Giải pháp tự động hóa thiết bị điện với công cụ lập trình đơn giản của
Việt Nam
Hiện nay các giải pháp thông minh và tự động hóa xuất hiện ngày một nhiều. Không chỉ dừng lại ở quy mô nhà máy, xí nghiệp, việc tự động hóa có thể áp dụng cho những thứ rất thân thuộc với cuộc sống như bóng đèn, quạt máy, máy bơm nước, đèn báo hiệu ở nhà,… Thế nhưng thực trạng bây giờ đó là chúng ta vẫn chưa có được một cách thức điều khiển nào thật dễ dùng. Muốn đưa các thiết bị đó vào nhà, nếu không có kiến thức chuyên môn, chúng ta thường phải đi nhờ các chuyên gia tự động hóa hoặc những công ty giải pháp, rất tốn kém tiền bạc, nhất là ở Việt Nam. Để giải quyết vấn đề này, công ty Hệ thống Việt (VSYS) đã thử nghiệm một hệ thống phần cứng - phần mềm mà tự người dùng phổ thông có thể điều khiển và thiết lập tự động hóa cho các thiết bị điện trong nhà mình.
Trước khi đi vào chi tiết giải pháp của VSYS, chúng ta hãy cùng tìm hiểu qua những nguyên tắc cơ bản của việc điều khiển trong tự động hóa, làm thế nào người ta có thể ra lệnh cho các thiết bị vận hành theo từng trường hợp khác nhau, các vấn đề hiện tại và hướng giải quyết.
Có 3 thành phần chính chi phối hành động của con người thường ngày, đó là các giác quan, bộ não và những "kịch bản".
Các giác quan sẽ đảm nhận chức năng thu nhận thông tin. Ví dụ, chúng ta có mũi để ngửi được nhiều mùi khác nhau, có lưỡi để nếm các vị, có tai để lắng nghe âm thanh, có xúc giác để chạm, sờ...
Sau khi thông tin đã được ghi lại, chúng sẽ được chuyển cho bộ não xử lí.
Lúc bộ não tiếp nhận thông tin, nó sẽ dựa vào thông tin để quyết định hành động mà chúng ta sắp làm là gì, giống như một kịch bản vậy. Có thể đó là phản xạ có điều kiện, phản xạ không điều kiện, hoặc một thứ gì đó mới hoàn toàn mà chúng ta sẽ phải suy nghĩ cách thực hiện. Dựa vào "kịch bản", não sẽ yêu cầu tay làm việc.
Một hệ thống tự động hóa cũng tương tự như thế, nó bao gồm 3 thành phần: cảm biến, một trung tâm điều khiển, và các kịch bản.
Cảm biến, như các bạn đã biết, có tác dụng thu thập thông tin đầu vào (input) từ môi trường xung quanh. Một số sensor mà chúng ta có thể dễ dàng bắt gặp đó là cảm biến phát hiện cửa bị mở, cảm biến hồng ngoại tiệm cận (biết được khi nào có người đến gần), cảm biết nhiệt độ. Nếu nhìn xa thêm một chút thì ta cũng có thể sử dụng cân, thước và bất kì dụng cụ đo đạc nào để lấy input.
Trung tâm điều khiển (control center) thì có tác dụng lấy thông tin đầu vào, xử lí, rồi xuất tín hiệu đầu ra cho các thiết bị ngoài (output). Trong công nghiệp người ta có thể dùng các bộ PLC (Programmable Logic Controller) để làm việc này. Trung tâm có thể kết nối với các thiết bị đầu ra theo một cách thức nào đó, có thể là nối dây hoặc không dây.
Trong quá trình xử lí input thành output, trung tâm điều khiển sẽ so sánh input với các kịch bản mà chúng ta đã dạy cho nó để quyết định những hành động hay dữ liệu nào sẽ được chuyển cho thiết bị đầu ra.
Vậy khi đã có thông tin đầu ra, làm sao các thiết bị có thể hành động theo những gì chúng ta muốn. Về cơ bản, việc điều khiển trong tự động hóa đó là chúng ta phải đóng ngắt các rờ le điện. Ví dụ, nếu dữ liệu đầu ra là A thì bộ điều khiển sẽ ra lệnh mở công tắc số 1 đang nối với đèn, còn nếu output là B thì mở công tắc số 2 đang nối với quạt.
