Giải pháp điều khiển quản lý giám sát hệ thống, thiết bị và năng lượng từ xa áp dụng công nghệ 4.0Thiết kế, xây dựng và phát triển Hệ thống quản lý tương thích trong nhiều ứng dụng khác nhau cụ thể là Hệ thống quản lý NHIỀU tòa nhà áp dụng các công nghệ mới. Thiết kế các phần cứng phục vụ cho quá trình điều khiển và giám sát: Thiết kế phần mềm quản lý Hệ thông nói trên trên máy tính và điện thoại thông minh.Hệ thống Quản lý tòa nhà điều khiển được tất cả các thiết bị điện trong các tòa nhà. Hệ thống thu thập và giám sát năng lượng điện hoạt động ổn định. Phát hiện, cảnh báo lên hệ thống điều chính các sự cố trong các tòa nhà. Hệ thống dễ dàng sửa chửa, bảo trì từ phần cứng đến phần mềm. Dễ dàng nâng cấp và thay mới các thiết bị điều khiển.
Linh kiện sử dụng trong đề tài
Giới thiệu PLC
PLC, viết tắt của programmable logic controller (bộ điều khiển logic lập trình), là thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển logic một cách linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình để thực hiện nhiều trình tự sự kiện khác nhau Các ngôn ngữ lập trình phổ biến cho PLC bao gồm LAD (Ladder logic - thang logic), FBD (Function Block Diagram - khối chức năng), và STL (Statement List - liệt kê lệnh), trong đó Ladder logic là ngôn ngữ được ưa chuộng nhất.
- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học
- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa
- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp
- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các môi Module mở rộng
- Hoạt động tốt trong công nghiệp
2.1.2 Nhược điểm của PLC (trong đề tài)
- Giá thành phần cứng cao, một số hãng phải mua thêm phần mềm để lập trình
- Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ chuyên môn cao
- Khó có thể linh hoạt trong việc kết nối internet và kết hợp với dữ liệu của hệ thống đám mây
- Nếu lắp các thiết bị tại các phòng thì số lượng dây điều khiển các thiết bị kéo về tủ điều khiển chính rất rườm rà
Việc quản lý hàng trăm thiết bị điện trong một tòa nhà, hoặc thậm chí nhiều tòa nhà, trở nên khó khăn do giá thành cao của một Module I/O PLC, khiến cho việc sử dụng PLC không phải là giải pháp khả thi.
Các board, vi xử lý sử dụng
Raspberry Pi là một máy tính nhỏ gọn, có kích thước tương đương với thẻ ATM, và hoạt động trên hệ điều hành Linux Thiết bị này tích hợp đầy đủ các thành phần cần thiết, cho phép người dùng sử dụng như một máy vi tính Bộ xử lý SoC Broadcom BCM2835 của Raspberry Pi bao gồm CPU, GPU, RAM, khe cắm thẻ microSD, Wi-Fi và Bluetooth.
Với cấu hình phần cứng mạnh mẽ, hoạt động ổn định và tiêu thụ năng lượng thấp, hệ thống này sử dụng mã nguồn mở và có cộng đồng người dùng rộng rãi Các phiên bản mới được phát hành hàng năm nhằm nâng cấp phần cứng và cải thiện tính ổn định, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho một trạm máy tính trung gian phục vụ cho việc phân luồng dữ liệu, xử lý dữ liệu và nhúng các thuật toán nâng cao.
Hổ trợ phần cứng Thông số
CPU Broadcom BCM2711, Quad core Cortex-A72 (ARM v8) 64-bit
RAM 1GB, 2GB hoặc 4GB LPDDR4-2400 SDRAM
WiFi 2.4 GHz và 5.0 GHz IEEE 802.11ac Bluetooth 5.0, BLE
Ethernet Cổng mạng Gigabit Ethernet
USB 2 cổng USB 3.0 và 2 cổng USB 2.0
Video Hỗ trợ 2 cổng ra màn hình chuẩn Micro HDMI với độ phân giải lên tới 4K
SD Card Khe cắm Micro-SD cho hệ điều hành và lưu trữ
Power Nguồn điện DC 5V – 3A DC chuẩn USB-C
PoE Hỗ trợ Power over Ethernet (PoE) (yêu cầu có PoE HAT)
Bảng 1: Thông số Raspberry Pi
ESP32 là một module tiên tiến hơn ESP8266, tích hợp thêm Bluetooth và Bluetooth Low Energy (BLE) bên cạnh WiFi Sử dụng chip ESP32-D0WDQ6 với 2 CPU độc lập, tần số xung clock lên đến 240 MHz, module hỗ trợ các giao thức SPI, UART, I2C và I2S, cho phép kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi như cảm biến, bộ khuếch đại và thẻ nhớ SD Với cấu hình mạnh mẽ và tiêu thụ năng lượng thấp, ESP32 hoạt động trên nền tảng FreeRTOS, giúp dễ dàng lập trình, chia nhỏ nhiệm vụ, triển khai, bảo mật và quản lý các thiết bị ngoại vi công suất thấp.
