loại thiết bị tòa nhà thông minh dường như đều có một tương lai tươi sáng, từ công tắc đèn đơn giản, phích cắm tường hoặc nắp tản nhiệt đến bộ điều khiển trung tâm phức tạp. Điều này cung cấp cho các thương hiệu mới cơ hội giành thị phần bằng cách cung cấp các sản phẩm công nghệ tiên tiến hoặc thời trang hơn so với các sản phẩm được cung cấp bởi các đối thủ cạnh tranh trưởng thành hơn.

　　Khả năng tương tác và cùng tồn tại sẽ trở thành vấn đề chính đối với các nhà phát triển đang tìm kiếm thành công, vì khách hàng có xu hướng dần giới thiệu các tính năng thông minh vào tòa nhà của họ.

　　Tiêu chuẩn kết nối ứng viên

　　Các tiêu chuẩn kết nối khác nhau để điều khiển các thiết bị (chẳng hạn như đèn, van tản nhiệt, cửa sổ) đã được đề xuất cho thiết bị mở và thiết bị trong các tòa nhà thông minh. Hiện tại, các tiêu chuẩn phổ biến cho các sản phẩm được chứng nhận trên thị trường bao gồm EnOcean, KNX, ZigBee và Z-Wave Commercial.

　　EnOcean và Z-Wave hoạt động ở băng tần vô tuyến sub-GHz. Ở châu Âu, đây là 868 MHz. Z-Wave dựa trên cấu trúc liên kết mạng lưới và hỗ trợ tối đa 232 nút. Giao thức này cung cấp khả năng tương tác cấp ứng dụng và hỗ trợ nhiều thiết bị hệ thống trên chip Z-Wave, chẳng hạn như Sigma Designs ZM5202. Ngăn xếp Z-Wave nằm trên chip và được truy cập thông qua các API cũng được cung cấp, cho phép các nhà phát triển chỉ cần tải các ứng dụng vào bộ nhớ chương trình tích hợp của thiết bị, như trong Hình 1. SoC hỗ trợ giải pháp chip đơn với tất cả các tính năng phần cứng như ADC cảm biến, mã hóa an toàn 128-bit và bộ điều khiển điều chỉnh độ sáng thyristor hai chiều ba đầu cuối được tích hợp vào thiết bị.

　　Hình 1: Truy cập giao thức Z-Wave thông qua API được cung cấp.

　　Công nghệ EnOcean dựa trên các giao thức vô tuyến siêu nhẹ và cho phép các mô-đun không cần pin chạy từ pin mặt trời hoặc các nguồn năng lượng khác - chẳng hạn như bộ chuyển đổi điện hoặc các phần tử Peltier - hệ thống thu hoạch được sử dụng để truyền các điện tín ngắn có chứa dữ liệu cảm biến. Đây là một đề xuất mạnh mẽ cho các vật dụng như công tắc đèn, có thể được đặt ở bất kỳ đâu trong phòng để giao tiếp với các thiết bị truyền động chiếu sáng chạy bằng đường dây được xây dựng bằng các mô-đun hệ thống như EnOcean TCM300U (Hình 2). Thiết bị chuyển mạch EnOcean cũng có thể dễ dàng tích hợp vào các mạng tự động hóa gia đình lớn hơn. Ví dụ, nhà phát triển KNX của Đức Weinzierl (www.weinzierl.de) đã xây dựng một cổng EnOcean-KNX nhận điện tín không dây EnOcean và tạo ra tín hiệu thích hợp trên bus KNX.

　　Hình 2: Cảm biến không dây giao tiếp với bộ truyền động điều khiển đường truyền.

　　KNX tuyên bố là tiêu chuẩn duy nhất trên toàn thế giới được phê duyệt theo các tiêu chuẩn như ISO / IEC14543-3, EN-50090 (CENELEC), EN13321-1/2 (CEN), tiêu chuẩn tự động hóa gia đình GB / T20965 của Trung Quốc và ANSI / ASHRAE 135 của Hoa Kỳ. Không giống như các tiêu chuẩn dựa trên không dây như EnOcean, ZigBee và Z-Wave, xe buýt KNX có thể hoạt động trên nhiều phương tiện khác nhau, bao gồm cả cặp xoắn (KNX). TP), đường dây nguồn AC (KNX PL), Ethernet/Wi-Fi (KNXnet/IP) và không dây (KNX RF) hoạt động ở băng tần 868 MHz. Hiệp hội KNX cũng cung cấp cho các nhà phát triển thiết bị và người lắp đặt hệ thống các công cụ độc lập với nhà sản xuất.

　　ZigBee Home Automation là một cấu hình đặc biệt dựa trên tiêu chuẩn ZigBee nổi tiếng cho đài 2.4 GHz. Nó được tối ưu hóa để điều khiển các thiết bị gia đình và sử dụng ngăn xếp mạng lưới ZigBee PRO. ZigBee Pro có thể được triển khai trên nhiều bộ vi điều khiển khác nhau. Silicon Labs sở hữu nhiều mô-đun ZigBee, chẳng hạn như ETRX357, bao gồm bộ thu phát ZigBee chip đơn và ngăn xếp lưới EmberZNet tuân thủ các tiêu chuẩn ZigBee PRO. Các mô-đun này cho phép các nhà phát triển không có kinh nghiệm RF thêm chức năng mạng không dây vào sản phẩm của họ.