Ngoài ra còn có một số thiết bị có thể hoạt động mà không cần dựa vào cảm biến để lấy input. Khi đó người ta sẽ lập trình sẵn cho chúng một kịch bản nào đó để thực thi liên tục kể từ lúc thiết bị được bật lên cho đến khi chúng ta rút phích cắm của nó ra khỏi ổ điện. Có thể lấy ví dụ như đèn Smart Lamp chẳng hạn, bạn có thể lập trình sẵn cho chúng chớp ba màu đỏ, xanh, vàng, khi gắn điện vào thì chúng đổi màu theo thứ tự như thế, khi rút điện ra thì ngừng.
Vấn đề điều khiển
Như đã nói, chúng ta đã có sensor (nhiều loại chỉ có vài chục nghìn đồng một cái thôi), đã có một phần cứng để làm trung tâm điều khiển, vậy làm thế nào để tạo ra được những kịch bản cho chúng? Những kĩ sư làm trong ngành tự động hóa sẽ sử dụng các ngôn ngữ lập trình như C++, Ladder để định hình kịch bản, lập trình khi input là thế này thì output sẽ là thế kia, họ quen với những thứ này lắm.
Đây là những dòng mã mà bạn sẽ phải học nếu muốn lập tình PLC
Nhưng vấn đề là một người dùng bình thường, một thầy giáo, một anh chàng chuyên về kinh tế, một chị quản lí nhân sự thì làm sao biết lập trình những thứ đó? Học cũng được, nhưng chúng ta không có thời gian hoặc tiền bạc cho chuyện đó. Nếu đi thuê người làm thì rất đắt tiền, có thể tốn đến vài chục, thậm chí vài trăm triệu đồng để có được một hệ thống hoàn chỉnh và hoạt động ổn định. Những thứ này đi đặt từ nước ngoài thì chi phí còn cao hơn nữa, và thường thì sẽ không khả thi để áp dụng vào hộ gia đình hay để sử dụng cá nhân.
Nói tóm lại, cái chúng ta cần là một thứ ngôn ngữ nào đó dễ hiểu, trực quan và có thể giúp người dùng hoàn thành kịch bản trong thời gian ngắn, không đòi hỏi kiến thức chuyên sâu. Chỉ cần người dùng biết họ đang muốn làm gì là được. Tổng quan lên thì cả giải pháp tự động hóa phải dễ dùng, từ phần cứng tới phần mềm, và giá rẻ nữa thì tuyệt vời.
Giải pháp tự động hóa của VSYS
Để xử lí được vấn đề nói trên, công ty VSYS đã đưa ra một bộ giải pháp thuần Việt để giúp việc tự động hóa trở nên thân thiện, dễ dàng và nhanh chóng hơn. Ngoài một số phần cứng điều khiển đi kèm (được sản xuất tại Việt Nam), VSYS còn cung cấp thêm một ứng dụng trên thiết di động cho phép chúng ta sử dụng thao tác chạm để sắp xếp trình tự input, xử lí và output đúng như ý định của bản thân.
Chúng ta hãy nói về phần cứng trước. Về cơ bản, phần cứng mà VSYS làm ra sẽ bao gồm 3 bộ phận: một cục trung tâm điều khiển, một bộ đóng ngắt điện, bộ điều khiển qua LAN.
Cục trung tâm điều khiển chính là bộ não của toàn hệ thống, nó là một chiếc PLC đã được thiết kế lại cho mục đích dễ sử dụng mà chúng ta nhắm đến. Thành phần này có thể giao tiếp với "thế giới bên ngoài" thông qua hai phương thức: qua mạng nội bộ hoặc qua kết nối 3G/SMS. Trong bộ điều khiển này sẽ có một khe SIM để bạn gắn SIM 3G vào, lúc đó thì trung tâm điều khiển có thể vào Internet cũng như nhận tin nhắn ra lệnh hoạt động. Việc nhận tín hiệu đầu vào từ các cảm biến thì sẽ thông qua sóng radio (RF) với tầm phủ sóng có thể đạt đến 50m.
Bên trong bộ điều khiển còn có hàng loạt các chấu để lấy dữ liệu đầu vào cũng như chấu điện để nối với các thiết bị đầu ra, bạn có thể xem hai ảnh bên trên. Nó hữu dụng khi bạn cần nối những thiết bị nào đó nằm gần với bộ điều khiển, nhờ đó chúng ta có thể không cần đến bộ rờ le không dây.
