[Smarthome toàn tập] – Phần 2. Nhà Thông Minh hoạt động như thế nào? Các chuẩn truyền thông hiện nay.

       Phần đông bạn đọc đã biết đến nhà thông minh là ngôi nhà cho phép chủ nhà điều khiển các thiết bị điện bằng Smartphone, giọng nói hoặc trí tuệ nhân tạo (AI). Tuy nhiên, không phải ai cũng hiểu rõ về cách ngôi nhà thông minh hoạt động như nào. Phần 2 này nằm trong Seri Smarthome toàn tập do Công ty TNHH Nhà Thông Minh HomeQ tổng hợp và biên soạn, sẽ làm rõ cho bạn điều này và bổ sung thêm các nội dung sau:

Các chuẩn truyền thông trong nhà thông minh; Các cách thức tuyền dữ liệu trong Smart home; So sánh giữa các phương thức truyền thông và cái nào phổ biến hiện nay.

Nội dung bài viết này chúng tôi hướng tới cho người đang tìm hiểu hoặc bắt đầu bước vào ngành Smarthome, vì vậy kiến thức chuyên sâu chi tiết chúng tôi sẽ có bài ở Seri Smarthome nâng cao. Cũng chính vì thế, sẽ có những giải thích chúng tôi mượn dẫn chứng cụ thể của nghành khác để cho dễ hiểu và gần gũi.

Smart home suy cho cùng cũng dựa vào nền tảng internet of things (IoT) để phát triển. Vì vậy nó cũng phải tuân thủ các tiêu chuẩn, nguyên tắc của “vạn vật kết nối”. Đó là các chuẩn giao thức kết nối để các thiết bị liên kết được với nhau.

Bài viết khá dài và chi tiết, bạn có thể nghe audio bên dưới:

Chuẩn giao thức kết nối là gì? Tại sao bạn phải cần biết về nguyên lý hoạt động của Nhà thông minh?

Bạn lên Googe tìm hiểu về khái niệm chuẩn giao thức kết nối (network protocols) mà thường được gọi là chuẩn truyền thông, chuẩn giao tiếp, ngôn ngữ giao tiếp v.v… Và rồi bạn sẽ được dẫn tới loạt bài viết về các giao thức. Sau khi đọc xong, các bài viết rời rạc như thế, chắc chắn bạn sẽ bị nhầm lẫn một số giao thức, mà thực ra đó là (data protocols) tạm dịch là chuẩn giao thức truyền dữ liệu.

Thật may mắn nếu như bạn tìm đọc được bài này của chúng tôi. Vì thực tế, các giao thức và tiêu chuẩn IoT được phân loại rộng rãi thành hai nhóm riêng biệt.

1. Data protocols - Giao thức truyền dữ liệu IoT (Lớp ứng dụng): Hiểu nôm na là hình thức đóng gói dữ liệu và truyền gói dữ liệu đó qua lại giữa các thiết bị trong mạng lưới với nhau.

2. Network protocols - Giao thức mạng kết nối (Lớp vật lý): một tập hợp các quy tắc được thiết lập để xác định cách dữ liệu được truyền giữa các thiết bị khác nhau trong cùng một mạng. Nói dễ hiểu là, nó cho phép các thiết bị được kết nối, giao tiếp với nhau và hiểu nhau tường tận.

Ví dụ dễ hiểu như sau: Hiện anh A đang ở TP HCM, A muốn nói chuyện với chị B ở Hà Nội để báo với B rằng A sẽ ra Hà Nội tháng tới. A chọn cách gửi một lá thư qua bưu điện với nội dung được viết bằng ngôn ngữ tiếng Việt. Sau đó A nhận được phản hồi B sẽ đón A và muốn gặp A sớm nhất.

Qua ví dụ này: A và B đang ở trong một mạng lưới truyền thông. Họ rất hiểu nhau do họ chọn cùng 1 ngôn ngữ giao tiếp và phương thức truyền tin. Nội dung lá thư chính là Data protocols.

Các Data protocols phổ biến ứng dụng trong IoT hiện nay xếp theo độ phủ rộng như sau:

MQTT (Message Queue Telemetry Transport): MQTT là một giao thức theo cơ chế xuất bản/đăng ký, ở đó máy client có thể xuất bản hay nhận bản tin. Nó giúp giao tiếp dễ dàng giữa nhiều thiết bị.

Nó là một giao thức nhắn tin đơn giản được thiết kế cho các thiết bị bị hạn chế và có băng thông thấp, vì vậy nó là một giải pháp hoàn hảo cho các ứng dụng internet vạn vật.

Nó là một giao thức cực kỳ nhẹ cho việc truyền tải bản tin đăng ký/xuất bản. Nó rất hữu ích cho việc kết nối với vị trí ở xa nơi có băng thông không cao.

HTTP (HyperText Transfer Protocol): cho phép trao đổi thông tin (chủ yếu ở dạng siêu văn bản) qua Internet. HTTP hiện là nền tảng truyền dữ liệu của ứng dụng duyệt web ngày nay và được sử dụng rộng rãi trong hệ thống Internet of Things. Mặc dù giao thức http có nhiều nhược điểm trong việc truyền dữ liệu và không phù hợp bằng các giao thức tối ưu khác như MQTT, CoAP, AMQP áp dụng cho IoT, nhưng giao thức này vẫn phổ biến trong lĩnh vực nhà thông minh cũng như việc sử dụng nhiều trong bộ vi điều khiển và vi xử lý tiên tiến.

