Smart home và các lợi ích đem lại

g nền tảng chính là công nghệ tự động hóa ngôi nhà (Home Automation), giới thiệu giao thức và các phương diện kỹ thuật khi ứng dụng Smart Home cho các công trình nhà ở, nhà làm việc hiện đại. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Smart Home với nền tảng chính là công nghệ tự động hóa ngôi nhà, là hình thức kiến trúc nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hóa hoàn toàn hoặc bán tự động nhằm thay thế con người trong việc thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển. Công nghệ ngôi nhà thông minh có ý nghĩa trong việc giúp cuộc sống ngày một tiện nghi hơn, giải phóng sức lao động của con người bằng sự trợ giúp của công nghệ hiện đại. Ngoài ra, Smart Home còn góp phần tiết kiệm điện năng, chỉ sử dụng điện năng vào những mục đích cần thiết, phục vụ trực tiếp đến đời sống con người, kiểm soát và loại trừ tất cả điện năng lãng phí không mang lại lợi ích cho đời sống. Không chỉ đơn thuần là sự kiểm soát các thiết bị, hệ thống Smart Home có thể cho phép ngôi nhà có khả năng học thói quen của chủ nhà và điều chỉnh các hoạt động của các thành phần trong hệ thống cho phù hợp với chủ nhà. Với những đặc tính ưu việt, công nghệ ngôi nhà thông minh đang dần là xu hướng khi quan tâm đến thiết kế và xây dựng nội thất, quản lý hoạt động bên trong của ngôi nhà trong giai đoạn cách mạng công nghệ 4.0. 2. TỔNG QUAN 2.1. Giới thiệu về công nghệ ngôi nhà thông minh Hệ thống nhà thông minh là một hệ thống tự động hóa tiên tiến, phức tạp giúp con người có thể quản lý và kiểm soát các chức năng của tòa nhà. Ví dụ một tòa nhà thông minh có thể kiểm soát ánh sáng, nhiệt độ, thiết bị đa phương tiện, thiết bị an toàn, hoạt động của cửa đi, cửa sổ cũng như nhiều chức năng khác. Nhà thông minh sử dụng công nghệ “tự động hóa tòa nhà – Home Automation” để cung cấp cho chủ nhà những phản hồi mang tính thông minh và các thông tin được kiểm soát theo nhiều hướng. Ví dụ, tủ lạnh có thể tự liệt kê các thực phẩm thiết yếu cho sức khỏe, sử dụng hết lượng thực phẩm. Một ngôi nhà thông minh thậm chí có thể giúp con người chăm sóc thú cưng và tưới nước cho cây trồng. PHÂN BAN SỬ DỤNG ĐIỆN | 721 Ngày nay, với việc công nghệ Internet of Things (IoT) được đề cập rất nhiều và là một xu thế phát triển tất yếu và bùng nổ trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, các dòng thiết bị trong nhà ngày càng trở nên thông minh hơn do được trang bị khả năng tính toán, khả năng cảm biến môi trường và khả năng kết nối mạng. Các thiết bị khi được áp dụng công nghệ IoT thường được gọi là thiết bị thông minh. 2.2. Các chức năng của hệ thống điều khiển giám sát thông minh 2.2.1. Hệ thống chiếu sáng và điều khiển rèm cửa tự động Công nghệ thông minh cho phép tự động điều khiển hệ thống chiếu sáng theo kịch bản và theo nhóm. Với chỉ một nút nhấn trên keypad, một thao tác chạm nhẹ lên Touchpanel, Ipad, Smartphone, toàn bộ hệ thống đèn, rèm hoạt động theo kịch bản đã được đặt sẵn trước đó. Điều này giúp làm giảm một lượng lớn công tắc đảo chiều và dây dẫn. Công nghệ này cho phép điều khiển chiếu sáng bằng cảm biến phát hiện chuyển động bằng việc thu nhận sự thay đổi của tia hồng ngoại phát ra từ người chuyển động làm tác nhân kích hoạt hệ thống đèn và hoạt động theo chuyển động đó. Các chương trình điều khiển theo thời gian, sự kiện, mùa được nạp vào bộ điều khiển trung tâm thông qua các phần mềm lập trình. Bộ điều khiển sẽ thực hiện công tác điều khiển theo chương trình này. 2.2.2. Hệ thống điều hòa không khí Hệ thống điều hoà không khí được tích hợp vào hệ thống nhà tự động thông qua các cảm biến nhiệt độ. Các cảm biến nhiệt độ được tích hợp để kiểm soát hệ thống điều hoà không khí theo nhiệt độ đặt trước và theo lịch trình đã được lập trình. Kết hợp với các cảm biến gắn tại các cửa, hệ thống điều hòa tự động tắt khi thời gian cửa bị mở vượt quá thời gian đã được cài đặt trước. 2.2.3. Hệ thống âm thanh giải trí đa vùng Với hệ thống âm thanh đa vùng, người dùng đươc nghe nhạc ở bất cứ đâu trong nhà với các nguồn nhạc tùy ý được chọn khác nhau. Người dùng có thể chọn nguồn âm thanh cho từng khu vực từ các nguồn âm thanh khác nhau như DVD, Ipod, laptop,... 2.2.4. Hệ thống an ninh Hệ thống an ninh tích hợp khả năng kết nối với hệ thống thoại, mạng di động GSM, Internet và khả năng tương tác cảnh báo, xua đuổi kẻ đột nhập tại chỗ như: hú còi, hú chuông, điều khiển hệ thống chiếu sáng, điều khiển hệ thống âm thanh, ghi hình kẻ đột nhập hoặc cung cấp kết nối sóng di động GSM. Hệ thống tự động quay số đến rất nhiều số điện thoại đặt trước và thông báo chính xác tình trạng xảy ra của căn hộ. 2.2.5. Hệ thống kiểm soát môi trường Hệ thống kiểm soát môi trường nhà thông minh bao gồm: cảm biến điện tử, trung tâm kiểm soát và hệ thống hiển thị. Hệ thống kiểm soát môi trường có những chức năng chính như đo đạc các chỉ số môi trường và tự động hóa hệ thống. 722 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 3. CÁC XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN SMARTHOME TRÊN THẾ GIỚI Tất cả các hãng công nghệ lớn như Goolge, Amazon, Apple và Samsung đều đang tìm cách chiếm lĩnh thị trường Smart Home này. Đối với những hãng công nghệ lớn thì việc chiếm lĩnh và làm chủ hệ sinh thái của một xu hướng mới là vô cùng quan trọng; việc này có ý nghĩa sống còn với họ. Tuy nhiên, mỗi hãng có những động thái và chiến lược khác nhau. 3.1. Google Google đầu tư rất nhiều vào các công nghệ liên quan đến lĩnh vực IoT nói chung và Smart Home nói riêng: Google beacon platform, Brillo & Weave, OnHub Router, Google Cloud IoT,... Tuy vậy để đi vào hộ tiêu dùng thì một chiến lược chính của Google là mua lại công ty Nest trong năm 2014. Nest đến giờ có ba sản phẩm chính khá thành công trên thị trường đó là: hệ thống điều hòa thông minh, hệ thống báo cháy, và camera giám sát gia đình. Chiến lược của Google là bán sản phẩm tốt, người dùng nhận thấy lợi ích của sản phẩm rõ ràng, sau khi người dùng mua thiết bị này về thì Google biến nó thành bộ điều khiển trung tâm có thể kết nối và tương tác với các thiết bị thông minh khác trong nhà. Google thực hiện việc này qua chương trình Works with Nest, các sản phẩm của bên thứ ba khi có nhãn “Works with Nest” sẽ tương thích với hệ thống Nest của Google. Ví dụ, đèn thông minh Belkin Wemo khi dùng chung với sản phẩm của Nest sẽ tự động tắt đèn khi hệ thống thấy không có người ở nhà (các sản phẩm của Nest có cảm biến để biết được có người trong nhà hay không). 3.2. Amazon Tương tự như Google (Nest), tức là bán một sản phẩm thông minh trong nhà rất hấp dẫn (killer product) để người dùng mua, sau đó biến thiết bị này thành một bộ điều khiển (Hub) cho các thiết bị thông minh khác. Sản phẩm chiếm lĩnh thị trường Smart Home của Amazon là chiếc loa thông minh điều khiển bằng giọng nói (handsfree speaker), Amazon Echo. Điểm thú vị của chiếc loa này là không có phím điều khiển, mà người dùng giao tiếp với loa qua giọng nói; Amazon Echo hiểu được ngôn ngữ tự nhiên với độ chính xác rất cao. Ngoài việc chơi nhạc, Amazon Echo có thể trả lời người dùng các câu hỏi về thời tiết, đọc chuyện, mua hàng (tích hợp với hệ thống thương mại của Amazon),... Hệ thống nhận dạng tiếng nói và ngôn ngữ tự nhiên của Amazon được người dùng phản hồi tốt, luôn đạt 4 5 sao. Tuy không có con số chính