Các tác giả Trần Quang Vinh, Phạm Mạnh Thắng, Phùng Mạnh Dương, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN, đã tiến hành nghiên cứu, thiết kế và thực hiện mạng thông tin CCN này trong một tòa nhà cao tầng nhằm tạo ra các tiện nghi hiện đại cho nó. Hệ thống được xây dựng trên cơ sở tích hợp hữu cơ giữa các mô-đun phần cứng và phần mềm điều khiển. Các bộ điều khiển được nối qua các kênh truyền vật lý thích hợp đã đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế. Các kết quả tính toán và mô phỏng trên hai phân mạng chính cho thấy hệ thống thiết kế thỏa mãn được yêu cầu thông tin điều khiển tòa nhà.

Hệ thống tự động hóa tòa nhà BAS

Trong những năm gần đây, số tòa nhà cao tầng ở Viêt Nam được tăng lên nhanh chóng. Những tòa nhà này không chỉ được thiết kế hiện đại mà còn được trang bị nhiều phương tiện công nghệ cao. Hiện nay thế giới đã biết đến khái niệm về Hệ thống tự động hóa tòa nhà BAS (Building Automation System). Đó là một hệ thống điều khiển được lắp đặt, cho phép giám sát và điều khiển các thiết bị trong toàn tòa nhà. Các thiết bị này có chức năng điều khiển các thông số môi trường trong nhà (như nhiệt độ, độ ẩm), thu thập dữ liệu tiêu thụ điện trong các phân hệ chính (như hệ thống chiếu sáng, sưởi ấm, hệ thống máy bơm nước), điều khiển đóng ngắt các thiết bị điện, báo động khi xảy ra hỏa hoạn, kiểm soát an ninh và điều khiển các quá trình vào ra tòa nhà, v.v...

Thực tế cho thấy một hệ thống như BAS sẽ cho phép tiết kiệm được năng lượng sử dụng trong tòa nhà, cải thiện được các tiện nghi và tăng tính an toàn cũng như giảm các chi phí vận hành bảo dưỡng. Chỉ nói riêng về mặt năng lượng, các thống kê tin cậy chỉ ra rằng, có tới 40% năng lượng sử dụng trong tòa nhà thuộc về các hệ thống có thể đặt dưới sự giám sát điều khiển của BAS; còn nếu tính thêm cả hệ thống chiếu sáng vào thì con số này lên tới 70%.

Một hệ BAS thường được chương trình hóa nhằm quản lý một cách tự động các phân hệ trong nó. Chẳng hạn như BAS có khả năng tự động tắt đèn trong một khu vực khi không có người di chuyển, tự động bật máy điều hòa không khí khi nhiệt độ hay độ ẩm trong phòng đạt tới một ngưỡng nào đó. Các thiết bị điện dân dụng trong các phòng của căn hộ như đèn chiếu sáng, máy điều hòa, máy giặt, máy thu hình có thể được điều khiển tự động hoặc điều khiển từ xa trong phạm vi tòa nhà hoặc thậm chí từ bất cứ nơi đâu bên ngoài tòa nhà. Điều khiển cửa ra vào cũng là một ứng dụng tự động hóa tòa nhà của BAS. Trong ứng dụng này, hệ thống gửi các luồng dữ liệu video từ các camera giám sát tới phòng bảo vệ một cách định kỳ, hoặc ghi lại các quá trình ngoại nhập khi có người đi qua cửa ra vào. Như vậy, sự an ninh của tòa nhà sẽ được tăng cường.

Do nhu cầu các dịch vụ trong tòa nhà hiện đại ngày càng tăng, nên chức năng của một hệ BAS hiện nay thực sự là việc giám sát và điều khiển hàng ngàn các nhiệm vụ xử lý thông minh không tập trung trong suốt ngày đêm ở tòa nhà. Vì vậy, BAS phải được thiết kế như một hệ thống điều khiển được máy tính hóa và hệ thống này không chỉ đảm bảo có tính điều khiển tập trung mà còn phải thực hiện được các hoạt động điều khiển phân tán nữa.

Một hệ BAS điển hình được cấu thành từ 4 loại phần tử cơ bản: các cảm biến (sensors), các bộ chấp hành (actuators), các bộ điều khiển (controllers) và một mạng thông tin (communication network). Như vậy, việc thiết kế xây dựng một mạng thông tin điều khiển CCN (Controlling Communication Network) trong BAS cần được quan tâm đặc biệt. Mạng chỉ hoạt động hiệu quả khi chọn được một hình trạng mạng (topology) và giao thức thông tin (protocol) thích hợp, bởi vì chúng quyết định đến hiệu quả thông tin, độ tin cậy, cũng như tính kinh tế của mạng.

Tự động hoá cho 64 căn hộ

Công trình nghiên cứu này báo cáo chi tiết quá trình xây dựng mạng thông tin điều khiển của BAS trong một tòa nhà cụ thể. Dựa trên việc phân tích các nhu cầu thiết yếu của một hệ BAS điển hình, nhóm nghiên cứu chọn các thiết kế thích hợp cho các mô-đun điều khiển phần cứng và các chương trình phần mềm cho một tòa nhà cao tầng cụ thể. Mô hình mạng đã được tính toán, mô phỏng và được lắp đặt cho các chỉ tiêu chất lượng chấp nhận được. BAS có những phân hệ như sau:

Phân hệ HVAC (điều khiển sưởi ấm, thông gió, điều hòa không khí - Heating, Ventilation, Air conditioning Control), đó là một hệ thống điều khiển vi khí hậu tự động được lắp đặt tại các khu vực công cộng của tòa nhà như sảnh lớn, các hành lang, tầng hầm, thang máy, nhà kho, v.v... Trong phân hệ này, chức năng sưởi ấm, thông gió là một xử lý nhằm điều khiển nhiệt độ hoặc độ ẩm trong vùng bằng các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến đo lưu lượng không khí và cảm biến đo nồng độ khí CO2 cùng với bộ điều khiển điện tử qua các thiết bị chấp hành như quạt, các van gió, van nước. Một hệ thống điều hòa nhiệt độ đảm bảo việc làm mát, thông khí và làm khô cho một vùng xác định.