CoAP (Constrained Applications Protocol): CoAP là một giao thức đơn giản chi phí thấp được thiết kế riêng cho các thiết bị hiệu năng thấp (chẳng hạn như vi điều khiển) và nơi mạng có băng thông thấp. Giao thức này được sử dụng để trao đổi dữ liệu M2M và rất giống với HTTP. Do đó, CoAP có thể được coi là sự lựa chọn giao thức tốt nhất cho mạng truyền thông gia đình.

AMQP (Advanced Message Queue Protocol) là một giao thức làm trung gian cho các gói tin trên lớp ứng dụng với mục đích thay thế các hệ thống truyền tin độc quyền và không tương thích. AMQP là một giao thức có dây (wire-protocol), có khả năng diễn tả các message phù hợp với định dạng dữ liệu, có thể triển khai với rất nhiều loại ngôn ngữ lập trình.

XMPP (Extensible Messaging và Presence Protocol) (trước đây gọi là “Jabber”) là giao thức truyền thông dùng cho định hướng tin nhắn trung gian dựa trên ngôn ngữ XML.

DDS (Data Distribution Service) là một ngôn ngữ trung gian dựa vào dữ liệu tập trung được sử dụng để cho phép khả năng mở rộng, thời gian thực, độ tin cậy cao và trao đổi dữ liệu tương tác.

Ngoài ra còn có thêm các giao thức sau:

TCP (Transmission Control Protocol): thiết lập kết nối giữa các máy tính để truyền dữ liệu. Nó chia nhỏ dữ liệu ra thành những gói (packet) và đảm bảo việc truyền dữ liệu thành công.

IP (Internet Protocol): định tuyến (route) các gói dữ liệu khi chúng được truyền qua Internet, đảm bảo dữ liệu sẽ đến đúng nơi cần nhận.

FTP (File Transfer Protocol): cho phép trao đổi tập tin qua Internet.

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): cho phép gởi các thông điệp thư điện tử (e-mail) qua Internet.

POP3 (Post Office Protocol, phiên bản 3): cho phép nhận các thông điệp thư điện tử qua Internet.

MIME (Multipurpose Internet Mail Extension): một mở rộng của giao thức SMTP, cho phép gởi kèm các tập tin nhị phân, phim, nhạc,... theo thư điện tử.

WAP (Wireless Application Protocol): cho phép trao đổi thông tin giữa các thiết bị không dây, như điện thoại di động.

Độ phổ biến của các giao thức truyền dữ liệu IoT năm 2018 (Nguồn: t-mobile.com)

Trong khuôn khổ bài viết này chúng tôi xin phép không nói sâu về giao thức truyền dữ liệu.

Về Network protocols – Chuẩn giao thức mạng kết nối – Xin được nói gọn là “chuẩn truyền thông”, thì hiện nay có rất rất nhiều chuẩn trong các nghành công nghiêp, y khoa, công nghệ thông tin, nhà thông minh… nó giống như số lượng ngôn ngữ (languages) trên toàn thế giới này để mọi người nói chuyện hàng ngày với nhau vậy. Nhưng tựu chung thì gom thành 2 dạng truyền dẫn đó là: Có dây và không dây.

Có một thực tế là, bạn có thể không cần quan tâm Data protocols, vì đây là công việc của các hãng sản xuất thiết bị Smarthome. Nhưng mà chuẩn truyền thông là thứ ngôn ngữ các thiết bị Điện thông minh sẽ giao tiếp với nhau và nếu chúng không thể hiểu nhau, bạn biết rồi đó, ý tưởng biến ngôi nhà bình thường trở nên thông minh phá sản hoàn toàn.

Chính vì điều này, bạn cần phải hiểu được cách thức làm việc của các network protocol. Từ đó hiểu ra nguyên lý rồi áp dụng chuẩn nào cho nhà thông minh của mình, trước khi ra quyết định lựa chọn những thiết bị phù hợp và tốt nhất cho ngôi nhà tương lai.

Có những chuẩn truyền thông nào áp dụng cho Nhà thông minh?

Nếu nói rộng ở lĩnh vực IoT thì bài viết này cũng chẳng thể viết hết nổi. HomeQ Smarthome chỉ xin phép được nêu những chuẩn truyền thông phổ biến hiện nay đang áp dụng trong ngành Nhà thông minh cũng như nguyên lý phổ biến của mỗi loại network protocol.

Truyền thông không dây và truyền thông có dây là 2 cụm từ mà bạn sẽ được nhìn thấy từ giờ cho tới cuối bài. Vì đây là 2 dạng chính của chuẩn truyền thông. Các thiết bị Điện thông minh sẽ được lựa chọn để nói chuyện và hiểu nhau dựa trên 2 dạng này. Nó giống như bạn chọn cách truyền thông điệp tình yêu với người thương, qua lời nói hay là hành động vậy đó. Các chuẩn giao tiếp sẽ được xếp vào 1 trong 2 hình thức này, tất nhiên cũng có những chuẩn truyền thông lai trộn, chọn cả 2 hình thức để phát triển.

Đối với hình thức truyền thông có dây, các thiết bị được kết nối với nhau bằng dây cáp có thể là dây điện thường, dây điện tín hiệu, dây cáp quang… Mọi dữ liệu sẽ được truyền trên dây đến trung tâm điều khiển để xử lý tác vụ và truyền thông ngược lại để thực thi lệnh, cũng có thể tại mỗi thiết bị là 1 trạm xử lý độc lập. Điểm mặt chỉ tên một số chuẩn truyền thông nhóm này như là:

• X10: Chuẩn truyền thông áp dụng cho Nhà thông minh lâu đời nhất. Ra đời vào năm 1975 bởi Pico Electronics, Scotland.
• UPB (Universal Powerline Bus): được phát triển bởi Powerline Control Systems.
• Ethernet: chuẩn truyền thông trong công nghệ thông tin dùng để kết nối tất cả các thiết bị tạo ra mạng cục bộ LAN.
• BACnet (Building Automation and Control Network) giao thức truyền thông dành cho mạng Điều khiển và Tự động hóa tòa nhà.
• KNX (Konnex) là chuẩn truyền thông có dây theo TC ISO/IEC 14543-3. KNX là một tiêu chuẩn phổ biến ở châu Âu dùng để để đánh giá hệ thống quản lý và điều khiển tòa nhà thông minh.
• Insteon: Tiêu chuẩn xuất hiện năm 2005, là giao thức vừa có thể dùng dây hoặc không dây.

Còn các chuẩn truyền thông không dây phổ biến trong Nhà thông minh cho tới thời điểm này có thể kể tới khoảng 12 giao thức. Cụ thể từng chuẩn giao thức HomeQ Smarthome mời bạn xem tiếp sau đây.

Chuẩn không dây linh hoạt và hiệu quả như thế nào với Smart home?

Nói tới không dây hẳn là bạn đã nghĩ tới ngay sóng di động hay sóng wifi. Quả đúng là như vậy nhưng 2 dạng sóng này chỉ là trong số các chuẩn truyền thông không dây. Sau đây là các giao thức phổ biến trong nhóm này.

1. Wifi: (Wireless Fidelity hay mạng 802.11) Chuẩn phổ biến và thường được lựa chọn của nhiều nhà sản xuất thiết bị smarthome bởi tính thông dụng và kinh tế do hầu hết tất cả các gia đình hiện nay đều lắp đặt mạng Internet và phát wifi cho các thiết bị cầm tay và gia dụng kết nối. Viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) đã đặt tên 802.11 cho wifi và tạo ra nhiều thế hệ wifi khác nhau như 802.11a/b/g/n/ac/ad/ax. Thế hệ phổ biến hiện nay nhất là  802.11ac tương ứng là Wifi 5, hoạt động ở 2 dải tần 2.4GHz và 5GHz. Nhưng từ năm 2019 thế hệ 802.11ax (Wifi 6) đang dần dần thay thế. Khoảng cách wifi theo lý thuyết <100m, thực tế điều kiện trong nhà thông thường khoảng cách kết nối khoảng 50m vì ảnh hưởng bởi các vật cản.
2. Zigbee: IEEE802.15.4 – là một chuẩn giao thức truyền thông vật lý hoạt động ở tần số 2.4Ghz thường được sử dụng trong các ứng dụng khoảng cách ngắn và dữ liệu truyền tin ít nhưng thường xuyên. Chính vì sự ít tiêu tốn năng lượng, tính bảo mật cao, khả năng mở rộng số lượng các node gần như vô hạn theo nguyên lý mesh, nên nó rất được ưu ái sử dụng trong nghành Smart home và lĩnh vực IoT. Zigbee đã có 3 thế hệ được tạo ra, phiên bản mới nhất Zigbee 3.0 là sự hợp nhất của các tiêu chuẩn Zigbee khác nhau thành một tiêu chuẩn duy nhất. Khoảng truyền lý thuyết của Zigbee là 50-100m, nhưng thực tế chỉ được 10m với ít vật cản với dung lượng truyền 250kbps.
3. Z-wave: là chuẩn truyền thông không dây trong khoảng cách ngắn và tiêu thụ rất ít năng lượng tương tự Zigbee. Dung lượng truyền tải 100kbit/s, đáp ứng khá tốt cho nhu cầu giao tiếp giữa các thiết bị trong các hệ thống Nhà thông minh và IoT. Chuẩn Z-wave cũng phát triển mạng dựa theo nguyên lý mesh network, điều đó cho phép mở rộng lên đến 232 thiết bị. Z-Wave hoạt động từ dải tần số 800Mz tới 950Mhz tùy theo quy định từng quốc gia. Khoảng truyền khoảng 30m với dung lượng 9.6/40/100kbit/s. Tính đến thời điểm viết bài, đã có 3.300 sản phẩm tương thích được chứng nhận Z-Wave. (https://www.z-wave.com)
4. Bluetooth: giao thức truyền thông không dây tầm ngắn được sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị cố định và di động trong khoảng cách dưới 10m bằng cách sử dụng sóng vô tuyến UHF trong băng tần ISM, từ 2,4 GHz đến 2,48 GHz. Bluetooth được quản lý bởi Bluetooth Special Interest Group (SIG), có hơn 35.000 công ty thành viên trong các lĩnh vực viễn thông, máy tính, mạng và điện tử tiêu dùng. IEEE chuẩn hóa Bluetooth thành IEEE 802.15.1, nhưng không còn duy trì tiêu chuẩn này nữa. Bluetooth SIG giám sát việc phát triển đặc điểm kỹ thuật, quản lý chương trình chứng nhận và bảo vệ nhãn hiệu. Điểm lợi thế to lớn của bluetooth đó là nó đã có mặt trên hầu hết các thiết bị cá nhân như máy tính, smartphone, thiết bị nghe nhìn….và nó được dự kiến là chìa khóa cho các sản phẩm IoT và Nhà thông minh. Bluetooth cho phép thiết bị giao tiếp trực tiếp với smartphone – là thiết bị không thể rời tay với số lượng cực lớn.