　　Sử dụng các tiêu chí để lựa chọn

　　Mỗi tiêu chuẩn được hỗ trợ bởi liên minh hoặc hiệp hội riêng, chịu trách nhiệm quản lý các thông số kỹ thuật cũng như các khía cạnh pháp lý như cấp phép và chứng nhận sản phẩm. Quy trình chứng nhận đảm bảo khả năng tương tác giữa các sản phẩm từ các nhà sản xuất khác nhau. Các OEM hy vọng thâm nhập thị trường hiện đang sử dụng bất kỳ tiêu chuẩn nào trong số này phải cung cấp thiết kế sản phẩm mới của họ để được chứng nhận.

　　Thông thường, con đường phát triển các thiết bị được chứng nhận, có thể tương tác (chẳng hạn như bộ đèn, công tắc hoặc bộ điều chỉnh độ sáng) bắt đầu bằng cách mua bộ công cụ dành cho nhà phát triển từ Sigma Designs, chẳng hạn như bộ RBK-ZW500DEV-CON Z-Wave. Sigma cũng cung cấp nhiều gói khu vực giá rẻ có thể phục vụ các băng tần phụ khác nhau ở Châu Âu, Bắc Mỹ, Nhật Bản và các khu vực khác. Đối với Z-Wave, việc mua bộ công cụ dành cho nhà phát triển cũng cấp quyền truy cập vào SDK bộ công cụ phát triển phần mềm Z-Wave của Sigma. SDK cho phép truy cập trực tuyến vào các tài nguyên như thư viện giao thức, ví dụ ứng dụng và tài liệu. Sử dụng các công cụ có sẵn, các nhà phát triển có thể đưa ra các quyết định cần thiết, chẳng hạn như lựa chọn phần cứng, lựa chọn giao thức, cũng như thiết bị và lớp lệnh. Sau khi hoàn thành phát triển phần cứng và phần mềm, các sản phẩm có thể được gửi đến Liên minh Z-Wave để được chứng nhận.

　　Kiểm soát tập trung

　　Trong các tòa nhà thông minh, có thể cần chiếu sáng kích hoạt ở một số khu vực, không giới hạn ở việc chuyển đổi thủ công truyền thống hoặc làm mờ được điều khiển bởi hệ thống treo tường. Bộ điều khiển trung tâm có thể được lập trình để bật hoặc tắt đèn vào những thời điểm nhất định hoặc phản hồi với cảm biến chiếm chỗ cũng là một phần của hệ thống an ninh gia đình hoặc nhận tín hiệu từ cảm biến ánh sáng xung quanh có thể điều chỉnh độ mờ để có ánh sáng tối ưu. Ngoài ra, khi người tiêu dùng ngày càng áp dụng các thiết bị di động nối mạng, người dùng tòa nhà thông minh sẽ bị thu hút bởi nhiều ứng dụng có thể kiểm soát các khía cạnh khác nhau của tòa nhà thông minh, chẳng hạn như chiếu sáng và sưởi ấm. Thiết bị và cài đặt bảo mật cho máy tính bảng hoặc điện thoại thông minh. Các thiết bị cổng kết nối mạng tòa nhà thông minh với bộ định tuyến internet cung cấp chức năng chính, như trong Hình 3. Bất kỳ công nghệ tòa nhà thông minh nào cũng yêu cầu một cổng dựa trên miền IP như vậy, cho dù nó giao tiếp với máy tính bảng được kết nối với tòa nhà qua mạng Wi-Fi hay kết nối với internet qua thiết bị di động thông qua điểm truy cập di động hoặc Wi-Fi ở bất kỳ đâu trên thế giới. Nhiều nhà sản xuất cung cấp các cổng được thiết kế để kết nối mạng nhà thông minh (chẳng hạn như môi trường EnOcean, KNX, ZigBee hoặc Z-Wave) để xây dựng bộ định tuyến internet.

　　Hình 3: Kết nối mạng nhà thông minh với miền IP cho phép các thiết bị khác nhau kiểm soát cài đặt.

　　Các nhà phát triển ứng dụng có thể tận dụng các tính năng được hỗ trợ bởi các công nghệ được chọn để cung cấp các tính năng thuận tiện cho người dùng cuối. Chúng bao gồm định cấu hình các nhóm thiết bị để cho phép điều khiển bằng một cú nhấp chuột hoặc tạo "cảnh" tùy chỉnh để tự động áp dụng các cài đặt cần thiết cho ánh sáng, sưởi ấm và các thiết bị khác. Người dùng có thể tạo cảnh "rạp hát tại nhà" trong khi làm mờ đèn, đóng rèm, điều chỉnh nhiệt độ, bật TV màn hình phẳng hoặc trong kịch bản "Chế độ ngủ" khóa cửa, đóng cửa sổ, tắt hệ thống sưởi và tắt tất cả các đèn ngoại trừ phòng ngủ.

　　Kết luận

　　Các tiêu chuẩn xác định kết nối giữa các thiết bị trong các tòa nhà thông minh đều cung cấp cho các nhà phát triển sản phẩm cấu trúc cần thiết để giải quyết các thị trường có thể định lượng được. Đảm bảo khả năng tương tác với các sản phẩm khác đã có sẵn trên thị trường. Hiệp hội thúc đẩy mạnh mẽ các tiêu chuẩn của riêng mình, nhưng các nhà phát triển phải lựa chọn dựa trên các nguồn lực mà họ cung cấp và các cơ hội chính xác và đánh giá cạnh tranh.