BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Hệ thống quản lý tòa nhà thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Hệ thống quản lý tịa nhà thơng minh Ngành Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: Bộ môn: PGS TS Bùi Đăng Thảnh Kỹ thuật đo tin học công nghiệp Viện: Viện Điện Nhóm sinh viên: Phạm Viết Qn Ngơ Minh Quang Đặng Đức Mạnh Phạm Văn Đồng Nguyễn Văn Nhất HÀ NỘI, 7/2022 20181708 (Nhóm trưởng) 20181713 20181640 20181397 20181685 MỤC LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG .1 1.1 Giới thiệu chung hệ thống HVAC 1.2 Vấn đề cải thiện hiệu suất HVAC .1 1.3 Giới thiệu đối tượng nghiên cứu CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA NHIỆT ĐỘ ĐA VÙNG 2.1 Tổng quan phương pháp mơ hình hóa dựa mạng RC .3 2.2 Áp dụng phương pháp mơ hình mạng RC .4 CHƯƠNG CÁC CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN 3.1 Điều khiển tập trung 3.2 Điều khiển riêng lẻ 3.3 Thiết kế điều khiển cho hệ thống kiểm soát nhiệt độ đa vùng 3.3.1 Chiến lược điều khiển cho mùa hè 3.3.2 Chiến lược điều khiển cho mùa đông .8 CHƯƠNG LỰA CHỌN THIẾT BỊ 11 4.1 Điều hòa nhiệt độ 11 4.2 Cảm biến nhiệt độ 12 4.3 Vi điều khiển 13 4.4 Bố trí thiết bị 14 CHƯƠNG THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN GIÁM SAT 16 5.1 5.2 5.3 Tổng quan chọn phần mềm thiết kế điều khiển giám sát 16 5.1.1 Yêu cầu phần mềm giám sát điều khiển hệ thống .16 5.1.2 Tổng quan phần mềm Visual Studio 2019 16 Thiết kế giao điện giám sát điều khiển hệ thống 17 5.2.1 Giao diện đăng nhập vào hệ thống 17 5.2.2 Giao diện hình .18 5.2.3 Giao diện điều khiển phòng 411 .18 Tổng kết chức hệ thống 19 CHƯƠNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG 20 6.1 Tìm hiểu chung giao thức truyền thơng tịa nhà thơng minh 20 6.2 Tại cần phải hiểu giao thức truyền thông? .21 6.3 Lựa chọn giao thức truyền thông cho hệ thống kiểm soát nhiệt độ đa vùng 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Commercial Building Energy Consumption in US, 2010 Hình 1.2 Sơ đồ tầng thư viện Tạ Quang Bửu Hình 2.1 Quy đổi đại lượng nhiệt sang điện Hình 2.2 Mơ hình nhiệt tường .4 Hình 2.3 Mơ hình nhiệt cửa Hình 2.4 Mơ hình mạng RC phòng 419 .4 Hình 3.1 Cấu trúc chiến lược điều khiển tập trung Hình 3.2 Cấu trúc chiến lược điều khiển riêng lẻ Hình 3.3 Chiến lược điều khiển mùa hè Hình 3.4 Cấu trúc điều khiên mùa đơng Hình 3.5 Nguyên lý ON máy sưởi .9 Hình 3.6 Nguyên lý OFF máy sưởi .9 Hình 4.1 Điều hịa DAIKIN FCF140CVM/RZA140DY1 .11 Hình 4.2 Cảm biến nhiệt độ SHT30-HT533 12 Hình 4.3 Mơ-đun Vi điều khiển ESP32 – WROVER 13 Hình 4.4 Bố trí điều hịa phịng 14 Hình 4.5 Bố trí điều hòa 14 Hình 4.6 Bố trí cảm biến đo nhiệt độ phòng 15 Hình 6.1 Giao thức truyền thơng tịa nhà thơng minh 20 Hình 6.2 Giao thức truyền thông giúp thiết bị nhà thông minh nói chuyện với 21 Hình 6.3 Truyền thông Wi-fi .22 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Các thông số điều hòa 12 Bảng 4.2 Các thông số cảm biến .13 Bảng 4.3 Các thông số Mô-đun vi điều khiển 14 CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung hệ thống HVAC Hệ thống HVAC (Heating, Ventilating, Air Conditioning) bao gồm: - Heating: Hệ thống sưởi, gia nhiệt,… cung cấp nhiệt lượng cho tịa nhà - Ventilating: Hệ thống thơng gió, lọc bụi, vi khuẩn, khói, C O2, cung cấp khí tươi giám sát chất lượng khơng khí cho tịa nhà - Air Conditioning: Hệ thống điều hòa làm mát, điều chỉnh nhiệt độ độ ẩm thích hợp Một đề hệ thống HVAC kiểm soát nhiệt độ đa vùng (Multi-zone temperature Control) Mục tiêu hệ thống kiểm soát nhiệt độ đa vùng đáp ứng nhu cầu khác người dùng tòa nhà, đồng thời nâng cao hiệu suất sử dụng lượng 1.2 Vấn đề cải thiện hiệu suất HVAC Hình 1.1 Commercial Building Energy Consumption in US, 2010 Những năm gần đây, lượng tiêu thụ hệ thống HVAC ngày tăng, đặt vấn đề hiệu suất hệ thống, tuổi thọ thiết Theo số liệu Mỹ năm 2010, 41% lượng tiêu thụ dành cho hệ thống HVAC Để giảm thiểu tổn hao lượng tăng hiệu suất cho hệ thống HVAC, số giải pháp đưa như: - Sử dụng vật liệu cách nhiệt tốt thiết bị đại - Sử dụng hệ thống quản lý tòa nhà để giám sát tối ưu lượng sử dụng - Thay đổi thói quen người dùng - Sử dụng thuật toán điều khiển nâng cao (Advanced control method for HVAC system) Trong số phương pháp kể trên, phương pháp thứ hai có hiệu lớn chi phí đầu tư ban đầu lớn Phương pháp thứ ba thường không ưu tiên thực tế người dùng HVAC đa dạng nên khó thay đổi thói quen người dùng Do đó, phương pháp bốn thường ưu tiên sử dụng 1.3 Giới thiệu đối tượng nghiên cứu Hình 1.2 Sơ đồ tầng thư viện Tạ Quang Bửu Đối tượng nghiên cứu tập điều khiển nhiệt độ đa vùng tầng thư viên Tạ Quang Bửu Công việc thực bao gồm: - Mơ hình hóa nhiệt độ đa vùng - Đưa chiến lược điều khiển nhiệt độ - Lựa chọn thiết bị điều khiển - Thiết kế giao diện điều khiển Web-based CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA NHIỆT ĐỘ ĐA VÙNG 2.1 Tổng quan phương pháp mơ hình hóa dựa mạng RC Mơ hình hóa mạng nhiệt dựa mạng RC chất quy đổi giá trị nhiệt độ, nhiệt trở, nhiệt dung, nhiệt lượng sang đại lượng điện áp, điện trở, điện dung, dòng điện Cách quy đổi mơ tả Hình [2.1] Hình 2.3 Quy đổi đại lượng nhiệt sang điện Trong đó: - Tụ C đại diện cho nhiệt dung (thermal capacitance) không khí khu vực phần tử khác tòa nhà (VD: tường, trần, sàn, …) - Điện trở đại diện cho nhiệt trở phần tử tòa nhà (VD: tường, trần, sàn,…) - Điện áp tụ C đại diện cho nhiệt độ phần tử, dòng điện đại diện cho nhiệt lượng lan truyền mạng nhiệt Sử dụng mơ hình 2R2C, tường tịa nhà mơ tả Hình [2.2] Tương tự, cửa sổ cửa vào tòa nhà mơ tả Hình [2.3] Hình 2.4 Mơ hình nhiệt tường Hình 2.5 Mơ hình nhiệt cửa 2.2 Áp dụng phương pháp mơ hình mạng RC Giả sử trần sàn có nhiệt trở lớn, khơng xét đến đồ đạc phịng, mơ hình mạng nhiệt phòng bao gồm tường, cửa vào cửa sổ Hình [2.4] mơ tả mạng RC phịng 419 Hình 2.6 Mơ hình mạng RC phịng 419 Trong đó: Rwall = Lwall k wall × A wall Rdoor = Ldoor k door × A door Rwindow = Lwindow k window × A window C 419 =ρair V 419 c p air C wall=ρwall V wall c p wall Với: - L : độ dày(m), A : diện tích(m2 ¿ , V : thể tích(m3) - Các hệ số ρ , c p , k tra bảng A.1, tài liệu [2] Áp dụng tương tự với phịng khác, ta tìm mơ hình mạng nhiệt phịng dựa mơ hình mạng RC CHƯƠNG CÁC CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN Hiện nay, chia chiến lược điều khiển thành ba kiểu chính: - Điều khiển tập trung - Điều khiển riêng lẻ Mỗi chiến lược điều khiển có ưu nhược điểm riêng phù hợp cho toán thiết kế Nhiệm vụ người thiết kế chọn chiến lược điều khiển cho phù hợp với nhu càu tối ưu mặt kinh tế kỹ thuật Sau đây, ưu nhược điểm chi tiết ba chiến lược điều khiển trình bày, thiết kế chi tiết cho hệ thống kiểm soát nhiệt độ đa vùng đưa 3.1 Điều khiển tập trung Chiến lược điều