BLE – Bluetooth Low Energy hay Bluethooth Smart là một chuẩn mới của Bluetooth đang sử dụng nhiều cho thiết bị Smarthome do tính ưu việt, tiêu thụ năng lượng thấp.

Bluetooth mesh được SIG quy định và được phát hành vào tháng 7 năm 2017 với mục tiêu mở rộng kết nối của các thiết bị Bluetooth. Bluetooth mesh xây dựng dựa trên BLE và sử dụng nhiều khái niệm của BLE. Theo Bluetooth SIG, để tham gia vào mạng mesh các thiết bị phải sử dụng chuẩn Bluetooth 4.0 trở lên. Trải qua quá trình phát triển, bắt đầu từ Bluetooth 1.0 và 1.0B, thì hiện nay phiên bản cao nhất là Bluetooth 5.2 được SIG phát hành ngày 31/12/2019.  Nhưng phổ biến vẫn là BLE 4.0.

5. 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 5^1028 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.

6. Thread là một giao thức IP mới, dựa trên nền tảng mạng IPv6 được thiết kế riêng cho mảng tự động hóa trong các building và smarthome. Nó không phải là một giao thức được yêu thích để ứng dụng trong các bài toán IoT như Zigbee hay Bluetooth.

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 IEEE802.15.4), đặc biệt có khả năng xử lý lên đến 250 nút với độ xác thực và tính mã hóa cao.

7. 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 GSM/4G/LTE/5G là một lựa chọn sáng suốt.

Tất nhiên, đối với các kỹ sư thiết kế giải pháp, ai cũng hiểu rằng, truyền dữ liệu đi xa thì sẽ tốn năng lượng tương ứng. Và yếu tố tiêu hao năng lượng chắc chắn phải 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 RJ45.

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 nào khác. Tất nhiên để sử dụng cho Smart home thì chắc chắn còn phải nghiên cứu thêm.

8. NFC: Khi hai thiết bị đều có kết nối NFC, bạn có thể chạm chúng vào nhau (truyền tin ở khoảng cách cực gần) để kích hoạt tính năng này và nhanh chóng truyền tập tin gồm danh bạ, nhạc, hình ảnh, video, ứng dụng hoặc địa chỉ website… Ở các nước phát triển, NFC còn được xem là chiếc ví điện tử khi có thể thanh toán trực tuyến, tiện lợi và nhanh chóng.

Ngoài việc giúp truyền tải dữ liệu như trên thì NFC còn mở rộng với những công dụng ví dụ như bạn đến quán café có một thẻ NFC để trên bàn, trong thẻ này đã cài đặt sẵn wifi, thông tin của quán…lúc này bạn lấy chiếc điện thoại chạm vào NFC này thì máy sẽ bật tất cả tính năng được cài sẵn trong thẻ đó mà không cần phải gọi nhân viên tới để hỏi han. Hoặc tiên tiến hơn thì khi mua đồ trong các siêu thị lớn thì quẹt NFC của điện thoại để thanh toán tiền luôn.

Thông số kỹ thuật: TC ISO/IEC 18000-3, tần số 13.56MHz (ISM), khoảng cách truyền 10cm, dung lượng truyền: 100–420kbps

9. Sigfox là chuẩn truyền thông như mạng di động, sử dụng công nghệ Ultra Band (UNB) để kết nối các thiết bị từ xa. Mục tiêu của công nghệ này là sử dụng trong các ứng dụng truyền thông với tốc độ thấp, khoảng cách truyền xa và mức tiêu thụ năng lượng cực thấp.

Ngoài ra, nó đòi hỏi yêu cầu về antenna thấp hơn so với mạng di động GSM/CDMA. Sigfox sử dụng các dải tần ISM được sử dụng miễn phí mà không cần phải được cấp phép để truyền dữ liệu.

Ý tưởng ra đời của Sigfox: Đối với các ứng dụng M2M sử dụng nguồn bằng Pin và chỉ đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu thấp thì phạm vi truyền của Wifi lại quá ngắn, còn với mạng di động thì lại quá đắt đỏ và tốn năng lượng.

Với công nghệ UNB, và được thiết kế để chỉ xử lý đường truyền dữ liệu từ 10 đến 1000 bit trên giây, giúp chỉ tiêu thụ mức năng lượng 50 microwatts so với 5000 microwatts của việc dùng mạng điện thoại di động. Hay đơn giản, với một cục pin 2,5Ah thì với chuẩn Sigfox cho phép bạn dùng tới 25 năm thay vì 0,2 năm nếu dùng truyền thông qua mạng điện thoại di động.

10. Neul: Tương tự Sigfox và hoạt động ở băng tần 1Ghz, với mục tiêu cung cấp một mạng không dây có chi phí thấp với các đặc trưng tiêu biểu: độ mở rộng cao, phủ sóng cao và tiêu thụ năng lượng cực thấp. Neul sử dụng chip Iceni, mà trong truyền thông sử dụng “the white space radio” để truy cập vào băng tần UHF chất lượng cao hiện đang có sẵn do sự chuyển đổi từ kỹ thuật ti vi tương tự sang kỹ thuật số.

Công nghệ truyền thông được gọi là “Weightless”, tức là một công nghệ mạng không dây phủ trên diện rộng, được thiết kế cho các ứng dụng Iot, cạnh tranh trực tiếp với các giải pháp đang có sẵn như GPRS, 3G, CDMA và LTE WAN.

Tốc độ truyền dữ liệu có thể dao động từ vài bits trên giây tới 100kbps trên cùng một liên kết, và đặc biệt là với chuẩn công nghệ này, thiết bị có thể tiêu thụ công suất rất nhỏ, từ 20 tới 30mA, tức là có thể sử dụng đươc từ 10 đến 15 năm với cục pin AA.

Thông số kỹ thuật Tiêu chuẩn: Neul Dải tần: 900MHz (ISM), 458MHz (UK), 470-790MHz (White Space) Khoảng cách: 10Km Tốc độ truyền: từ vài bps tới 100kbps

11. LIFI là một chuẩn truyền thông không dây độc đáo, sử dụng các bóng đèn LED để truyền dữ liệu với tốc độ nhanh hơn Wifi tới 100 lần. Như vậy, với bóng đèn LED với chức năng thắp sáng, giờ có thêm chức năng truyền dữ liệu tốc độ cao.

Công ty Velmenni đã có vài dự án thí điểm, trong đó có tạo một không gian mạng ko dây trong văn phòng, sử dụng ánh sáng đèn LED thay vì dùng sóng radio để truyền dữ liệu như của Wi-Fi. CEO của Velmenni, Deepak Solanki, hồi giữa năm 2015 cho rằng: công ty hy vọng sẽ mang công nghệ này đến được với nhiều người sử dụng trong vòng 3-4 năm tới. Công nghệ đột phá này được công ty đặt cho cái tên là Li-Fi, lần đầu được Giáo sư Haas, Đại học Edinburgh  giới thiệu công nghệ này tại diễn đàn TED Global hồi năm 2011.

Li-Fi sử dụng dải tần ánh sáng mà mắt người nhìn thấy được để làm phương tiện truyền dữ liệu. Tất nhiên là, không phải bất kỳ nguồn ánh sáng đèn điện nào cũng tạo ra được Lifi. Hiện thời, tính năng này chỉ thực hiện được với các bóng đèn LED đạt chuẩn, có tích hợp một chip đặc biệt và có thêm một bộ nhận tín hiệu ánh sáng đặc biệt để có thể giải mã được tín hiệu ánh sáng truyền đi từ đèn LED.

Kỹ thuật điều biến ánh sáng không ảnh hưởng gì đến sức khỏe con người, nhất là về mắt. Giáo sư Haas cho rằng chúng ta thậm chí có thể giảm độ sáng của đèn thật thấp đến mức gần như là tắt, nhưng tín hiệu truyền dữ liệu vẫn hoạt động như thường.

Năm 2011, Haas đã trình diễn mẫu thiết bị của ông trên bục diễn thuyết của TED. Từ đó, ông đồng sáng lập ra công ty khởi nghiệp PureLiFi và sản xuất được hai sản phẩm truyền dữ liệu bằng ánh sáng. Nếu Li-Fi được ứng dụng rộng rãi, công nghệ này có thể giải quyết được một số rắc rối mà Wi-Fi gặp phải hiện nay.

Ngoài tốc độ kết nối, sóng radio phải có đủ dải tần để nhiều thiết bị cùng kết nối một lúc. Với Li-Fi thì không gặp khó khăn này vì dải tần ánh sáng lớn hơn gấp 10.000 lần so với dải tần radio.

Chuẩn Li-Fi tỏ ra đầy tiềm năng nhưng nó cũng có những hạn chế nhất định, quan trọng nhất đó là ánh sáng không thể đi xuyên tường được như sóng radio, nghĩa là thiết bị phải ở trong vùng có ánh sáng đèn LED. Hơn nữa, để chắn sóng Li-Fi, người dùng đơn giản chỉ cần bịt bóng đèn lại là dữ liệu gặp rắc rối ngay lập tức. Li-Fi cũng không hoạt động được ngoài trời nắng vì ánh sáng đèn LED không thể sáng hơn được ánh mặt trời.

12. LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012. Với chuẩn truyền thông này, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/ nhận dữ liệu.

Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như sensor network trong đó các sensor node có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động với battery trong thời gian dài trước khi cần thay pin. (tham khảo https://bkaii.com.vn/)

Qua phần tổng hợp trên cho thấy rằng:

• Giao thức truyền thông quyết định khá nhiều trong việc mở rộng, nâng cấp nhà thông minh sau này. Bạn đã chọn chuẩn nào thì nên đi theo chuẩn đó.
• Khả năng tương thích: Những giao thức kết nối nhà thông minh không dây đã có nhiều cải tiến vì vậy khả năng không xa sẽ tương thích lẫn nhau. Vì vậy, người dùng cần lựa chọn giao thức phổ biến, dễ sử dụng, có khả năng kết hợp với những thiết bị nhà thông minh khác nhau để đầu tư từ đầu.
• Dễ dàng nâng cấp: Công nghệ không dây khá linh hoạt trong khâu lắp đặt, nếu người dùng có một hệ thống tương thích cao, thì sau này dễ dàng bổ sung thêm nhiều thiết bị và tính năng trong tương lai.
• Cân nhắc khi lựa chọn giao thức kết nối nhà thông minh chính là chi phí, mức tiêu thụ điện năng và băng thông tiêu tốn. Chuẩn không dây đều đáp ứng tốt được điều này.

Chuẩn giao tiếp có dây có tốt cho Nhà thông minh hay không? 

Chúng tôi xin phân tích luôn cho bạn ngay đây.

1. Chuẩn truyền thông X10. X10 gửi tín hiệu 120 kHz (radio frequency - RF) lên hệ thống dây điện trong nhà đến các đầu ra của hệ thống. Các tín hiệu này truyền tải lệnh đến các thiết bị tương ứng, kiểm soát cách thức và thời gian hoạt động của thiết bị. Tuy nhiên, vì dây điện không được thiết kế đặc biệt chống nhiễu sóng radio nên X10 không phải lúc nào cũng đáng tin cậy. Các tín hiệu sẽ bị mất và trong một số trường hợp. X10 cũng đã khá già cỗi nên hiện nay không phổ biến sử dụng trong Nhà thông minh có dây nữa.
2. UPB. Chuẩn giao thức này dùng hệ thống dây điện gia dụng để gửi dữ liệu kỹ thuật số giữa các thiết bị UPB thông qua điều chế vị trí xung. Giao tiếp có thể ngang hàng, không cần bộ điều khiển trung tâm. Định danh địa chỉ của UPB cho phép 250 thiết bị trên mỗi nhà và 250 nhà trên mỗi máy biến áp, cho phép hơn 64.000 tổng địa chỉ thiết bị. Các thiết bị sử dụng giao thức UPB kết nối với nhau thông qua bộ điều khiển nhà trung tâm, mỗi thiết bị Điện thông minh cần được thêm vào hệ thống mạng một cách thủ công, khá mất thời gian.

Vì sử dụng hệ thống dây điện trong nhà, giao thức kết nối này không gặp phải vấn đề về khoảng cách như các giao thức không dây, một lựa chọn không tồi cho những người dùng yêu thích công nghệ. Tuy nhiên các thiết bị tương thích với giao thức UPB bị giới hạn khả năng nâng cấp.

Giao thức kết nối này sử dụng hệ thống dây dẫn có sẵn trong nhà để thực hiện giao tiếp giữa các thiết bị, nhưng giá thành sản phẩm khá cao và không phổ biến, giao diện cũng không thân thiện với người dùng, khó cấu hình cài đặt.

3. Insteon là giao thức kết nối đặc biệt, kết hợp công nghệ kết nối có dây và không dây, sử dụng công nghệ mạng kép đã đăng ký bản quyền để loại bỏ điểm yếu của cả 2 loại kết nối.

Một hub tổng Insteon giúp kết nối mọi thiết bị tương thích giao thức kết nối, người dùng có thể điều khiển qua ứng dụng trên điện thoại, máy tính bảng hay máy tính. Giao thức này cũng tương thích với giao thức X10, cho phép đưa tính năng không dây vào hệ thống mạng X10.

Insteon được đánh giá là cực kỳ dễ sử dụng, một trong những đặc điểm khiến người dùng lựa chọn giao thức này, phù hợp với mọi người, mọi đối tượng, từ người dùng chuyên nghiệp cho đến nghiệp dư.

Insteon cũng rất dễ dàng thiết lập, dễ như sử dụng một chiếc điện thoại thông minh. Mọi thiết bị tương thích với giao thức Insteon sẽ tự động được thêm vào hệ thống mạng khi mở chúng lên.

Tuy nhiên, có khá ít tùy chọn thiết bị Nhà thông minh khi lựa chọn sử dụng giao thức Insteon, bởi hiện tại chỉ mới có hơn 450 thiết bị nhà thông minh tương thích, tất cả đều do công ty Insteon sản xuất, kém tương thích với các thương hiệu khác.

4. BACnet là giao thức truyền thông dành cho mạng Điều khiển và Tự động hóa tòa nhà. Chúng sử dụng giao thức ANSI, ASHRAE và ISO 16484-5 tiêu chuẩn.

BACnet dùng cho các ứng dụng như kiểm soát và điều khiển thông gió, làm mát, sưởi ấm, điều khiển điều hòa không khí (HVAC), ánh sáng, kiểm soát truy cập và phát hiện cháy cùng các thiết bị liên quan đến Smart Building.