thức, nhưng ước tính Amazon bán được khoảng 3 triệu sản phẩm cho tới nay. Cũng giống như chiến lược của Google, một khi người dùng đặt Amazon Echo trong nhà thì chính thiết bị này sẽ hoạt động như một bộ điều khiển trung tâm (Hub) để tương tác với các thiết bị thông minh khác trong gia đình. Amazon mở ra bộ API để lập trình viên (developers) và các nhà phát triển thiết bị khác (OEM) tích hợp vào Echo; Amazon gọi một tính năng tích hợp mới này là “skill”, cho tới nay đã có tới 950 skills PHÂN BAN SỬ DỤNG ĐIỆN | 723 được tích hợp vào Amazon Echo. Sản phẩm Amazon Echo này thành công đến mức Google vừa phải nhanh chóng công bố một sản phẩm tương tự gọi là Google Home để cạnh tranh. 4. NHỮNG LỢI ÍCH MANG LẠI TỪ HỆ THỐNG SMARTHOME 4.1. Sức khỏe Đó là lợi ích về an toàn điện với thiết bị tự ngắt khi có sự cố. Ngoài ra, bằng liên kết với cảm biến nhiệt độ để phát hiện các bất thường khi xảy ra cháy, hệ thống sẽ tự ngừng cung cấp điện cho mọi thiết bị, đồng thời sẽ báo hiệu ngay lập tức cho người dùng về những rủi ro có thể xảy ra. 4.2. An ninh An ninh nằm ở hệ thống cửa tự động được điều khiển tại bất cứ vị trí nào, hệ thống gửi các tín hiệu khẩn cấp khi căn nhà có dấu hiệu bị xâm nhập. Các camera an ninh sẽ gia tăng độ an toàn cho các hộ gia đình bằng cách ghi nhận lại các hình ảnh khi phát hiện có chuyển động hoặc tự động ghi hình tại một thời điểm nhất định nào đó trong ngày. Nhờ đó, bố mẹ có thể giám sát các hoạt động hằng ngày của con cái khi ở nhà. 4.3. Tiết kiệm thời gian Với hệ thống nhà thông minh tự động, con người sẽ không bao giờ còn phải lo lắng việc chạy về nhà để mở cửa cho con khi đi học về hay để điều chỉnh các vật dụng gia đình. Con người sẽ tiết kiệm được các khoảng thời gian quý báu và dành hiệu năng tốt hơn cho công việc. 4.4. Tiết kiệm chi phí Việc sử dụng công nghệ thông minh giúp tự động ngắt các thiết bị điện khi không hoạt động hoặc điều chỉnh nhiệt độ điều hoà, giúp tiết kiệm nguồn năng lượng quốc gia và giảm chi phí trong việc sử dụng điện. 5. MỘT SỐ GIAO THỨC ỨNG DỤNG TRONG SMART HOME NÓI RIÊNG VÀ IOT NÓI CHUNG Hiện nay có nhiều công nghệ giao tiếp được biết đến như Wifi, Bluetooth, Zigbee và mạng di động 2G/3G/4G... trong các ứng dụng tự động hóa tòa nhà, lắp đặt nhà thông minh. Đặc biệt với giải pháp nhà thông minh không dây thì các giao thức giao tiếp không dây này lại vô cùng quan trọng. Tùy thuộc vào các ứng dụng và các yếu tố như phạm vi giao tiếp, khối lượng dữ liệu truyền, yêu cầu tính bảo mật, năng lượng cho hệ thống pin,... sẽ quyết định lựa chọn một hoặc nhiều phương thức truyền thông phù 724 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 hợp. Trong phần tham luận này, bài viết sẽ tập trung vào một số giao thức nổi bật là ZigBee, MQTT, AWS IoT và giới thiệu tổng quan các giao thức còn lại. 5.1. ZigBee ZigBee, giống như Bluetooth, là một loại truyền thông trong khoảng cách ngắn, hiện được sử dụng với số lượng lớn và thường được sử dụng trong công nghiệp. Điển hình, Zigbee Pro và Zigbee remote control (RF4CE) được thiết kế trên nền tảng giao thức IEEE802.15.4  là một chuẩn giao thức truyền thông vật lý trong công nghiệp hoạt động ở 2,4 Ghz, thường được sử dụng trong các ứng dụng khoảng cách ngắn và dữ liệu truyền tin ít nhưng thường xuyên, được đánh giá phù hợp với các ứng dụng trong Smart Home hoặc trong một khu vực đô thị/khu chung cư. ZigBee/RF4CE có một lợi thế đáng kể trong các hệ thống phức tạp, yêu cầu các điều kiện như tiêu thụ công suất thấp, tính bảo mật cao, khả năng mở rộng số lượng các node cao... Phiên bản mới nhất của Zigbee là 3.0, trong đó điểm nổi bật là sự hợp nhất của các tiêu chuẩn Zigbee khác nhau thành một tiêu chuẩn duy nhất. Ví dụ, sản phẩm và kit phát triển của Zigbee của TI là CC2538SF53RTQT Zigbee SystemOnChip T và CC2538 Zigbee Development Kit.  