Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển điện chiếu sáng công cộng sử dụng công nghệ truyền thông không dây áp dụng cho đèn led

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển điện chiếu sáng công cộng sử dụng công nghệ truyền thông không dây áp dụng cho đèn LED Dương Đơng Hưng*, Lê Quyết Thắng, Đồn Thị Như Quỳnh, Trần Thị Thơm, Nguyễn Thị Trang, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh * Email: duongdonghung@gmail.com Mobile: 0987166914 Tóm tắt Từ khóa: 4G, 5G, Chiếu sáng công cộng, Công nghệ LORA, Truyền thông không dây Dựa kết khảo sát đánh giá thực trạng hệ thống chiếu sáng số đô thị Việt Nam, kết hợp với xu hướng phát triển thị thơng minh giới, nhóm tác giả đề xuất giải pháp ứng dụng công nghệ truyền thông không dây vào hệ thống giám sát điều khiển điện chiếu sáng công cộng áp dụng cho đèn LED Nền tảng thiết kế dựa công nghệ LoRa_LED, tín hiệu giám sát điều khiển truyền thông qua mạng liệu di động GSM/GPRS/3G/4G/5G từ trung tâm tới tủ điều khiển chiếu sáng có độ ổn định cao, tốc độ khoảng cách lớn, hạn chế tối đa cố đường truyền HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG Hiện hệ thống chiếu sáng công cộng dần thay công nghệ LED cho phép tiết kiệm điện năng, kéo dài thời gian sử dụng, giảm ô nhiễm ánh sáng, tạo hệ thống giao thông an tồn hơn, giảm khí CO2, trách độc hại thủy ngân dễ điều khiển Ở Việt Nam, hệ thống chiếu sáng công cộng thành phố lớn Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh… triển khai công nghệ Hiện trạng trung tâm điều khiển giám sát chiếu sáng công cộng sử dụng đường truyền từ trung tâm đến tủ điều khiển khu vực qua đường điện thoại cố định dial-up theo đường điện chiếu sáng (công nghệ truyền thông qua đường điện lưới - PLC) Việc truyền nhận liệu thông qua đường dây điện gặp nhiều khó khăn: pha dẫn đến đường truyền, nhiễu đường truyền tải điện, truyền thơng chậm Vì thời gian giám sát điều khiển chậm, cần nâng cao hiệu để phục vụ cho vận hành quản lý Với phát triển mạnh mẽ công nghệ truyền thông không dây mạng di động năm gần đây, việc ứng dụng công nghệ truyền thông không dây vào việc truyền nhận liệu ứng dụng quản lý, điều khiển thiết bị từ xa, cụ thể điều khiển chiếu sáng công cộng xu hướng tương lai * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 Ứng dụng công nghệ truyền thông không dây điều khiển chiếu sáng công cộng giải hồn tồn khó khăn mà truyền thơng qua đường dây điện trước gặp phải NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI TIẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐIỀU KHIỂN 2.1 Hệ thống thông tin vô tuyến Nguồn tin trước hết qua mã nguồn để giảm thông tin dư thừa, sau mã kênh để chống lỗi kênh truyền gây Tín hiệu sau qua mã kênh điều chế để truyền tải xa Các mức điều chế phải phù hợp để với điều kiện kênh truyền Sau tín hiệu phát máy phát, tín hiệu thu máy thu trải qua bước ngược lại so với máy phát Kết tín hiệu giải mã thu lại máy thu Chất lượng tín hiệu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền, phương pháp điều chế mã