5. KNX được coi là một chuẩn truyền thông ổn định và phổ biến nhất trong nhóm có dây. Đây là một chuẩn của châu Âu (CENELEC EN 50090/CEN EN 13321-1) dùng để quản lý và điều khiển nhà thông minh. Tiêu chuẩn KNX được phát triển dựa trên nền ba tiêu chuẩn trước đó. Cụ thể là: EHS – European Home Systems Protocol, BatiBUS và EIB – European Installation Bus.

Các thiết bị có trong hệ thống nhà thông minh KNX được liên kết nối tiếp nhau thông qua một dây cáp duy nhất - BUS với điện áp là 24V DC. Mỗi một thiết bị trong mạng KNX sẽ được gán cho một địa chỉ riêng biệt. Các thiết bị nhận tín hiệu như cảm biến nhận lệnh và chuyển tín hiệu điều khiển tới các bộ phận chấp hành như là công tắc… để đóng mở các thiết bị điện.

Công nghệ của nhà thông minh KNX hoạt động dựa theo cấu trúc điều khiển phân tán. Tức là không cần bộ điều khiển trung tâm, những thiết bị trong hệ thống này đều có khả năng hoạt động và xử lý thông tin độc lập. Đảm bảo tính vận hành liên tục cho toàn hệ thống mà không phải phụ thuộc vào bất cứ thiết bị nào.

Cái hay nữa của chuẩn truyền thông KNX đó là các tiêu chuẩn trong KNX với phần cứng và phần mềm hoàn toàn độc lập nhau, nghĩa là cho dù công nghệ phần cứng có phát triển đến đâu thì tiêu chuẩn phần mềm vẫn không thay đổi. Nó đảm bảo rằng các thiết bị KNX từ năm 2000 vẫn có thể giao tiếp và làm việc cùng với thiết bị KNX mới sản xuất hôm qua mà không có gì lỗi thời cả. Chính vì thế, KNX từ khi ra đời năm 1990 cho đến nay hầu như chưa thay đổi phiên bản.

Hệ sinh thái thiết bị của chuẩn truyền thông KNX hiện nay khá lớn. Hiệp hội KNX có 500 thành viên là nhà cung cấp phần cứng và phần mềm đã đăng ký từ 45 quốc gia vào ngày 1 tháng 7 năm 2021, với hàng vạn sản phẩm đa dạng. Như thế có nghĩa là người sử dụng sẽ có nhiều lựa chọn thiết bị trên cùng một chuẩn truyền thông và không phải băn khoăn về việc các thiết bị có giao tiếp được với nhau không. (Tham khảo https://www.knxvietnam.vn)

So sánh ưu và khuyết điểm của các chuẩn truyền thông trong Smart home.

 

	Nhà thông minh chuẩn có dây	Nhà thông minh chuẩn không dây
Ưu điểm	- Kết nối nhanh và ổn định - Đảm bảo kết nối cho cả những công trình lớn  - Khả năng truyền tải mạnh mẽ - Hạn chế rủi ro chập điện	- Giá thành rẻ, phù hợp với kinh tế người Việt. Và đặc biệt là có thể dễ dàng thay đổi, nâng cấp khi cần.  - Lắp đặt dễ dàng, có thể tương thích với mọi ngôi nhà dù đang xây hay đã sử dụng lâu và muốn chuyển sang nhà thông minh.  - Thời gian thi công nhanh - Có nhiều tính năng mở rộng hơn.
Nhược điểm	- Cần phải đục tường để đi dây nên tính thẩm mỹ thấp - Mất nhiều thời gian thi công và đòi hỏi kỹ thuật cao - Giá thành đầu tư cao hơn so với hệ thống không dây  - Khó khăn trong việc thay đổi và nâng cấp	- Tốc độ phản hồi chậm hơn so với hệ thống nhà thông minh có dây nhưng không quá rõ rệt nếu sử dụng kết nối Zigbee hay Z-wave. - Một số thiết bị đòi hỏi thay thế pin trong quá trình sử dụng - Phụ thuộc vào bộ xử lý trung tâm hay cloud server. - Yêu cầu người dùng có kiến thức cơ bản để lắp đặt.
Có thể chuyển đổi từ nhà thường sang nhà thông minh không?	Có thể chuyển đổi nhưng sẽ mất nhiều thời gian khi đòi hỏi phải đục tường đi lại toàn bộ hệ thống đường dây điện.	Chỉ cần thay thế các công tắc cơ trong nhà bằng các công tắc thông minh, không cần đục phá hạ tầng hay đi lại đường điện. Vì thế nên dù nhà bạn ở đã được 10-15 năm vẫn có thể biến thành nhà thông minh chỉ trong 1 ngày.

Theo bạn chuẩn nào tốt nhất cho nhà Thông minh

Thực sự mỗi sự vật sinh ra vốn dĩ đã có sứ mạng của nó. Với tư cách viết về kỹ thuật, HomeQ Smarthome không đứng về phe nào trong cuộc chiến tiêu chuẩn nhà thông minh cả. Mỗi tiêu chuẩn có đặc điểm riêng của mình và phù hợp trong những dự án khác nhau. Đã đánh giá khách quan thì cứ công bằng mà nhận xét như vầy.