khiển tập trung hoạt động dựa mơ hình chung cho tịa nhà Tức mơ hình để thiết kế điều khiển mơ hình tịa nhà Trong đó, liệu nhiệt độ, tín hiệu cảm biến từ phịng riêng lẻ đưa làm mơ hình chung Hình [3.1] mơ tả cấu trúc điều khiển tập trung Hình 3.7 Cấu trúc chiến lược điều khiển tập trung Có thể thấy, tín hiệu riêng từ phịng khác gửi máy tính chung Chiến lược cần điều khiển trung tâm cho toàn hệ thống Bằng cách hoạt động này, tiết kiệm chi phí vận hành nhờ vào việc giảm thiểu máy tính điều khiển Khơng vậy, nhờ vào việc dùng mơ hình chung, tín hiệu phịng có ảnh hưởng qua lại lẫn Do đó, chiến lược giúp tối ưu mặt lượng tăng hiệu suất chung cho toàn hệ thống Tuy nhiên, nhược điểm chiến lược độ đáng tin cậy Do tín hiệu từ cảm biến phịng có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau, phịng có lỗi có nguy gây lỗi cho toàn hệ thống Bởi lý đó, độ tin cậy chiến lược khơng đánh giá cao thực tế không ứng dụng cho hệ thống yêu cầu tính ổn định cao Hình 3.11 Ngun lý ON máy sưởi Có thể thấy, Hình [3.5] có sử dụng tới Op-amp, nhiệm vụ Opamp sau:  Op-amp dùng để tạo độ khuếch đại điện áp cảm biến nhiệt độ  Op-amp dùng để tạo mức nhiệt độ  Op-amp dùng để so sánh, bật tắt máy sưởi Điện áp từ cảm biến nhiệt độ đưa vào Op-amp để khuếch đại lên Độ khuếch đại phụ thuộc vào giá trị điện trở R1 , R Điện áp sau Op-amp tính cơng thức sau: R3 PT 3.1 V out =V ¿ × R1 Bằng cách điều chỉnh giá trị điện trở này, độ khuếch đại thay đổi Biến trở AR1 dùng để điều chỉnh mức nhiệt độ đặt Tức điện áp sau Opamp thay đổi cách thay đổi giá trị biến trở Và cuối Op-amp để so sánh điện áp Op-amp Hình [3.6] mơ tả ngun lý mạch OFF máy sưởi Hình 3.12 Nguyên lý OFF máy sưởi Cũng giống mạch ON, nguyên lý mạch khác chỗ đổi chiều Op-amp Bằng cách đó, nhiệt độ cảm biến lớn nhiệt độ đặt, đồng thời phải bật hệ thống điều khiển, máy sưởi tắt Nhờ vào biến trở AR1, nhiệt độ đặt thay đổi cách dễ dàng, từ làm tăng tính linh hoạt hệ thống điều khiển 10 CHƯƠNG LỰA CHỌN THIẾT BỊ Trong thiết kế điều khiển, kiểm sốt nhiệt độ đa vùng cho tịa nhà thông minh, việc lựa chọn thiết bị phần cứng, cấu chấp hành quan trọng Việc lựa chọn phù hợp yêu cầu kỹ thuật đề mà cần phải thỏa mãn tính có sẵn, tức số lượng sản phẩm phải có mặt bán thị trường Mặt khác, vấn đề giá đáng quan tâm, kinh phí định từ đầu, việc chọn sản phẩm có giá hợp túi tiền tránh khoản tiền bị đội lên Các thiết bị phần cứng, cấu chấp hành hệ thống kiểm soát nhiệt độ đa vùng gồm; Điều hòa nhiệt độ, cảm biến đo nhiệt độ độ ẩm, vi điều khiển Những thiết bị khác lò sưởi khơng cần thiết mơi trường Việt Nam hầu hết mùa đông không lạnh Sau lựa chọn, việc thiết kế, tính tốn để bố trí thiết bị triển khai 4.1 Điều hòa nhiệt độ Việc lựa chọn điều hòa phù hợp có nhiều cách, nhiên để dễ dàng thuận tiện lựa chọn theo diện tích sử dụng hợp lý hầu hết phịng thường có chiều cao từ 2.8 đến 3.5 mét nên bỏ qua khác thể tích Mặt khác, lựa chọn theo công năng, nhiệt độ hấp thụ khó để tính tốn xác định Để có tính thẩm mỹ cho phịng điều hịa dạng âm trần lựa chọn sáng suốt Khi trang bị điều hịa âm trần, gần tồn thân điều hịa che khuất, có mặt quạt gió lộ ra, vừa thẩm mỹ, vừa tạo cảm giác rộng rãi cho phòng - Sản phẩm lựa chọn: DAIKIN FCF140CVM/RZA140DY1 Hình 4.13 Điều hịa DAIKIN FCF140CVM/RZA140DY1 11 Bảng 4.1 Các thơng số điều hịa Cơng nghệ kiểm sốt Inverter, chiều Số pha Công suất làm lạnh 50000 BTU (