hóa khác 118 ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP QUẢNG NINH Hình Mơ hình đơn giản hệ thống thơng tin vô tuyến 2.2 Công nghệ GSM hệ (GSM/GPRS/3G/4G/5G) Vấn đề truyền thông đặt phòng điều khiển trung tâm với tủ với tủ điều khiển chiếu sáng Tuy lượng thông tin trao đổi khơng lớn u cầu tính thời gian thực hệ thống chiếu sáng không cần ngặt nghèo phụ thuộc vào chất lượng sóng GSM/GPRS/3G/4G/5G cần phải chọn nhà cung cấp dịch vụ có chất lượng tốt Căn vào ưu nhược điểm phương án truyền thông, mục tiêu đặt kỹ thuật truyền thông áp dụng cho dự án tương tự giới, phương án truyền thông sử dụng là: sử dụng dịch vụ GSM/GPRS/3G/4G/5G GSM công nghệ dùng cho mạng thông tin di động GSM viết tắt theo từ tiếng anh Global System for Mobile Communications Các mạng thơng tin di động GSM cho phép roaming với máy điện thoại di động GSM mạng GSM khác sử dụng nhiều nơi giới [1] Mạng 4G: (Fourth-generation), công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép truyền tải liệu với tốc độ tối đa điều kiện lý tưởng lên tới 1,5 Gb/giây Tên 4G IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) đặt để diễn đạt ý nghĩa công nghệ vượt trội so với 3G [3] Truyền thông GSM/GPRS/3G/4G sử dụng mạng truyền thông GSM làm cốt lõi liệu truyền qua thiết bị không dây (GSM/GPRS/3G/4G modem) tổng đài GSM từ tổng đài GSM kết nối với mạng internet toàn cầu tạo nên dịch vụ đa dạng công nghệ truyền thông GPRS[4] Là giải pháp quốc tế thừa nhận điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng công cộng Hệ thống lắp đặt với quy mơ rộng lớn nhanh chóng chứng tỏ hệ thống đáng tin cậy cung cấp nhiều lợi ích cho người sử dụng[5] Truyền thơng trung tâm tủ điều khiển chiếu sáng sử dụng công nghệ truyền thông GSM/GPRS/3G/4G Đây công nghệ đại, khả mở rộng lớn, giá thành hợp lý Công nghệ GSM/GPRS/3G/4G áp dụng nhiều lĩnh vực điều khiển Hệ thống chiếu sáng chiếu sáng cộng Mạng 5G: (Thế hệ mạng di động thứ hệ thống không dây thứ 5) hệ công nghệ truyền thông di động sau hệ 4G, hoạt động băng tần 28, 38, 60 GHz Theo nhà phát minh, mạng 5G có tốc độ nhanh khoảng 100 lần so với mạng 4G nay, giúp mở nhiều khả hấp dẫn Lúc đó, xe tự lái đưa định quan trọng tùy theo thời gian hoàn cảnh Tính chat video có hình ảnh mượt mà trôi chảy hơn, làm cho cảm thấy mạng nội Các quan chức thành phố theo dõi tình trạng tắc nghẽn giao thơng, mức độ ô nhiễm nhu cầu bãi đậu xe, gửi thơng tin đến xe thông minh người dân theo thời gian thực[2] Thay trạm sở mặt đất sử dụng mạng 2G, 3G 4G, 5G sử dụng trạm HAPS (High Altitude Stratospheric Platform Stations) Về bản, trạm HAPS máy bay treo lơ lửng vị trí cố định khoảng cách từ 17km~22km so với mặt đất hoạt động vệ tinh Cách giúp đường tín hiệu thẳng giảm tình trạng bị cản trở kiến trúc cao tầng 2.3 Ứng dụng công nghệ GSM/GPRS/4G/5G để truyền thông hệ thống 2.3.