Tiêu chuẩn: ZigBee 3.0 based on IEEE802.15.4  Tần số: 2,4 GHz  Khoảng cách: 10 100 m  Tốc độ: 250 kbps 5.1.1. Kiến trúc mạng ZigBee Kiến trúc mạng ZigBee chia làm 3 phần chính:  Ứng dụng  ZigBee stack  Radio Mạng ZigBee được chia thành các lớp, mỗi lớp không biết gì về lớp trên nó. Lớp trên được xem như một “master” mà gửi yêu cầu cho “slave” bên dưới làm. Kiến trúc mạng ZigBee không giống mô hình mạng OSI 7layer, nhưng có vài thành phần giống gồm PHY (physical), MAC (link layer), NWK (network). Các lớp 47 (Transport, Session, Presentation và Application) được chuyển qua các lớp APS (Application support) và ZDO (ZigBee Device Object) trong mô hình ZigBee. Hai lớp thấp nhất, MAC và PHY được định nghĩa bởi đặc tả IEEE 802.15.4. Lớp PHY không giải mã bất cứ tín hiệu nào. Lớp MAC cung cấp khái niệm của một network, gồm một PAN ID và kết nối thông qua các beacon requests và response. PHÂN BAN SỬ DỤNG ĐIỆN | 725 Hình 1: Kiến trúc mạng ZigBee  Lớp PHY: Trong mạng ZigBee, lớp giao thức thấp nhất là lớp vật lý IEEE 802.15.4, hay PHY. Lớp này là gần nhất với phần cứng và điều khiển, giao tiếp trực tiếp với radio transceiver. Lớp PHY chịu trách nhiệm cho việc kích hoạt radio truyền và nhận packet. PHY cũng lựa chọn tần số kênh và đảm bảo kênh hiện không được dùng bởi các thiết bị khác trên mạng khác.  Lớp MAC: Medium Access Control (MAC) layer cung cấp giao diện giữa PHY layer và NWK layer. MAC có trách nhiệm sinh ra các beacon và đồng bộ thiết bị với các beacon (trong mạng beaconenabled). MAC layer cũng cung cấp dịch vụ kết hợp và không kết hợp.  Lớp NWK có trách nhiệm cho hình thành mạng mesh, gồm broadcasting các packets qua mạng, xác định các đường đi cho các unicasting packets và đảm bảo các gói tin được gửi một cách tin cậy từ một node đến node khác. Lớp network cũng có một tập các lệnh cho mục đích bảo mật, gồm bảo mật tham gia và tái tham gia mạng. Tất cả các mạng ZigBee được bảo mật ở lớp NWK.  Lớp APS có trách nhiệm cho ứng dụng. Nó hoạt động như một bộ lọc cho ứng dụng chạy phía trên nó các endpoints đơn giản là logic trong các ứng dụng này. Nó hiểu những gì các clusters và endpoints đưa ra, kiểm tra xem endpoint là một thành viên của Application Profile và group trước khi gửi thông tin lên trên. Lớp APS cũng lọc các thông tin trùng mà hoàn toàn được gửi lên bởi lớp NWK. Lớp APS giữ một bảng local binding, một bảng định tuyến các nodes hoặc các nhóm trong mạng mà node muốn giao tiếp đến.  Lớp ZDO (bao gồm ZigBee Device Profile, ZDP) có trách nhiệm cho quản lý cục bộ của mạng. Nó cung cấp các dịch vụ để khám phá các nodes khác và các dịch vụ trong mạng, có trách nhiệm trực tiếp cho trạng thái hiện tại của node trên mạng. 726 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017  Application Framework chứa ZigBee Cluster Library và cung cấp một framework mà các ứng dụng chạy bên trong. Các endpoints là cơ chế được sử dụng tách biệt một ứng dụng khỏi các ứng dụng khác. 5.1.2. Mô hình mạng trong ZigBee Hình 2: Mô hình mạng ZigBee Trong mô hình mạng ZigBee tồn tại 3 dạng mô hình chính: mạng hình sao, mạng hình cây, mạng hình dạng lưới (Mesh).  Mạng hình sao: Cấu trúc mạng hình sao bao gồm 1 bộ thu thập dữ liệu (Coordinator) và nhiều các thiết bị đầu cuối (End Device) cùng truy cập vào, ở mạng này có đặc điểm là cấu trúc đơn giản, coordinator đảm nhận phân phối tín hiệu đến tất cả các node cũng như nhận tín hiệu về từ các nút mạng. Sơ đồ mạng hình sao còn nhiều hạn chế, khi Coordinator gặp tình huống bị mất kết nối thì hệ thống mạng bị mất hoàn, khả năng mở rộng mô hình mạng rất khó do mỗi Coordinator chỉ có khả năng quản lý cũng như cấp phát địa chỉ với số lượng có hạn. Mô hình mạng sao phù hợp với mạng nhỏ với ít node mạng.  Mạng hình cây: Cấu trúc mạng hình cây được tạo từ 1 Coordinator và nhiều cụm nhỏ bao gồm các End Device và 1 Coordinator được quản lý và giao tiếp với Coordinator chính, sơ đồ mạng có sự phân cấp quản lý, khi 1 thiết bị mất kết nối thì hệ thống vẫn không bị ảnh hưởng, nhưng các thiết bị muốn giao tiếp với nhau cũng phải truyền về Coordinator trung tâm quản lí. Sơ đồ mạng hình Tree có mở rộng hơn sơ đồ hình sao về số lượng các nút mạng. PHÂN BAN SỬ DỤNG ĐIỆN | 727  Mạng hình Mesh: Bộ định tuyến (Router) tồn tại một địa chỉ không thay đổi, có thể được dùng truyền dữ liệu điểm tới điểm trên một địa chỉ. Nếu khi Coordinator không được cấp nguồn thì router sẽ vẫn duy trì mạng, vì giữa các router vẫn giao tiếp với nhau. Mô hình mạng Mesh được mở rộng từ mô hình mạng hình cây với cách thức giao tiếp linh hoạt, vì thế mô hình mạng Mesh được sử dụng phổ biến hơn trong mạng ZigBee. 5.2. MQTT MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một giao thức gửi dạng publish/subscribe sử dụng cho các thiết bị Internet of Things với băng thông thấp, độ tin cậy cao và khả năng được sử dụng trong mạng lưới không ổn định. Bởi vì giao thức này sử dụng băng thông thấp trong môi trường có độ trễ cao nên đây là một giao thức lý tưởng cho các ứng dụng M2M. 5.2.1. Publish, subscribe Trong một hệ thống sử dụng giao thức MQTT, nhiều node trạm (gọi là MQTT client – gọi tắt là client) kết nối tới một MQTT server (gọi là broker). Mỗi client sẽ đăng ký một vài kênh (topic), ví dụ như “/client1/channel1”, “/client1/channel2”. Quá trình đăng ký này gọi là “subscribe”, giống như chúng ta đăng ký nhận tin trên một kênh Youtube vậy. Mỗi client sẽ nhận được dữ liệu khi bất kỳ trạm nào khác gửi dữ liệu và kênh đã đăng ký. Khi một client gửi dữ liệu tới kênh đó, gọi là “publish”. 5.2.2. QoS Ở đây có 3 tuỳ chọn QoS (Qualities of service) khi “publish” và “subscribe”:  QoS0 Broker/client sẽ gửi dữ liệu đúng 1 lần, quá trình gửi được xác nhận bởi chỉ giao thức TCP/IP, giống kiểu “đem con bỏ chợ”.  QoS1 Broker/client sẽ gửi dữ liệu với ít nhất 1 lần xác nhận từ đầu kia, nghĩa là có thể có nhiều hơn 1 lần xác nhận đã nhận được dữ liệu.  QoS2 Broker/client đảm bảo khi gửi dữ liệu thì phía nhận chỉ nhận được đúng 1 lần, quá trình này phải trải qua 4 bước bắt tay. Một gói tin có thể được gửi ở bất kỳ QoS nào và các client cũng có thể subscribe với bất kỳ yêu cầu QoS nào. Có nghĩa là client sẽ lựa chọn QoS tối đa mà nó có để nhận tin. Ví dụ, nếu 1 gói dữ liệu được publish với QoS2 và client subscribe với QoS0, thì gói dữ liệu được nhận về client này sẽ được broker gửi với QoS0 và 1 client khác đăng ký cùng kênh này với QoS 2, thì nó sẽ được Broker gửi dữ liệu với QoS2. Một ví dụ khác, nếu 1 client subscribe với QoS2 và gói dữ liệu gửi vào kênh đó publish với QoS0 thì client đó sẽ được Broker gửi dữ liệu với QoS0. QoS càng cao thì càng đáng tin cậy, đồng thời độ trễ và băng thông đòi hỏi cũng cao hơn. 728 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 5.2.3. Retain Nếu RETAIN được set bằng 1, khi gói tin được publish từ Client, Broker phải lưu trữ lại gói tin với QoS và nó sẽ được gửi đến bất kỳ Client nào subscribe cùng kênh trong tương lai. Khi một Client kết nối tới Broker và subscribe, nó sẽ nhận được gói tin cuối cùng có RETAIN = 1 với bất kỳ topic nào mà nó đăng ký trùng. Tuy nhiên, nếu Broker nhận được gói tin mà có QoS = 0 và RETAIN = 1, nó sẽ huỷ tất cả các gói tin có RETAIN = 1 trước đó. Và phải lưu gói tin này lại, nhưng hoàn toàn có thể huỷ bất kỳ lúc nào. Khi publish một gói dữ liệu đến Client, Broker phải se RETAIN = 1 nếu gói được gửi như là kết quả của việc subscribe mới của Client (giống như tin nhắn ACK báo subscribe thành công). RETAIN phải bằng 0 nếu không quan tâm tới kết quả của việc subscribe. 