Bộ đóng ngắt điện thực chất chính là rờ le, nó có một hoặc một số lỗ cắm để chúng ta ghim điện các thiết bị gia dụng vào. VSYS dự tính sẽ làm ra những bộ có 1, 4, 6 lỗ cắm hoặc nhiều hơn nếu có nhu cầu. Như đã nói ở trên, trung tâm điều khiển sẽ lấy dữ liệu từ các cảm biến, xử lí chúng, và ra lệnh tắt bật rờ le (tức đóng hoặc ngắt điện) của những lỗ cắm này. Quá trình giao tiếp giữa trung tâm với bộ rờ le sẽ được thực hiện thông qua sóng RF. Chúng ta cũng có thể đóng ngắt điện thủ công nhờ các nút tròn màu đỏ.
Cũng cần phải nói thêm rằng các thiết bị điện gia dụng gắn vào những lỗ này chỉ là đồ tiêu chuẩn, không có công nghệ thông minh gì trong đó. Chúng là những bóng đèn, còi, bộ nguồn… bình thường mà chúng ta vẫn đang dùng trong nhà.
Còn muốn dùng thiết bị di động để điều khiển cục trung tâm thông qua mạng nội bộ thì chúng ta cần đến một bộ điều khiển qua LAN nối vào router mạng trong nhà. Thiết bị LAN cũng sẽ giao tiếp với cục trung tâm nhờ kết nối RF. Vậy tại sao hệ thống này lại cần đến Internet và vì sao cần đến mạng LAN? Mình sẽ giải thích sau.
Quay sang phần mềm, nó là một app có giao diện thuần Việt và trực quan, khá dễ sử dụng. Với app này chúng ta có thể thiết lập mã PIN bảo mật cho cục trung tâm (để ngăn việc điều khiển hay thiết lập trái phép), thêm các số điện thoại được phép nhắn tin ra lệnh cho control center, yêu cầu cục trung tâm học sóng RF của các cảm biến, khai báo các cảm biến đầu vào, thiết bị đầu ra, và phần quan trọng nhất: viết kịch bản.
Tạo kịch bản theo ý muốn
Những phần quản lý thì mình tạm bỏ qua, mình sẽ nói về việc viết kịch bản bằng app dành cho thiết bị di động. Trước khi viết, bạn cần cho control center học sóng RF của các cảm biến, bởi mỗi loại cảm biến sẽ có một kiểu dữ liệu khác nhau. Sau đó, bạn sẽ nhập tên của các loại cảm biến, ví dụ "cảm biến cửa chính", "cảm biến phòng ngủ", "cảm biến chống trộm". Kế tiếp, mỗi lỗ cắm trên bộ rờ le cũng sẽ có một con số, bạn cần nhập số nào đang gắm thiết bị gì, ví dụ số 1 là "đèn ngủ", số 2 là "đèn phòng khách", số 3 là "máy bơm nước", số 4 là "loa".
Vậy là chúng ta đã có input, output đầy đủ rồi, bắt tay vào làm việc thôi. Giả sử ý muốn của mình là như thế này:
Bây giờ chúng ta sẽ bắt đầu viết kịch bản. Sử dụng giao diện cực kì thân thiện và có tiếng Việt của hệ thống VSYS, mình thiết lập các bước cho kịch bản như sau:
Nhận tín hiệu từ "cảm biến cửa"
Bật "đèn ngủ"
Bật loa
Chờ 5 giây
Tắt "đèn ngủ" đi
Tắt "loa đi"
Gửi SMS đến số điện thoại 0901234567 với nội dung "có trộm"
Tất cả những gì chúng ta cần làm để viết ra 7 bước trên chỉ là những thao tác chạm và nhập liệu tuần tự, y hệt như khi khi bạn dùng bất kì app di động nào. Chúng ta không cần phải quan tâm đến những dòng mã lệnh phức tạp nào cả. Đây cũng chính là thứ nổi bật nhất trong toàn bộ giải pháp của VSYS bởi nó cho phép con người tương tác với các hệ thống một cách thuận tiện và có thể chỉnh sửa kịch bản bất kì khi nào chúng ta muốn. Ngoài hành động chờ, tắt, bật, hệ thống của VSYS còn hỗ trợ hành động gửi tin nhắn (đã hoạt động) và nhá máy (chưa chạy được). Chúng ta cũng có thể đặt lịch với ngày giờ cụ thể để chạy các kịch bản.
Ngoài ra, sử dụng cách thức tương tự, bạn có thể viết nên kịch bản không cần input. Ví dụ như bật số 1, chờ 1 phút, bật số 2, tắt số 1, tắt số 2. Chúng ta chỉ đơn giản là bỏ qua việc lấy input. Khi đó, việc kích hoạt kịch bản sẽ do chúng ta thực hiện thông qua tin nhắn SMS hoặc bộ LAN nói trên (thông qua hai nút bên trong app).