Nếu ngân sách dư dả, công trình siêu lớn thì bạn có thể nghĩ ngay tới chuẩn truyền thông có dây cụ thể ở đây chỉ có thể là KNX. Bạn sẽ có trải nghiệm tuyệt vời với KNX bởi tính ổn định của hệ thống.

Nếu bạn có ngân sách hạn hẹp, nhưng muốn lắp đặt hệ thống Nhà thông minh, hãy chọn chuẩn truyền thông không dây. Nếu bạn muốn cải tạo hệ thống điện cũ của nhà bạn sang hệ thống thông minh nhưng không muốn phải đục phá, hãy chọn truyền thông không dây.

Cũng xin nói thêm, do tính đa dạng trong nhóm truyền thông không dây hiện nay, bạn cũng sẽ phải đắn đo chọn Wifi hay Zigbee hay Z-wave… cho dự án nhà mình.

HomeQ Smarthome xin chia sẻ thêm kinh nghiệm chọn như sau:

Bạn nên chọn hệ thống Nhà thông minh dùng chuẩn Wifi khi:

• Bạn chỉ sử dụng vài thiết bị Điện thông minh thiết yếu. Nhà bạn cũng không quá lớn. Hệ thống Wifi nhà bạn khá tốt để kết nối và truyền tải thông tin tới hệ thống thiết bị Nhà thông minh. Bởi vì chuẩn truyền thông wifi chỉ phù hợp cho các dự án nhỏ, không gian không quá rộng, không nhiều tầng và không nhiều thiết bị.
• Bạn không muốn sử dụng thêm bộ điều khiển trung tâm Home Control, bạn chấp nhận sử dụng cloud sever của nhà cung cấp hoặc bên thứ 3 kể cả việc bạn sẽ gặp phải khả năng phản hồi và tốc độ thực thi trễ do đường truyền internet. Bởi vì bạn đang muốn trải nghiệm Nhà thông minh là như thế nào trước khi quyết định đầu tư bài bản.
• Bạn đã đầu tư một hệ thống hạ tầng mạng và wifi cực tốt, có các thiết bị như router chính có khả cân bằng tải và phân luồng dữ liệu, các access point có thể chịu nhiều tải thiết bị cùng lúc.

Bạn tham khảo thêm bài viết hướng dẫn lựa chọn Smart home giá rẻ để trải nghiệm.

Bạn nên chọn hệ thống Smart home dùng chuẩn Zigbee hay Z-wave khi:

• Bạn cần sử dụng hệ thống nhiều thiết bị thông minh trong nhà đặc biệt là công tắc, cảm biến - thường thì số lượng thiết bị này chiếm phần lớn trong một dự án. Trong hệ thống Zigbee, Z-wave luôn cần 1 bộ điều khiển trung tâm chính của ngôi nhà. Bộ trung tâm này có nhiệm vụ kết nối tất cả các thiết bị Zigbee, Z-wave, nhận thông tin và xử lý thông tin, nó còn thay mặt cả hệ thống Smarthome kết nối với Internet để bạn có thể điều khiển nhà từ xa. Như vậy cả hệ thống Smart home đồ sộ nhưng kết nối với Router nhà bạn cũng chỉ là 1 user như là một thiết bị thôi. Nó không ảnh hưởng gì nhiều tới hệ thống Internet nhà bạn.
• Bạn cần một kết nối thực sự ổn định, hoạt động mượt mà, các thiết bị sẽ làm việc tự động với nhau mà không có độ trễ và không ảnh hưởng của Internet.
• Bạn có nhu cầu mở rộng hệ thống và ưa thích sự trải nghiệm các sản phẩm mới, giải pháp mới. Sản phẩm của chuẩn Zigbee đang cải tiến và phát triển không ngừng để bắt kịp xu hướng thời đại.

Nguyên lý hoạt động của Nhà Thông Minh chuẩn Zigbee - Hãng Lumi

Bạn xem thêm bài viết phần 3 của Seri Smarthome toàn tập nói về các hãng smarthome hiện nay để có nhiều sự lựa chọn.

Trên đây là bài viết về Các chuẩn truyền thông hiện nay trong nghành Smarthome. Nếu có những thắc mắc cần chia sẻ xin vui lòng để lại nhận xét. Chúng tôi sẽ làm rõ cho bạn trong giới hạn hiểu biết của mình.

Chúng tôi cũng tin tưởng rằng: nếu bạn theo dõi đầy đủ các bài viết trong chuỗi bài Seri Smarthome toàn tập của Nhà Thông Minh HomeQ, bạn có thể tự tay lựa chọn và lắp đặt cho mình một căn nhà thông minh đúng nghĩa.

Còn nếu bạn chỉ muốn tìm hiểu và đang tìm kiếm một đơn vị chuyên nghiệp triển khai hệ thống nhà thông minh cho dự án sắp tới. Chúng tôi cũng cung cấp dịch vụ thiết kế, tư vấn và lắp đặt thiết bị Nhà thông minh với giá cả thấp nhất, phù hợp cho từng dự án của khách hàng. Bạn có thể tham khảo các dịch vụ của HomeQ tại https://homeq.vn/dich-vu/ hoặc tham khảo bảng giá dự toán cho các công trình quy mô khác nhau cũng như các combo và khuyến mãi tại trang Báo giá