5.2.4. LWT Gói tin LWT (last will and testament) không thực sự biết được Client có trực tuyến hay không, cái này do gói tin KeepAlive đảm nhận. Tuy nhiên gói tin LWT như là thông tin điều gì sẽ xảy đến sau khi thiết bị ngoại tuyến. 5.2.5. Ví dụ Giả sử người dùng có 1 cảm biến gửi những dữ liệu quan trọng và không thường xuyên. Cảm biến này có đăng ký trước với Broker một tin nhắn lwt ở topic /node/goneoffline với tin nhắn id của nó. Và người dùng cũng đăng ký theo dõi topic /node/goneoffline, sẽ gửi SMS tới điện thoại mỗi khi nhận được tin nhắn ở kênh mà người dùng đang theo dõi. Trong quá trình hoạt động, cảm biến luôn giữ kết nối với Broker bởi việc luôn gửi gói tin keepAlive. Nhưng nếu vì lý do gì đó, cảm biến này chuyển sang ngoại tuyến, kết nối tới Broker timeout do Broker không còn nhận được gói keepAlive. Lúc này, do cảm biến đã đăng ký LWT, do vậy broker sẽ đóng kết nối của cảm biến, đồng thời sẽ publish một gói tin là Id của cảm biến vào kênh /node/goneoffline, dĩ nhiên là người dùng cũng sẽ nhận được tin nhắn báo cảm biến đã ngoại tuyến. 5.3. AWS IoT AWS IoT (Amazone Web Service) là một nền tảng dữ liệu điện toán đám mây (managed cloud platform) do Amazon phát triển, có thể kết nối thiết bị một cách dễ dàng và tương tác một cách an toàn với các ứng dụng điện toán đám mây (cloud) và những thiết bị khác. Trong lĩnh vực Smart Home luôn tồn tại một câu hỏi: “Làm cách nào để xây dựng các thiết bị gia dụng thông minh trong nhà (smart domestic electric appliances) mà PHÂN BAN SỬ DỤNG ĐIỆN | 729 thông qua Internet, người sử dụng có thể kiểm soát theo thời gian thực (realtime) và đề xuất kịch bản sử dụng tốt nhất?”. Để minh họa cho giải pháp được đề xuất, trong phần này, bài viết sẽ trình bày một trường hợp (case study) về hệ thống điều hòa không khí thông minh. Kiến trúc hệ thống được mô tả như hình sau: Hình 3: Kiến trúc hệ thống Hệ thống điều hòa không khí bao gồm cục nóng (heater), cục lạnh (cooler), quạt và cảm biến không khí (độ ẩm và nhiệt độ) được kiểm soát bởi Wall Controller thông qua giao thức Modbus (mở/tắt, tăng/giảm nhiệt độ/độ ẩm, tăng/giảm tốc độ quạt, chọn chế độ chương trình,). Thiết bị IoT giao tiếp với Wall Controller thông qua giao thức Modbus bằng cách sử dụng hệ thống thu phát RS485 và giao tiếp với AWS qua giao thức HTTPS sử dụng kết nối WiFi. Nó sẽ nhận được thông tin về hệ thống điều hòa không khí và gửi thông tin đến AWS (qua AWS IoT). Sau đó, thông tin sẽ được hiển thị trên ứng dụng di động của người dùng (iOS, Android, Windows Phone). Khi người dùng muốn kiểm soát các hệ thống điều hòa không khí, họ sẽ dùng ứng dụng di động để gửi lệnh đến AWS (mở/tắt, tăng/giảm nhiệt độ/độ ẩm, tăng/giảm tốc độ quạt, chọn chế độ chương trình,). Các lệnh này sẽ được gửi tới thiết bị IoT thông qua AWS IoT và thiết bị sẽ truyền chúng đến Wall Controller thông qua giao thức Modbus để theo dõi hệ thống điều hòa không khí. Thông tin liên quan đến quản lý hệ thống được lưu trữ tại Amazon RDS. Hệ thống cũng sẽ lưu trữ log trong Amazon S3 cho Tracking, và lưu trữ thông tin về hành vi của người dùng trong Amazon DynamoDB cho Analytics. 730 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 Hình 4: Thành phần của hệ thống IoT  Các công nghệ được sử dụng trong hệ thống bao gồm:  Lowpower ARM® Cortex®M4 Core cho MCU (microcontroller unit) của thiết bị IoT.  