Sau khi đã thiết lập kịch bản hoàn chỉnh, chúng ta sẽ nhấn nút Lưu. Lúc này, kịch bản sẽ được tải lên server của VSYS rồi đẩy ngược về lại bộ điều khiển trung tâm. Lợi ích của việc này đó là kịch bản của bạn đã được lưu lên mây, trong trường hợp bộ điều khiển bị hỏng thì bạn chỉ cần mua bộ mới về rồi tải lại kịch bản là xong. Còn nếu bạn cho lưu thẳng từ app vào thì lúc thiết bị hỏng, chúng ta sẽ mất sạch, rất tốn thời gian va công sức để người viết kịch bản lại. Đây cũng là lúc mà bộ điều khiển trung tâm cần kết nối Internet. Một khi đã nắm kịch bản, bộ điều khiển có thể giao tiếp để bật tắt rờ le qua sóng RF với phạm vi 50m, chúng ta có thể tạm chia tay Internet.
VSYS cũng có tích hợp tính năng kích hoạt bằng giọng nói thay vì thao tác chạm bình thường, và bộ nguồn nhận biết giọng nói là của Google Voice nên cũng khá chính xác. Quy tình xử lí bằng giọng nói như sau:
Thiết bị di động ghi nhận giọng nói của bạn, chuyển cho server Google xử lí
Thiết bị di động nhận dữ liệu đã chuyển từ giọng nói thành văn bản từ Google
Thiết bị di động so sánh dòng văn bản này với tên của các kịch bản trong máy
Khi đã kiếm ra kịch bản tương ứng, thiết bị di động ra lệnh cho bộ điều khiển LAN
Bộ điều khiển LAN gửi thông báo để bộ điều khiển trung tâm chạy kịch bản đó
Thực chất thì giải pháp của VSYS chưa được thương mại hóa, nó chỉ dừng ở mức ý tưởng và thử nghiệm mà thôi. App của họ thì mới có phiên bản cho Android, dự tính là khi đã hoàn chỉnh hết các tính năng thì mới đưa lên iOS và các nền tảng hệ điều khác. Chính vì thế nên tính năng học sóng RF của cảm biến vẫn đang còn xây dựng, trong bài này mình sử dụng các thông số đã được các anh bên VSYS cho "học" sẵn.
Đại diện của VSYS cho biết công ty vẫn còn đang nghiên cứu thêm nhiều tính năng mới để tích hợp vào hệ thống của mình. Họ chưa chọn tên gọi và cũng chưa ấn định giá bán cho sản phẩm, tuy nhiên theo ước tính thì một cục điều khiển trung tâm có giá tầm 10 triệu (sẽ giảm nhiều nếu đi vào sản xuất hàng loạt), cục rờ le là vài trăm nghìn cho đến 1-2 triệu tùy số lượng ổ cắm trên đó. Những cảm biến, thiết bị gia dụng để làm input, output thì toàn dùng đồ tiêu chuẩn nên bạn có thể mua bên ngoài với giá rẻ, ví dụ như cảm biến chống trộm có thể ra tiệm điện gia dụng mua với giá 90 nghìn đồng, bóng đèn thì dễ quá rồi.
Bên cạnh việc sử dụng ở hộ gia đình, chúng ta cũng có thể áp dụng giải pháp của VSYS vào các nhà máy, ứng dụng trong kinh doanh. Bên VSYS nói với mình là họ có thử nghiệm ở một trang trại thanh long, thì tự tay bác nông dân có thể thiết lập khi nào thì đèn bật lên, khi độ ẩm môi trường là bao nhiêu (ghi nhận thông qua cảm biến độ ẩm) thì sẽ bật máy bơm nước tưới, tưới bao lâu thì tắt, và mấy giờ thì tắt đèn.
Kết luận
Nhìn chung, đây là một giải pháp rất phù hợp cho những ai muốn tự tay mình thiết lập hệ thống tự động hóa trong nhà, cơ quan. Ngoài ba thiết bị của VSYS, chúng ta có thể mua thêm những thiết bị điện khác một cách dễ dàng với giá rẻ và tùy biến hệ thống một cách chính xác theo ý thích. Điểm nhấn của giải pháp này nằm ở phần mềm trên thiết bị di động cho phép chúng ta biến hóa, viết các kịch bản một cách nhanh chóng, không phải quá quan tâm đến các cú pháp và câu lệnh lập trình. Hi vọng chúng ta sẽ sớm thấy giải pháp này được bán rộng rãi trong thời gian tới.