Phân hệ chiếu sáng, điều khiển các đèn chiếu sáng tại các khu vực công cộng và các căn hộ. Việc đóng ngắt các đèn được thực hiện theo một số cách: bằng công tắc tay, bằng tín hiệu của các cảm biến phát hiện vật chuyển động, bằng tín hiệu đo mức sáng tối của môi trường xung quanh hoặc dựa trên một lịch biểu thời gian định trước trong chương trình điều khiển.

Phân hệ điều khiển đóng ngắt các thiết bị điện dân dụng, cho phép đóng ngắt các thiết bị nhất định không chỉ từ bên trong tòa nhà mà còn từ mọi nơi bên ngoài tòa nhà. Hầu hết các thiết bị điện dân dụng như đèn chiếu sáng, tủ lạnh, máy điều hòa, lò vi sóng, máy giặt và các thiết bị nghe-nhìn đều tiêu thụ nhiều điện năng và lãng phí công suất tiêu tán. Phân hệ này cho phép sử dụng hiệu quả các thiết bị điện dân dụng, không chỉ giảm chi phí mà còn làm sạch môi trường.

Phân hệ quản lý năng lượng điện, có nhiệm vụ thu thập mức tiêu thụ điện trong các hệ thống công cộng của tòa nhà, như hệ thống HVAC, hệ thống chiếu sáng công cộng, hệ bơm nước, và trong các căn hộ nếu có nhu cầu. Một số bộ đo điện tử số đặc biệt được thiết kế mắc song song với các công-tơ điện trong các phân hệ tiêu thụ nhất định sẽ truyền thường xuyên số liệu tiêu thụ điện về máy tính trung tâm của tòa nhà. Tại đó, một chương trình quản lý sẽ tính và phát ra các báo cáo về dữ liệu quá khứ về lượng điện đã tiêu thụ nhằm lưu ý người sử dụng hoạch định các chính sách sử dụng sao cho tối ưu.

Phân hệ báo cháy, cho phép phát hiện tín hiệu báo cháy từ các cảm biến nhạy khói và tự động phát tín hiệu cảnh báo cũng như gửi các thông báo khẩn cấp tới trung tâm tòa nhà hoặc trạm cứu hỏa.

Các phân hệ an ninh và điều khiển ngoại nhập, có chức năng giám sát và điều khiển việc ra vào ở cửa trước tòa nhà; phát hiện và báo động những xâm nhập bất hợp pháp. Các cửa ra vào và cửa sổ cần giám sát được lắp đặt các cảm biến tiếp xúc từ tính, các cảm biến phát hiện vỡ cửa kính, do đó có thể báo động được các xâm nhập bất thường. Các camera được lắp đặt ở các khu vực cần thiết cho phép quan sát được các hoạt động xảy ra quanh tòa nhà. Hệ thống BAS còn có thể cho phép nhận dạng và quản lý tiểu sử của mỗi nhân viên thường ra vào tòa nhà bằng thẻ nhận dạng vô tuyến RFID.

Nhóm nghiên cứu đã lắp đặt mạng CCN trong một tòa nhà 9 tầng, kể cả tầng hầm. Nhà có 4 cửa ra vào, 3 thang máy, 1 cầu thang đi bộ, 1 cầu thang thoát hiểm và nhiều hành lang cùng các cửa sổ. Không kể tầng hầm, mỗi tầng có 8 căn hộ và mỗi căn hộ có 4 phòng. Tổng cộng có 64 căn hộ trong tòa nhà.

Công trình này thực hiện nghiên cứu ứng dụng, đóng góp cho lĩnh vực thông tin điện tử trong tự động hóa tòa nhà ở Việt nam. Bước đầu, đã đạt được các kết quả như sau.

- Thiết kế và chế tạo thành công các môđun điều khiển. Cấu hình phần cứng và phần mềm nhúng của chúng đã đáp ứng yêu cầu thông tin tập trung và phân tán trong hệ thống tự động hóa (BAS) của tòa nhà.

- Đã thiết kế và thực hiện một mạng thông tin điều khiển (CCN) tại một tòa nhà cụ thể ở Việt nam. Trên cơ sở khảo sát, phân tích chi tiết, mỗi phân mạng đã được lựa chọn cho phù hợp với đặc điểm thông tin của mỗi phân hệ trong BAS.

- Hai phân mạng chính (RS-485/Modbus và Ethernet LAN) với nhiều thiết bị thu/phát nối với chúng đã được tính toán, mô phỏng nhằm đánh giá hiệu suất của mạng. Các kết quả cho thấy mạng được lắp đặt thỏa mãn với các yêu cầu thông tin điều khiển trong tòa nhà.

Hiệu suất thực sự của mạng còn được tiếp tục đánh giá bởi các phép đo đạc thống kê theo thực tại sử dụng qua thời gian. Công trình được sự tài trợ của đề tài cấp Nhà nước KC.03.12/06-10 thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội.