Tiết kiệm năng lượng, đặc biệt là điện năng luôn là vấn đề được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu. Sở hữu một ngôi nhà thông minh, tiện ích luôn là ước mơ của nhiều người, ở bất kỳ đâu (chỉ cần có sóng điện thoại) là có thể giám sát được các thiết bị điện trong ngôi nhà của chúng ta. Với niềm say mê nghiên cứu khoa học và ứng dụng khoa học và công nghệ vào thực tiễn cuộc sống, bằng ý tưởng sáng tạo táo bạo nhóm học sinh trên đã thiết kế hệ thống điện cho các hộ gia đình với các tính năng:
*Tính năng tiết kiệm năng lượng: Nhà ở có thể sử dụng một trong ba nguồn năng lượng điện: Pin năng lượng mặt trời, ắc qui, nguồn điện lưới. Khi nguồn năng lượng mặt trời lớn các thiết bị điện sẽ sử dụng nguồn năng lượng từ pin mặt trời qua bộ nghịch lưu lên 220V cung cấp cho các thiết bị của căn nhà. Đồng thời nạp cho ắc quy (để tích lũy sử dụng khi nguồn năng lượng mặt trời yếu). Khi nguồn năng lượng mặt trời yếu (Buổi tối) các thiết bị điện tiêu thụ từ ắc qui qua bộ nghịch lưu, cung cấp cho các thiết bị điện. Khi lượng điện trong ắc qui sắp hết (còn 5%). Hệ thống tự động chuyển sang nguồn điện lưới. Trong quá trình chuyển đổi nguồn yêu cầu điện vẫn phải cung cấp liên tục, không bị gián đoạn. Công suất hệ thống khoảng 60W gồm: 1 bóng đèn, 1 quạt (Điều khiển bật/tắt rơ le). Các thiết bị khi làm việc có đèn Led báo trạng thái và Ắc quy(Có thể dùng Ắc quyxe máy)
* Tính năng thông minh: Các thiết bị điện trong nhà có thể điều khiển (tắt/mở): trực tiếp từ phần cứng (bằng nút bấm hoặc công tắc) và từ giao diện trên phần mềm điện thoại hệ điều hành android. Trạng thái (làm việc/không làm việc) của thiết bị được hiển thị trên giao diện.
* Tính năng bảo vệ:
- Báo khói: Khi có khói, bật chuông báo động (trễ 5 giây) đồng thời gửi tin nhắn đến điện thoại trên phần mềm điều khiển. “Có khói trong nhà”.
- Báo rò ga:Khi có khí ga (Rò ga) bật chuông báo động (trễ 5 giây) đồng thời gửi tin nhắn đến điện thoại trên phần mềm điều khiển. “Có khí ga rò”.
- Chống trộm:Khi có người đột nhập (Đi qua vị trí nhất định - qua cửa). bật chuông báo động đồng thời gửi tin nhắn đến điện thoại trên phần mềm điều khiển. Tính năng này có thể bật/tắt trên phần cứng hoặc trên giao diện:“Có người lạ đột nhập”.
Để có được các tính năng trên cầnsử dụng 3 nguồn năng lượng: Pin năng lượng mặt trời (khi có nguồn năng lượng mặt trời), tích điện vào ắc quy (khi có nguồn năng lượng mặt trời và đủ cung cấp cho các phụ tải), nguồn điện lưới (khi nguồn ắc qui cạn do dùng quá nhiều) hệ thống tự động chuyển nguồn sang nguồn điện lưới. Khi có các sự cố trên, lập tức thông tin sẽ được gửi đến điện thoại đã được cài đặt phần mềm của hệ thống.
Để công trình: “Ứng dụng phần mềm thiết kế ngôi nhà thông minh và tiết kiệm năng lượng” cần Module SMS Controller sim 900 với việc giao tiếp giữa vi điều khiển PIC và Breakout sim 900 nhằm giám sát, điều khiển thiết bị một cách hiệu quả và tích hợp 4 ngõ ra relay điều khiển 4 thiết bị bất kì trong nhà, khả năng điều khiển hoàn hảo kể cả các thiết bị điện xoay chiều 220V. Với bốn cổng ngõ vào báo động, người sử dụng có thể kết nối với một thiết bị cảm biến bất kì nào đó với một mức tính hiệu ngõ vào, mạch sẽ giám sát và báo động. Ngoài ra với 8 cổng RF mở rộng, việc kết nối với mạch RF rời là rất ích cho việc điều khiển hiệu quả và nhanh hơn. Khối mạch điều khiển gồm: Khối xử lý trung tâm; Khối nguồn; Khối Sim 900; Khối tín hiệu ngõ vào; Khối điều khiển thiết bị. Nguồn năng lượng mặt trời được các tấm pin năng lượng mặt trời Solar Panel (s) chuyển hóa thành định năng dưới dạng điện áp một chiều. Bộ sạc tự động Charge Controller sẽ sạc điện vào bộ nguồn ác quy battery System. Từ bộ nguồn này có thể lấy điện tiêu thụ theo hai dạng là nguồn 1 chiều DC Power hoặc thông qua bộ nghịch lưu để chuyển hóa thành nguồn điện xoay chiều 220V - AC Power để sử dụng cho các thiết bị điện thông dụng trong gia đình. Khối vi điều khiển trung tâm sử dụng PIC 18F4520 với nguồn cấp là 4,5V. Mạch nguồn ở đây cung cấp cho toàn hệ thống bao gồm các khối vi điều khiển, module sim900, các khối I/O vì vậy cần một mạch nguồn có dòng đủ lớn. Mạch nguồn với thiết kế LM2596-ADJ, đây là IC nguồn có khả năng dòng tải lên đến 3A đảm bảo hệ thống làm việc ổn định. Hệ thống sử dụng nguồn 4,5V cung cấp điện cho toàn mạch cần phân áp điện trở cho LM2596-ADJ cho đầu vào 12V và đầu ra là 4,5V.
Để thực hiện được việc thu thập tín hiệu ngõ vào cần sử dụng một con Oppto đệm đầu vào có khả năng thu thập tín hiệu ngõ vào với mức cao là 5V-12V cách li hoàn toàn với mạch hệ thống. Khối điều khiển thiết bị có nhiệm vụ điều khiển các thiết bị ngoại vi thông qua tiếp điểm thường đóng và thường hở của relay. Mạch sử dụng các oppto kích transistor và relay cách li điều khiển thiết bị với khả năng ứng dụng cao, có thể sử dụng điều khiển được cho rất nhiều loại thiết bị khác nhau kể cả thiết bị dùng nguồn 220V xoay chiều.
Nguyên lí hoạt động của 1 kênh tiêu biểu trong khối như sau: Khi có tín hiệu ngõ ra từ chân vi điều khiển ở mức cao 5V-12V kích vào Anot led của oppto làm led oppto sáng, khi đó transistor quang của oppto dẫn nguồn 12V qua điện trở 10K kích vào cực B của transistor C1815. Khi đó transistor C1815 dẫn tiếp tục làm nguồn 12V qua cuộn dây relay đổ xuống mass. Khi có điện qua cuộn dây relay thì công tắc của relay sẽ bật và kết thúc quá trình điều khiển thiết bị.
Khối này có nhiệm vụ rất quan trọng trong mạch SMS Controller SIM900, Breakout SIM 900 là cầu nối giữa hệ thống với điện thoại di động, nhiệm vụ là tiếp nhận tin nhắn từ điện thoại và chuyển bản tin đến vi điều khiển xử lí đồng thời nhận nội dung tin nhắn từ vi điều khiển và phát đến điện thoại người dùng thông qua mạng GSM.
Sau khi cài đặt và thiết lập phần mềm giao diện cho hệ thống nhà tiện ích và tiết kiệm năng lượng trên điện thoại smartphone với hệ điều hành android giao diện giám sát thể điều khiển từ xa tất cả thiết bị điện trong hộ gia đình. Trên thực tế cần điều khiển cho bất kỳ thiết bị nào chỉ cần thiết kế thêm nút điều khiển. Giá của hệ thống này không phụ thuộc vào diện tích ngôi nhà mà phụ thuộc vào công suất tiêu thụ của các thiết bị điện. Nếu ngôi nhà sử dụng càng nhiều thiết bị điện công suất lớn, hiện đại như máy điều hòa, tủ lạnh, bình nóng lạnh, quạt điện, máy giặt…nếu sử dụng nguồn điện lưới thông thường thì sẽ tốn khoảng 1,3 triệu đồng tiền điện/tháng vào mùa hè và mùa đông mất khoảng 800.000 đồng/tháng. Đầu tư ban đầu lắp đặt pin mặt trời và ứng dụng ngôi nhà tiết kiệm thì chỉ mất chỉ mất 30 triệu đồng với bảo dương nhưng có độ bền lên tới 10 năm đã giảm 4 lần so với dùng điện thông thường.
Ngôi nhà thông minh, tiện ích và tiết kiệm năng lượng vừa có ý nghĩa giúp tiết kiệm năng lượng điện vừa thân thiện với môi trường vì nguồn năng lượng điện hiện nay chủ yếu từ nhà máy thủy điện và nhiệt điện, nguồn năng lượng này có thể bị cạn kiệt (than đá, nguồn nước) và gây ra ô nhiễm môi trường, với nguồn năng lượng mặt trời (có thể coi là vô tận) sẽ giúp con người giải quyết các vấn đề trên; giúp điều khiển giám sát các thiết bị điện trong gia đình bằng điện thoại di động, cảnh báo và bảo vệ trong một số trường hợp. Những lợi ích: tiện dụng, tiết kiệm thời gian, đặc biệt là an toàn này rất phù hợp với cuộc sống hiện đại. Với điều kiện khí hậu ở Việt Nam, hệ thống có thể được áp dụng rộng rãi. Đặc biệt giải pháp có khả năng áp dụng khi thiết kế ngôi nhà hiện đại, tiện ích.
Phạm Ninh Hải
Bài đăng trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ Hải Dương số 2 ra tháng 4/2016