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống Với việc ứng dụng dịch vụ truyền thông qua mạng GSM/GPRS/3G/4G/5G cho việc điều khiển giám sát tủ điều khiển chiếu sáng phần tử truyền thơng phải có chức lập trình để thiết lập cấu hình kết nối mạng bảo mật cho hệ thống thiết bị tủ điều khiển chiếu sáng Sơ đồ thiết lập cấu hình cho hệ thống trình bày hình sau: Hình Sơ đồ tổng quan hệ thống ứng dụng công nghệ GSM/GPRS Hệ thống phân chia cấp điều khiển: - Cấp điều khiển từ trung tâm: Điều khiển đóng cắt tới tủ điều khiển chiếu sáng nào; 119 * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP QUẢNG NINH Giám sát thơng số: trạng thái điều khiển, điện áp, dịng điện, cơng suất, hệ số công suất, công tiêu thụ trạm đèn chiếu sáng; Thay đổi thời gian chế độ đóng cắt tủ điều khiển chiếu sáng; - Cấp điều khiển tủ điều khiển: Điều khiển đóng cắt theo chế độ; Đặt thời gian, chu trình giám sát; Đo lường giám sát trực tiếp thông số: trạng thái điều khiển, điện áp, dịng điện, cơng suất, hệ số công suất, công tiêu thụ trạm đèn chiếu sáng; Thay đổi thời gian chế độ đóng cắt tủ điều khiển chiếu sáng; Các tính khác cho việc cấu hình truyền thơng cho tủ điều khiển chiếu sáng 2.3.2 Các yêu cầu kỹ thuật chung hệ thống: Hệ thống đèn chiếu sáng cần đóng cắt đồng theo thời gian thực đặt sẵn phần mềm quản lý vận hành trung tâm, thời gian đóng cắt cho tủ điều khiển chiếu sáng gửi qua mạng GSM/GPRS/3G/4G đến tủ điều khiển chiếu sáng Các tủ điều khiển chiếu sáng nhận thời gian đóng cắt tự động điều khiển trạm đèn chiếu sáng Hệ thống hoạt động theo hai cấp độ: Điều khiển đóng cắt, đặt thời gian đóng cắt từ trung tâm đến tủ chiếu sáng Điều khiển đóng cắt, đặt thời gian đóng cắt từ tủ chiếu sáng đến điểm sáng Khi khơng có can thiệp người vận hành trung tâm trực tiếp tủ, thiết bị điều khiển tủ điều khiển tự động theo chu trình thời gian đặt sẵn nhớ thiết bị Khi người quản lý vận hành thay đổi thời gian đóng cắt từ trung tâm liệu truyền qua mạng GSM/GPRS/3G/4G/5G đến thiết bị điều khiển tủ điều khiển chiếu sáng làm cho lịch trình đóng cắt thiết bị tủ thay đổi đồng với thời gian đóng cắt trung tâm Người vận hành đóng cắt trung tâm điều khiển chiếu sáng theo mức sáng khác nhau: Bật 100% số đèn, bật 2/3 số đèn, bật 1/3 số đèn tắt toàn Cùng với việc điều khiển trạm đèn thiết bị có khả giám sát liên tục trạm đèn gửi thông số giám sát trung tâm điều khiển: thông số gửi là: trạng thái đóng cắt, điện áp, dịng điện, cơng suất, hệ số công suất, lượng tiêu thụ pha Các thơng số cho hệ thống đặt từ trung tâm là: thời gian đóng cắt, thời gian giám sát thông số khác thiết bị * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 Đường truyền áp dụng cho hệ thống đường truyền số liệu qua mạng GSM/GPRS/3G/4G/5G (có thể sử dụng SMS mạng), từ trung tâm điều khiển đến tủ điều khiển CS Cùng với việc điều khiển giám sát, phần mềm thu thập số liệu cảnh báo cố nghiệm trọng cho người vận hành trung tâm Quy mơ quản lý: Trung tâm có khả điều khiển giám sát đến tủ chiếu sáng đến điểm sáng; có phầm mềm quản lý tiên tiến; có tính mở, linh hoạt kết cấu module Yêu cầu bảo mật cho hệ thống: vừa tích hợp bảo mật hệ thống phần mềm vừa bảo mật chế cứng Chu trình lắp đặt thiết bị đơn giản gọn nhẹ phù hợp với tất cảc điểm lắp đặt trạm đèn chiếu sáng thành phố Tại trung tâm điều khiển cần 01 thuê bao mạng GSM/GPRS/3G/4G/5G, 01 thuê bao di động sử dụng cho mục đích nhắn tin SMS đến tủ điều khiển chiếu sáng 01 đường mạng Internet Các tủ điều khiển chiếu sáng cần lắp đặt SIM điện thoại di động đăng ký thuê bao dịch vụ GPRS SMS, không sử dụng thuê bao gọi Các điểm sáng cần lắp đặt thiết bị điều khiển, nhận, truyền tín hiệu SIM điện thoại di động đăng ký thuê bao dịch vụ GPRS SMS Một đường điện thoại cố định để nghe phản ánh nhân dân cán có sửa chữa bảo dưỡng 2.3.3 Các yêu cầu trung tâm điều khiển Trung tâm điều khiển phải thiết kế gọn nhẹ dễ dàng quan sát tồn Hệ thống chiếu sáng cơng cộng, phát cố kịp thời Các thiết bị trung tâm thiết kế dễ dàng lắp đặt di chuyển tới vị trí khác cần thiết Phòng điều khiển trung tâm: thiết kế với nội dung sau: Hệ thống máy tính phục vụ cho người vận hành: Máy chủ, máy trạm Phần mềm điều khiển sở liệu cho hệ thống 2.3.4 Các yêu cầu kỹ thuật cho tủ điều khiển chiếu sáng Tự động điều khiển đóng cắt trạm đèn theo mốc thời gian đặt trung tâm đặt trực tiếp tủ điều khiển chiếu sáng; Nhận lệnh đóng cắt đặt thời gian từ trung tâm điều khiển; Đo trực tiếp giá trị dòng điện truyền trung tâm điều khiển; Có khả mở rộng cao 120 ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH THIẾT KẾ MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐÈN CHIẾU SÁNG LED TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ LORA 3.1 Công nghệ LORA Được phát minh Cycleo năm 2010 Pháp, sau cơng ty Semtech mua lại vào năm 2012, LoRa công nghệ với module vô tuyến phát triển cho ứng dụng có tốc độ thấp, tiêu thụ lượng thấp có khoảng cách truyền thơng lớn có tốc độ truyền liệu từ 0,3 kbps đến 50 kbps với độ rộng băng thông 125 Khz Trên sở LoRa tổ chức LoRa Alliance phát triển chuẩn hóa mạng LoRa diện rộng gọi LoRaWAN [6] LoRaWAN gồm thành phần chủ chốt: Trạm sở Gateway (LRR, LRC) , máy chủ mạng LoRaWAN, hệ thống trợ giúp hoạt động (OSS) để giám sát quản lý hệ thống mạng [7] Hình Kiến trúc “star of star” LoraWAN Hình Mơ hình giám sát, điều khiển HTCS ứng dụng công nghệ LoRa WAN Trong hệ thống khối LoraWAN_i với i=1,2,…n hệ thống hệ thống chiếu sáng công cộng tuyến đường khu vực (Tủ điều khiển) Dữ liệu thu thập từ hệ thống truyền qua mạng truyền thông GPRS 3G Internet máy chủ giám sát (server) lưu trữ sở liệu Người sử dụng giám sát, điều khiển từ xa thông qua máy chủ trực tiếp qua thiết bị đầu cuối latop, máy tính bảng, điện thoại di động… Người giám sát gửi lệnh điều khiển từ xa trực tiếp tới hệ thống LoRaWAN_i qua máy chủ 3.2 Giải pháp giám sát, điều khiển hệ thống chiếu sáng với công nghệ LORA_WAN Trên sở hạn chế hệ thống chiếu sáng Việt Nam nay, ưu, nhược điểm hệ thống chiếu sáng hãng giới điều kiện Việt Nam, Nhóm tác giả đề xuất giải pháp hệ thống giám sát, điều khiển hệ thống chiếu sáng với công nghệ LED LORA_LED Hệ thống LORA_LED có cấu trúc hình Hệ thống gồm đèn LED riêng rẽ, đèn LED gắn nút EndLoRa (Sensor Notes) Các nút LoRa-End truyền qua nhiều Gateway khác để chuyển liệu server trung tâm