Xamarin để xây dựng ứng dụng điện thoại di động cho iOS, Android và Windows Phone.  AWS IoT, Amazon EC2, Amazon DynamoDB, Amazon RDS, Amazon S3.  AWS cho hệ thống giám sát: Amazon CloudWatch, Amazon CloudTrail, Amazon SNS. Ngoài các loại AWS kể trên, chúng ta cũng có thể sử dụng Amazon Elasticsearch Service, Amazon Mobile Analytics, Amazon EMR, Amazon Redshift, Amazon Machine Learning, Amazon QuickSight, Amazon Kinesis để phân tích.  Dữ liệu bên dưới sẽ được lưu trữ và phân tích:  Nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ quạt, chế độ lựa chọn chương trình.  Thời gian để bật/tắt, nhiệt độ tăng/giảm/độ ẩm/tốc độ quạt.  Công suất tiêu thụ của người dùng để đề xuất kịch bản sử dụng tốt nhất. Nhờ sự phân tích này, hệ thống có thể đề xuất cài đặt tối ưu cho người dùng cũng như cung cấp cho các nhà sản xuất những thông tin hữu ích để cải thiện sản phẩm của PHÂN BAN SỬ DỤNG ĐIỆN | 731 mình. Cách tiếp cận này giúp chúng ta xây dựng giải pháp thích hợp trong lĩnh vực Smart Home, cho phép người sử dụng kiểm soát tức thời các loại đồ dùng gia đình thông qua Internet và đề xuất các kịch bản tốt nhất cho kinh tế, sức khỏe, môi trường. Việc sử dụng AWS cũng đảm bảo độ tin cậy, hiệu quả chi phí và tính sức mạnh của hệ thống. Do đó, sự kết hợp giữa AWS và IoT thực sự mang đến một giải pháp hoàn hảo cho Smart Home. 5.4. Các giao thức khác 5.4.1. Bluetooth Bluetooth Smart (hay BLE  Bluetooth Low Energy) một giao thức quan trọng trong IoT với lợi thế là tiêu hao năng lượng cực thấp. Đây được dự kiến là chìa khóa cho các sản phẩm IoT. Theo Bluetooth SIG, hiện có hơn 90% điện thoại smartphone được nhúng Bluetooth, bao gồm các hệ điều hành IOS, Android và Window và dự kiến đến năm 2018 sẽ là "Smart Ready". Tuy nhiên, BLE không thực sự được thiết kế cho các ứng dụng dùng để truyền file và sẽ phù hợp hơn cho khối dữ liệu nhỏ. Một số thông tin kỹ thuật về Bluetooth 4.2:  Tần số: 2.4 GHz  Phạm vi: 50 150 m (Smart/BLE)  Dữ liệu truyền được: 1 Mbps 5.4.2. Wifi Wifi (là viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11) là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến. Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác. Nó có thể chuyển và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại. Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz. Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình. Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn. Kết nối Wifi thường là sự lựa chọn hàng đầu của rất nhiều kỹ sư giải pháp bởi tính thông dụng và kinh tế của hệ thống wifi và mạng LAN với mô hình kết nối trong một phạm vi địa lý có giới hạn. Hiện nay, đa số các thiết bị wifi đều tuân theo chuẩn 802.11n, được phát ở tần số 2.4 Ghz và đạt tốc độ xử lý tối đa 300 Megabit/giây. Một số thông tin kỹ thuật:  Tiêu chuẩn: Based on 802.11n (most common usage in homes today)  Tần số: 2.4 GHz and 5 GHz bands  Khoảng cách: 50 m  Tốc độ: 150 200 Mbps (tối đa 600 Mbps) tùy thuộc vào kênh tần số được sử dụng và số lượng các ăngten (chuẩn 802.11ac cho tốc độ từ 500 Mbps to 1 Gbps). 