Hổ trợ phần cứng Thông số
CPU Xtensa Dual-Core 32-bit LX6 với tần số hoạt động lên đến 240
Bộ nhớ trong 448 KBytes ROM cho booting và các tính năng của lõi chip
520 KBytes SRAM trên chip dùng cho dữ liệu và các lệnh instruction
8 KBytes SRAM trong RTC (gọi là RTC SLOW Memory) để truy xuất bởi các bộ co-processor
8 KBytes SRAM trong RTC (gọi là RTC FAST Memory) dùng cho lư u dữ liệu, truy xuất bởi CPU khi RTC đang boot từ chế độ Deep-sleep
EFUSE 1 Kbit bao gồm 256 bit dành cho hệ thống, như địa chỉ MAC và cấu hình chip, trong khi 768 bit còn lại được sử dụng cho ứng dụng người dùng, bao gồm mã hóa bộ nhớ Flash và định danh cho chip.
Bluetooth: BR/EDR phiên bản v4.2 và BLE Ethernet MAC Hỗ trợ chuẩn: DMA và IEEE 1588
Giao tiếp ngoại vi Bộ chuyển đổi ADC 12 bit, 16 kênh
Bộ chuyển đổi 8-bits DAC: 2 kênh
10 chân để giao tiếp với cảm biến chạm (touch sensor)
IR (TX/RX) Ngõ ra PWM cho điều khiển Motor LED PWM: 16 kênh
Cảm biến Hall Cảm biến nhiệt độ
Nhiệt độ hoạt động ổn định -40C đến 85C Điện áp hoạt động 2.2-3.6V
Dòng tiêu thụ ổn định
Bảo mật IEEE 802.11 hỗ trợ các chuẩn bảo mật: WFA, WPA/WPA2 và
1024-bit OTP, 768-bit cho người dùng
ESP8266 là một chip Wi-Fi 2.4GHz có thể lập trình, cho phép kết nối Internet nhanh chóng qua mạng Wi-Fi với số lượng linh kiện đi kèm tối thiểu Với mức giá rất hợp lý, ESP8266 mang lại nhiều tính năng và khả năng ấn tượng, khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến cho các dự án IoT.
Hổ trợ phần cứng Thông số chi tiết
CPU Tensilica Xtensa LX106 running at 80 MHz
Flash Hổ trợ Flash ngoài từ 512KiB đến 4MiB
WiFi Chuẩn wifi EEE 802.11 b/g/n, Wi-Fi 2.4 GHz Tích hợp TR switch, balun, LNA, khuếch đại công suất và matching network
Hổ trợ WEP, WPA/WPA2, Open network, tích hợp giao thức TCP/IP
GPIO 16 chân GPIO, SDIO 2.0, UART, SPI, I²C, PWM,I²S với DMA
Hổ trợ phần cứng Thông số chi tiết
Number of Timers/Counters 3 Timer
Bảng 4 : Thông số Atmega328AU
Các linh kiện – thiết bị khác
EM115-MOD CT là thiết bị đo năng lượng điện một pha của hãng FINECO, hỗ trợ nguồn cung cấp lên đến 100 Amps Thiết bị đi kèm với máy biến dòng lõi tách T24 - 100 / 5A, cho phép cài đặt nhanh chóng và dễ dàng Với giao tiếp Modbus RS485, EM115-MOD CT là lựa chọn hoàn hảo để tích hợp vào các hệ thống BMS.
Hình 7: Module tản nhiệt, làm lạnh không khí
Hình 8: Nguồn xung tổ ong 12V 20A
Hình 9: Nguồn xung tổ ong 12v-5A
Tên linh kiện Công dụng
Nhôm định hình, vít , Làm phần khung cho mô hình
Gỗ fomex Làm mô hình cho các tòa nhà
Nhựa mica Làm đế cho mô hình
Dây điện Kết nối các thiết bị Đèn led Hệ thống chiếu sáng cho các tòa nhà
Bảng 5: Một số linh kiện cơ khí trong đề tài
Truyền thông dữ liệu
Đường truyền dữ liệu
WiFi, viết tắt của Wireless Fidelity hay mạng 802.11, là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến để truyền tín hiệu Tương tự như điện thoại di động, truyền hình và radio, WiFi hoạt động ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz Các tần số này cao hơn so với các tần số dùng cho điện thoại di động và thiết bị cầm tay, cho phép tín hiệu truyền tải nhiều dữ liệu hơn.
Hiện nay, đa số các thiết bị WiFi đều tuân thủ theo chuẩn 802.11n, được phát ở tần số 2.4Ghz và đạt tốc độ xử lý tối đa 300Megabit/giây:
- Standard: Based on 802.11n (most common usage in homes today)
- Frequencies: 2.4GHz and 5GHz bands
- Data Rates: 600 Mbps maximum, but 150-200Mbps is more typical, depending on channel frequency used and number of antennas (latest 802.11- ac standard should offer 500Mbps to 1Gbps)
LoRa, viết tắt của Long Range Radio, cho phép truyền dữ liệu với khoảng cách hàng km mà không cần mạch khuếch đại công suất, giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ Công nghệ này thích hợp cho các ứng dụng thu thập dữ liệu như mạng cảm biến, trong đó các nút cảm biến có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm ở khoảng cách xa và hoạt động lâu dài bằng pin trước khi cần thay.
Giao thức truyền thông
MQTT là giao thức mã nguồn mở cho phép truyền tải tin nhắn giữa các Client (Publisher và Subscriber) thông qua một Broker trung gian, được thiết kế đơn giản và dễ triển khai Kiến trúc của MQTT dựa trên Broker và sử dụng kết nối TCP lâu dài từ các Client đến Broker Giao thức này hỗ trợ tổ chức hệ thống theo các Topics phân cấp, tương tự như hệ thống tập tin (ví dụ: /Home/kitchen/humidity), đồng thời cung cấp nhiều tùy chọn điều khiển và chất lượng dịch vụ (QoS) Với thiết kế nhẹ, MQTT phù hợp cho truyền thông hai chiều qua các mạng có độ trễ cao và độ tin cậy thấp, đồng thời tương thích với các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp.
Websocket là
WebSocket là giao thức giao tiếp hai chiều hiệu quả, mang lại độ trễ thấp và khả năng xử lý lỗi dễ dàng Công nghệ này thường được áp dụng trong các ứng dụng yêu cầu thời gian thực, chẳng hạn như trò chuyện, hiển thị biểu đồ và cập nhật thông tin chứng khoán.
Một số dịch vụ sử dụng Websocket điển hình như dịch vụ tin nhắn Slack, dịch vụ cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase
Modbus là một giao thức truyền thông theo mô hình Slave - Master, hoạt động trên các đường truyền vật lý RS485 hoặc RS232 Giao thức này ngày càng được sử dụng phổ biến để thay thế các chuẩn truyền thông cũ như analog 4-20mA, analog 0-10V và digital.
Hiện nay các thiết bị công nghiệp đều có giao tiếp này vì vậy đây là một trong những giao thức truyền thông công nghiệp phổ biến nhất
Hình 14: Cấu trúc gói tin RS485
Chức năng và vai trò cụ thể như sau:
Byte địa chỉ là yếu tố quan trọng trong việc xác định thiết bị nhận dữ liệu, với vai trò là Slave, hoặc nguồn dữ liệu nhận được, đối với Master Địa chỉ này được quy định trong khoảng từ 0 đến 254.
Byte mã hàm được quy định bởi Master và xác định yêu cầu dữ liệu từ thiết bị Slave Ví dụ, mã 01 được sử dụng để đọc dữ liệu lưu trữ dạng Bit, mã 03 để đọc dữ liệu tức thời dạng Byte, mã 05 để ghi dữ liệu 1 bit vào Slave, và mã 15 để ghi dữ liệu nhiều bit vào Slave.
- Byte dữ liệu: xác định dữ liệu trao đổi giữa Master và Slave
Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu
Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu - n byte dữ liệu đọc được
Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu - n byte dữ liệu cần ghi
Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu
- Byte CRC: 2 byte kiểm tra lỗi của hàm truyền, giá trị của Byte CRC 16 Bit
Hàm chức năng Kiểu dữ liệu Địa chỉ bắt đầu Modbus Coils Bits, binary values, flags 00001
Modbus Registers Analog values, variables 40001
Bảng 6: Các thanh ghi giao tiếp Modbus RTU
Phần mềm
Các phần mềm – ngôn ngữ lập trình
Arduino IDE (Môi trường phát triển tích hợp Arduino) là phần mềm cung cấp cho lập trình viên một môi trường tích hợp với nhiều công cụ như trình viết mã, trình sửa lỗi và trình mô phỏng ứng dụng Ngoài việc lập trình cho các board Arduino thuộc họ AVR, Arduino IDE còn hỗ trợ lập trình cho nhiều loại board khác như Esp, Leonardo Ethernet, YUN mini, Industrial 101 và Stm32.
Hình 15: Giao diện Arduino IDE
Hình 16: Công cụ trong Arduino IDE
Arduino IDE sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận và lập trình Cùng với một cộng đồng lớn và nhiều thư viện mã nguồn được chia sẻ, việc phát triển dự án với Arduino trở nên thuận tiện hơn bao giờ hết.
B Cách lập trình cơ bản trong Arduino
- Toán tử cơ bản trong Arduino IDE
Toán tử Ý nghĩa Ví dụ
!= So sánh khác bằng If (a != “abc”) {}
> So sánh lớn hơn If (a > b) {}
< So sánh bé hơn If (a < b) {}
>= So sánh lớn hơn hoặc bằng If (a >= b) {}
= 3