nhận lệnh từ trung tâm server qua Gateway khác Các nút LoRa-End gắn với LED trải dài theo tuyến đường theo cụm với Gateway trung tâm, tùy ứng dụng Hệ thống LORA_LED gồm nút đầu cuối (LoRaEnd) gắn với đèn Led, Gateway, máy chủ trung tâm, máy chủ ứng dụng đường truyền Internet, mơi trường truyền sóng LoRa Hình Cửa sổ điều khiển LED qua mạng LoRa Hệ thống thử nghiệm giám sát điều khiển từ xa tiến hành mạng cục theo trường hợp: có kết nối có dây khơng dây qua WiFi sử dụng thiết bị di động KẾT LUẬN Giải pháp Mạng không dây sử dụng dịch vụ GSM/GPRS/3G/4G/5G ứng dụng công nghệ LoRaWAN cho hệ thống chiếu sáng 121 * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP QUẢNG NINH cơng cộng LED thật giải pháp hiệu quả, mềm dẻo, giá thành hạ, an tồn dễ dàng tích hợp với hệ thống khác tiến trình xây dựng thành phố thơng minh Nhóm tác giả tiến hành thực công việc sau: Tiến hành khảo sát hệ thống chiếu sáng thực tế, Nghiên cứu đưa giải pháp với công nghệ LoRa Tiến hành xây dựng hệ thống thử nghiệm với công nghệ LED Tiến hành kịch thử nghiệm Đánh giá kết thử nghiệm Kết thực nghiệm cho thấy hoạt động hệ thống đáng tin cậy, đáp ứng yêu cầu triển khai hệ thống chiếu sáng LED công cộng thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng (2007), Bài giảng “Thông tin di động” cho đào tạo từ xa, Học Viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng , Hà Nội * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 [2] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng (2008), Giáo trình “Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G”, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, Hà Nội [3] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng (2001), Thông tin di động hệ ba, NXB Bưu Điện [4] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng (2003) cdmaOne cdma2000, NXB Bưu Điện [5] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng (2006), An ninh thông tin di động, NXB Bưu Điện [6] LoRa Alliance, “LoRaWAN™ -What is it? “, A technical overview of LoRa® and LoRaWAN™ , Technical Marketing Workgroup 1.0, November 2015 [7] N Sornin , M Luis, T Eirich, T Kramp, O.Hersent, “LoRa Specification “,Copyright © 2015 LoRa Alliance, Inc [8] Nicolas DUCROT, Dominique RAY, Ahmed SAADANI, “ LoRa Device Developer Guide”, Orange Connected Objects & Partnerships, April 2016 [9] Semtech, “SX1272/3/6/7/8: LoRa Energy Consumption Design”, Application Note AN1200.17 122 ... tác giả đề xuất giải pháp hệ thống giám sát, điều khiển hệ thống chiếu sáng với công nghệ LED LORA _LED Hệ thống LORA _LED có cấu trúc hình Hệ thống gồm đèn LED riêng rẽ, đèn LED gắn nút EndLoRa (Sensor... GSM/GPRS/3G/4G áp dụng nhiều lĩnh vực điều khiển Hệ thống chiếu sáng chiếu sáng cộng Mạng 5G: (Thế hệ mạng di động thứ hệ thống không dây thứ 5) hệ công nghệ truyền thông di động sau hệ 4G, hoạt... lợi ích cho người sử dụng[ 5] Truyền thông trung tâm tủ điều khiển chiếu sáng sử dụng công nghệ truyền thông GSM/GPRS/3G/4G Đây công nghệ đại, khả mở rộng lớn, giá thành hợp lý Công nghệ GSM/GPRS/3G/4G