Một tổ chức có thể tiết kiệm được bao nhiêu năng lượng nếu việc sưởi ấm, điều hòa không khí và tiêu thụ điện được điều tiết tương ứng với số người có mặt trong tòa nhà? Chủ đầu tư tòa nhà có thể tạo ra thêm bao nhiêu giá trị nếu họ có một bức tranh phản ánh chính xác hơn về cách thức các dịch vụ của họ được sử dụng và có thể thu tiền của cư dân một cách tương ứng? Và mức độ tiện dụng có thể cao hơn đến đâu khi làm việc trong một tòa nhà trong đó cơ sở hạ tầng thông minh nhận biết được từng cá nhân khi anh hoặc chị ta bước vào một căn phòng, các dịch vụ tòa nhà được cá nhân hóa theo những sở thích cá nhân và cung cấp truy nhập trực tiếp đến các hệ thống IT và truyền thông cần thiết.
Đây không phải là một tầm nhìn chỉ dành cho một tương lai xa – phần lớn cơ sở hạ tầng cần thiết để đạt được điều đó đã sẵn có ngay từ hôm nay, và các sản phẩm quan trọng cần thiết khác sẽ được đưa ra trong tương lai gần. Bằng việc nhúng công nghệ Internet vào trong kết cấu của một tòa nhà, triển khai những con chip rẻ tiền và thay đổi cách thức chúng ta quản lý cả các hệ thống điện tử và các hệ thống dữ liệu, có thể thay đổi cách thức tương tác trong mỗi công trình xây dựng.
Tất nhiên cũng có nhiều thách thức liên quan đến việc thực hiện chuyển đổi này – từ những khó khăn về mặt kỹ thuật trong việc tạo ra các giao diện người dùng chung cho đến những vấn đề về mặt tổ chức liên quan đến việc quản lý thay đổi trong môi trường làm việc. Tuy nhiên, việc giải quyết những vấn đề đó sẽ mang lại những lợi ích to lớn cho chủ đầu tư và cư dân của các tòa nhà, cả trên phương diện chất lượng trải nghiệm của người dùng và tiết kiệm năng lượng tổng thể. Nếu có thể tùy biến toàn bộ môi trường làm việc để đáp ứng những nhu cầu theo thời gian thực của con người làm việc bên trong, bạn có thể lặp lại những tiết kiệm đó trên toàn bộ cơ sở hạ tầng tòa nhà điện tử.
Tạo ra một cơ sở hạ tầng tích hợp
Mọi tòa nhà đều chứa một cơ sở hạ tầng đa lớp. Ở cấp độ thứ nhất là bộ khung lõi của tòa nhà, thường có vòng đời khoảng 50 năm trước khi nó phải trải qua sự thay đổi đáng kể về kết cấu. Bên trong nó là cơ sở hạ tầng kỹ thuật – bao gồm cả lớp vật lý của các hệ thống số và các hệ thống cơ điện – thường được làm mới sau mỗi chu kỳ 10 năm. Ở cấp độ thứ hai là những “tiện nghi” – những sản phẩm và thiết bị mà con người sử dụng để tổ chức căn phòng và không gian của họ, thường có vòng đời khoảng 2 năm. Cấp độ thứ ba là phần mềm và dịch vụ mà con người sử dụng.
Chúng tôi tin tưởng việc chuyển sang các tòa nhà thông minh sẽ được quyết định bởi lĩnh vực nhà riêng
Điểm quan trọng đối với kiểu kiến trúc này là mỗi một cấp độ cần phải được nhúng vào trong lớp nằm dưới nó – do đó, ví dụ như phần mềm cần phải được cài đặt trên các thiết bị có vòng đời 2 năm, và các thiết bị đó lại được kết nối với cơ sở hạ tầng tòa nhà 10 năm. Một điều cực kỳ quan trọng từ phương diện kiến trúc đối với các cấp độ này của cơ sở hạ tầng cần được giải quyết ngay từ rất sớm trong các quy trình thiết kế và xây dựng, nhờ đó mọi thứ sẽ được gắn lại với nhau. Với kiểu cơ sở hạ tầng tích hợp này, chủ đầu tư tòa nhà sẽ có thể chuyển đổi từ một nền tảng thiết bị được quyết định bởi chức năng, hướng thiết bị sang một nền tảng hướng dịch vụ – và điều đó làm tăng giá trị của tòa nhà một cách đáng kể nhờ cắt giảm vốn và nhân công, đồng bộ hóa hiệu suất hoạt động và tạo ra các dịch vụ tòa nhà được cá nhân hóa.
Khi bạn so sánh thiết bị IT với các thiết bị tòa nhà truyền thống như là đèn điện, rèm cửa, thang máy, các hệ thống an ninh và kiểm soát vào ra, sẽ có những khác biệt cơ bản về hiệu năng trong tốc độ triển khai. Tuy nhiên, các thiết bị IT lại hoạt động tốt hơn nhiều – có thể với hệ số lên tới 10.000 so với những thiết bị cơ bản như là đèn điện. Tuy vậy, trong một môi trường tòa nhà tiêu biểu, số lượng thiết bị cơ bản thực hiện việc điều khiển và quản lý trên mỗi đầu người cao hơn tới 10 lần so với số lượng thiết bị IT trên đầu người. Điều đó cần được cân nhắc bởi chủ đầu tư tòa nhà khi họ đánh giá xem họ nên tính tiền các dịch vụ tòa nhà thông minh như thế nào. Tối thiểu, chủ đầu tư có thể phải tăng gấp đôi đầu tư của họ vào mỗi thiết bị – tòa nhà truyền thống hay IT – khi họ thiết lập một tòa nhà có máy tính tích hợp.
Các giải pháp công nghệ bắt đầu từ nhà riêng
Chúng tôi tin tưởng rằng việc chuyển đổi sang các tòa nhà thông minh sẽ được quyết định bởi khu vực nhà riêng, không phải bởi văn phòng hay các tòa nhà thương mại khác, các bệnh viện hay các tòa nhà công cộng. Lý do rất đơn giản: số lượng lớn là yếu tố mấu chốt để hạ thấp giá thành của các thiết bị điện tử và các ngôi nhà ở cung cấp môi trường hoàn hảo cho cuộc cách mạng đó. Đồng thời, các ngôi nhà riêng chính là phân khúc thị trường lớn nhất, với không gian lớn hơn bất cứ loại công trình nào khác, và nhu cầu của chủ nhà riêng thường là có đặc điểm chung.
Tuy vậy, chúng ta cũng phải đối mặt với những thách thức lớn trong việc chuyển đổi nhà riêng từ môi trường truyền thống thành môi trường thông minh. Chỉ tính riêng tại Đức đã có tới 170 triệu căn phòng, 90% trong số đó là phòng ở với hơn một tỷ thiết bị điện tử được lắp đặt. Chúng tôi ước đoán rằng có hơn 10 tỷ thiết bị điện tử có tuổi thọ dài đã được lắp đặt trên toàn thế giới. Chúng sử dụng những giao diện khác nhau, hệ thống dây cáp mà chúng sử dụng dựa trên nhiều tiêu chuẩn và lượng thiết bị điện tử cần thiết để hỗ trợ những thứ đơn giản như là công tắc đèn cũng là quá lớn. Do đó để tạo ra một tòa nhà thông minh, chúng ta cần phải mang lại sự đồng nhất về giao diện người dùng và chuyển các tiêu chuẩn về dữ liệu và truyền thông sang mạng Internet.
Chúng tôi ước đoán rằng có tới hơn 10 tỷ thiết bị điện tử thiết bị có tuổi thọ dài được lắp đặt trên toàn thế giới.
Nếu chúng ta có thể danh định hóa việc điều khiển và quản lý tất cả các thiết bị điện tử khác nhau này thành các tiêu chuẩn mạng Internet, việc bổ sung thêm các thiết bị mới trở nên đơn giản như là cắm và hoạt động (plug-and-play). Thêm vào đó, bằng việc sử dụng mạng Internet để tập trung hóa việc điều khiển của những thiết bị điện tử này, chúng ta có thể cắt giảm chi phí bảo dưỡng thường xuyên và cải thiện việc quản lý năng lượng. Ví dụ như cần một mức chi phí lên tới 2.5 tỷ euro mỗi năm tại Đức chỉ để duy trì các thiết bị điện tử ở chế độ chờ – chẳng hạn như, một chiếc TV đơn giản tiêu thụ tới 20 oát điện ở chế độ chờ. Nếu chúng ta có thể quản lý từng chiếc TV thông qua một cơ sở hạ tầng truyền thông thông qua mạng Internet thì chúng ta có thể cắt giảm mức tiêu thụ điện năng xuống còn 0.2 oát. Với một tỷ thiết bị điện tử được lắp đặt riêng tại Đức, mức tiết kiệm này tương đương với 3 tỷ euro mỗi năm, và tương ứng là sự cắt giảm đáng kể về bức xạ khí nhà kính.
Để biến điều đó thành hiện thực, chúng tôi đang phát triển một giải pháp đơn chíp để làm cho tất cả các thiết bị đều có thể được quản lý thông qua hệ thống đi dây hiện tại trong các tòa nhà. Con chíp này sẽ được đưa ra trong quý 4 năm 2009 và sẽ làm việc trên các thiết bị hoạt động với điện áp 220V hoặc 110 V với cường độ dòng điện là 16A, và có mức tiêu thụ điện năng trong chế độ chờ là 0.2 hoặc 0.3 oát trên mỗi thiết bị. Đồng thời cũng có một số sê ri chung về đi dây và nhận dạng số về mức tiêu thụ năng lượng. Con chíp sẽ cho phép người dùng điều khiển các thiết bị thông qua kết nối Internet nhờ đó họ có thể bật tắt thiết bị, thay đổi kênh trên TV hoặc radio, mở hoặc đóng rèm cửa sổ, điều khiển từng chiếc đèn, …v..v…
Quy trình xây dựng hiện tại là một trong những thách thức lớn đối với việc triển khai thành công quản lý và điều khiển dựa trên mạng Internet. Kỹ thuật điện và kỹ thuật công nghệ thông tin đi theo hai xu hướng khác nhau về thiết kế, mua sắm và xây dựng. Bằng việc sử dụng hệ thống dây điện hiện có làm lớp vật lý cho cơ sở hạ tầng điều khiển và quản lý tòa nhà, các kỹ sư điện không hề bị ảnh hưởng – họ không phải học về các công cụ mới, không có yêu cầu về ngôn ngữ lập trình, không phải đào tạo bổ sung và không cần phải đi cáp mới. Điều này hết sức có giá trị đối với chủ đầu tư những ngôi nhà hiện tại, bởi vì họ có thể tạo ra thêm những tính năng mới mà không hề phải can thiệp vào hệ thống dây dẫn hiện tại. Trong những công trình mới, cả chi phí đầu tư và nhân công đều được giảm xuống.
Trong tương lai, chúng tôi tin tưởng rằng chủ đầu tư các tòa nhà sẽ áp dụng hai kiểu nút mạng trong việc xây dựng hệ thống điều khiển tòa nhà của mình. Một kiểu là nút mạng băng thông thấp chịu trách nhiệm điều khiển đèn, mô tơ và các thiết bị điện tử truyền thống khác, sử dụng hệ thống dây điện. Một kiểu nút mạng khác lấy dữ liệu làm trung tâm là nút mạng băng thông rộng được trực tiếp kết nối với mạng Ethernet, có thể là sử dụng tiêu chuẩn Cấp nguồn qua mạng Ethernet để loại bỏ nhu cầu về kết nối cấp nguồn và đang nhận được sự chấp nhận rộng rãi của thị trường. Nút mạng dung lượng lớn này dành cho các ứng dụng như là dữ liệu đa phương tiện, âm thanh, hình ảnh, điện thoại và camera an ninh.
Cuộc cách mạng sẽ chuyển đổi cách chúng ta nghĩ về các tòa nhà. Ngày nay, dường như chúng ta đang nghĩ dưới dạng các thiết bị như điện thoại, TV, video camera, công tắc đèn hoặc điều khiển nhiệt độ – những thứ điều khiển môi trường tòa nhà của chúng ta. Tuy vậy, trong một tòa nhà thông minh, chúng ta tập trung vào mạng lưới, và các thiết bị chỉ được đơn thuần phân loại hoặc là thành “Các bộ cảm biến-Sensors” hoặc là thành “Các bộ kích hoạt-Triggers”. Cảm biến nhận hình ảnh, âm thanh hoặc các hoạt động của tòa nhà như là camera, micrô hoặc các bộ cảm biến khác. Các bộ kích hoạt tương tác với những đầu vào này – chúng bao gồm cả loa để phát âm thanh, màn hiển thị đa chức năng để trình chiếu các hình ảnh và bóng đèn cũng như lò sưởi để cung cấp một môi trường lành mạnh và thuận tiện. Việc thiết lập môi trường số của bạn ở dưới dạng các bộ cảm biến và các bộ kích hoạt cho phép bạn tổ chức các thiết bị của mình một cách tự do mà không vướng phải những hạn chế của phần cứng. Việc phân chia thành các bộ phận cấu thành, ví dụ như một chiếc điện thoại bao gồm micrô và một chiếc loa số (cũng có thể được sử dụng như là một máy chơi nhạc MP3 hoặc là một chiếc đài), trong khi bản thân máy điện thoại lại là một phần mềm.
Các cá nhân sẽ có thể bật hoặc tắt đèn, mở và đóng cửa sổ và truy nhập video thông qua một thiết bị duy nhất.
Việc quản lý chuyển đổi sang môi trường số này cần có sự thận trọng. Ngay cả khi bạn chia nhỏ chiếc máy điện thoại thành các thành phần cảm biến và kích hoạt đi nữa thì từ quan điểm quản lý bạn vẫn có thể phải muốn rằng nó có hình dạng giống như một chiếc máy điện thoại. Trong khi những người định hình khuynh hướng muốn sử dụng những công nghệ mới nhất thì phần lớn mọi người lại hết sức bận rộn và ngại học về những cách thức mới để sử dụng những công cụ cơ bản – họ muốn các thiết bị hoạt động theo cách trước đây mà chúng từng hoạt động. Họ sẽ từng bước tự học những tính năng bổ sung, hoặc họ sẽ học hỏi từ bạn bè hoặc đồng nghiệp, những người thích thú hơn với việc khám phá những khả năng mới của một cuộc sống số.
Dần dần, một số chức năng và dịch vụ này sẽ bắt đầu chuyển sang các thiết bị điều khiển cá nhân, cho phép chúng ta tương tác với các tòa nhà theo những cách thức mới. Ví dụ như, các cá nhân sẽ có thể bật đèn, mở và đóng cửa sổ và truy nhập video thông qua một thiết bị duy nhất. Cuối cùng thì bản thân những tương tác này cũng sẽ được tự động hóa và một căn phòng thông minh sẽ có thể nhận ra từng cá nhân đi vào phòng và điều chỉnh môi trường một cách phù hợp theo sở thích của họ. Ví dụ như ánh sáng, có thể được giảm bớt để phù hợp với yêu cầu cá nhân khi tôi đi vào một căn phòng, và khi mà âm nhạc yêu thích của tôi được bật lên, mạng lưới sẽ cài đặt cấu hình phần mềm của tôi.
Đến lúc này, thiết bị trở nên độc lập đối với tôi – bất kể là chiếc TV hoặc máy điện thoại nào mà tôi đang ở gần thì môi trường cá nhân của tôi sẽ được tạo ra một cách tự động. Tôi không còn phải bận tâm về những chức năng liên quan đến một căn phòng – mà tôi nghĩ về các chức năng liên quan đến bản thân mình.
Những lợi ích trong hoạt động đối với chủ đầu tư tòa nhà từ khuynh hướng này sẽ là rất lớn. Trước hết chúng cắt giảm chi phí năng lượng bởi vì sưởi ấm, thông khí, điều hòa không khí, chiếu sáng và các dịch vụ khác có thể được cung cấp trên cơ sở sử dụng trong đó các bộ cảm biến sẽ xác định là ai đang ở trong tòa nhà vào thời điểm nào. Thứ hai, chúng cung cấp một lượng lớn thông tin quản lý tòa nhà theo thời gian thực để hỗ trợ việc ra quyết định tốt hơn. Thứ ba, chúng cung cấp cho chủ đầu tư và các nhà quản lý tòa nhà khả năng truy nhập đến dữ liệu về mức tiêu thụ năng lượng và sử dụng thiết bị của từng cá nhân, làm cho việc tính phí dịch vụ trên cơ sở nhu cầu trở nên dễ dàng hơn và đồng thời để hiểu về việc sử dụng cơ sở hạ tầng cho các mục đích quy hoạch trong tương lai.
Biến tầm nhìn thành hiện thực
Tầm nhìn về một tòa nhà thông minh có thể trở thành hiện thực nhanh đến mức độ nào? Yếu tố mấu chốt để áp dụng khái niệm này là thực tế rằng một tòa nhà thông minh được xây dựng trên cơ sở một con chíp có đặc điểm chung được sản xuất với số lượng lớn và do đó, tương đối rẻ. Một tòa nhà thông minh không đòi hỏi những kỹ năng mới đối với những kỹ sư điện và một giao diện chung tạo ra một lộ trình chuyển đổi thuận lợi cho người dùng, do đó dường như họ sẽ ít có phản ứng trước việc sử dụng. Những người sớm áp dụng – những người đặt ra khuynh hướng chỉ chiếm khoảng 10% thị phần – đang tìm kiếm những chức năng như thế, và chúng tôi tin tưởng là họ sẽ bắt đầu triển khai nó trong vòng hai năm tới. Trong vòng 5 năm nữa, chúng tôi cho rằng sẽ có một sự nhận thức và chấp nhận chung về sự khác biệt giữa một ngôi nhà truyền thống và một ngôi nhà thông minh, và sự chuyển đổi tổng thể sang môi trường thông minh sẽ có thể mất từ 5 đến 10 năm.
Điều đó là một sự chuyển đổi rất lớn. Các tòa nhà hiện nay được quản lý từ một quan điểm chức năng; những ngôi nhà, văn phòng và các tòa nhà thương mại hoặc công cộng của ngày mai sẽ được quản lý từ một triết lý về dịch vụ tạo ra sự tiết kiệm đáng kể về năng lượng, có hiệu suất hoạt động cao và môi trường hấp dẫn hơn cho những cư dân trong tòa nhà.