732 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 5.4.3. Cellular Với các ứng dụng IoT/M2M yêu cầu khoảng cách truyền thông dài, hoặc không bị giới hạn bởi khoảng cách địa lý thì việc lựa chọn đường truyền dữ liệu thông qua mạng điện thoại di động GPRS/3G/LTE là một lựa chọn sáng suốt. Tuy nhiên, việc truyền dữ liệu đi xa thì sẽ tốn năng lượng tương ứng và yếu tố tiêu hao năng lượng dễ được chấp nhận trong bài toán này. Hiện nay, các thiết bị/các điểm đầu cuối trong công nghiệp đều được hỗ trợ tích hợp các cổng giao tiếp vật lý theo chuẩn như RS232 , RS485, RS422 hay Ethernet. Các phương tiện truyền thông qua mạng di động đều hỗ trợ đầu vào là các cổng Serial hay Ethernet nên việc tích hợp giải pháp truyền thông không dây không còn khó khăn hay bị giới hạn bởi yếu tố khách quan. Một số thông tin kỹ thuật:  Tiêu chuẩn: GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G)  Tần số: 900/1800/1900/2100 MHz  Khoảng cách: 35 km max for GSM; 200 km max for HSPA  Tốc độ (typical download): 35 170 kps (GPRS), 120 384 kbps (EDGE), 384 Kbps 2 Mbps (UMTS), 600 kbps 10 Mbps (HSPA), 3 10 Mbps (LTE) 5.4.4. ZWave Tương tự Zigbee, ZWave là chuẩn truyền thông không dây trong khoảng cách ngắn và tiêu thụ rất ít năng lượng. Dung lượng truyền tải với tốc độ 100 kbit/s phù hợp với nhu cầu giao tiếp giữa các thiết bị trong các hệ thống IoT, M2M. Chuẩn kết nối ZWave và Zigbee cùng hoạt động với tần số 2.4 GHz và cùng được thiết kế với mức tiêu thụ năng lượng rất ít nên có thể sử dụng với các loại PIN di động.Zwave hoạt động ở tần số thấp hơn so với Zigbee/wifi, dao động trong các dải tần của 900 MHz, tùy theo quy định ở từng khu vực khác nhau. Ưu điểm của ZWave là tiêu thụ năng lượng cực ít và độ mở (open platform) cực cao. Hiện nay, ZWave được sử dụng chủ yếu trong ứng dụng Smart Home. Đặc biệt, mỗi thiết bị ZWave trong hệ thống là một thiết bị có thể vừa thu và vừa phát sóng nên tính ổn định hệ thống được nâng cao. Lợi thế của ZWave là có hỗ trợ mạng Mesh hoạt động truyền dữ liệu bình thường ngay khi không có Coordinator và có thể mở rộng tới 232 thiết bị. Thông số kỹ thuật cơ bản:  Tiêu chuẩn: ZWave Alliance ZAD12837 / ITUT G.9959  Tần Số: 900 MHz (ISM)  Khoảng cách truyền: 30 m  Tốc độ: 9.6/40/100 kbit/s PHÂN BAN SỬ DỤNG ĐIỆN | 733 5.4.5. 6LoWPAN 6LoWPAN là tên viết tắt của IPv6 protocol over lowpower wireless PANs (tức là: sử dụng giao thức IPv6 trong các mạng PAN không dây công suất thấp). 6LoWPAN được phát triển bởi Hiệp hội Đặc trách kỹ thuật Internet IETF (Internet Engineering Task Foce), cho phép truyền dữ liệu qua các giao thức IPv6 và IPv4 trong các mạng không dây công suất thấp với các cấu trúc mạng điểm  điểm (P2P: point to point) và dạng lưới (mesh). Tiêu chuẩn được đặt ra để quy định các đặc điểm của 6LoWPAN  cho phép sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT. Điểm khác của 6LoWPAN so với Zigbee, Bluetooth là: Zigbee hay bluetooth là các giao thức ứng dụng, còn 6LoWPAN là giao thức mạng, cho phép quy định cơ chế đóng gói bản tin và nén header. Đặc biệt, IPv6 là sự kế thừa của IPv4 và cung cấp khoảng 5 x 1028 địa chỉ cho tất cả mọi đối tượng trên thế giới, cho phép mỗi đối tượng là một địa chỉ IP xác định để kết nối với Internet. Được thiết kế để gửi các bản tin IPv6 qua mạng IEEE802.15.4 và các tiêu chuẩn IP mở rộng như: TCP, UDP, HTTP, COAP, MQTT và Websocket, là các tiêu chuẩn cung cấp nodes endtoend, cho phép các router kết nối mạng tới các IP. Thông số kỹ thuật cơ bản:  Tiêu chuẩn: RFC6282.  Tần số: phù hợp và được sử dụng trong hầu hết các phương thức truyền thông khác như Bluetooth Smart (2.4 GHz) hoặc ZigBee hoặc lowpower RF (sub1 GHz). 5.4.6. Thread Thread là một giao thức IP mới, dựa trên nền tảng mạng IPv6 được thiết kế riêng cho mảng tự động hóa trong các tòa nhà và nhà. Được ra mắt vào giữa năm 2014 bởi Theard Group, giao thức Thread dựa trên các tiêu chuẩn khác nhau, bao gồm IEEE802.15.4, IPv6 và 6LoWPAN, và cung cấp một giải pháp dựa trên nền tảng IP cho các ứng dụng IoT. Được thiết kế để làm việc với các sản phẩm chip của Freescale và Silicon Labs (vốn hỗ trợ chuẩn IEÊ802.15.4), đặc biệt có khả năng xử lý lên đến 250 nút với độ xác thực và tí