Nghiên cứu xây dựng hệ thống tiết kiệm điện năng chiếu sáng ứng dụng mạng sensor không dây

Một hệ thống điều khiển chiếu sáng bao gồm các phần tử sau: - Phần tử chấp hành đèn, rơle, chấn lưu,… có thể kết nối thành mạng - Bộ điều khiển - Phần mềm quản lý giám sát Phương pháp ng

Bộ công thương

viện điện tử – tin học

báo cáo tổng kết đề tài kh&cn cấp bộ

nghiên cứu xây dựng hệ thống

tiết kiệm điện năng chiếu sáng

ứng dụng mạng sensor không dây

Mã số: 187 08RD/HĐ-KHCN chủ nhiệm đề tài: ths Trần văn tuấn

7171

17/3/2009

Hà nội - 2008

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH VÀ PTCN

CẤP BỘ NĂM 2008

Đề tài:

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG

HỆ THỐNG TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG CHIẾU SÁNG

ỨNG DỤNG MẠNG SENSOR KHÔNG DÂY

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH VÀ PTCN

CẤP BỘ NĂM 2008

Đề tài:

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG

HỆ THỐNG TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG CHIẾU SÁNG

ỨNG DỤNG MẠNG SENSOR KHÔNG DÂY

KS Bùi Đức Thắng ThS Phạm Thùy Dung

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Mục tiêu của đề tài:

Tạo ra một nền tảng phần cứng và phần mềm cho các mạng sensor kết hợp thiết bị chấp hành trong hệ thống quản lý điều khiển chiếu sáng

Tình hình nghiên cứu trong nước:

Ở Việt Nam, điện năng chiếu sáng chiếm một tỉ lệ lớn trong điện năng tiêu thụ Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo các phần tử cũng như tích hợp hệ thống tiết kiệm điện chiếu sáng là rất cần thiết

Qua tìm hiểu chúng tôi nhận thấy, việc ứng dụng công nghệ điều khiển chiếu sáng

đã được một số đơn vị ứng dụng thành công Song dưới góc độ nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị dạng rời và tích hợp thành hệ thống thì chưa có đơn vị nào thực hiện

Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài:

Tiết kiệm điện năng, đặc biệt là điện năng chiếu sáng là một trong những vấn đề đang được toàn cầu quan tâm Việc tiết kiệm điện năng được tập trung chủ yếu ở mức thiết bị và mức hệ thống Các giải pháp điều khiển chiếu sáng đang được tích cực nghiên cứu và phát triển bao gồm hoàn thiện về công nghệ đèn chiếu sáng, công nghệ chấn lưu điện tử cho đến các mạng điều khiển chiếu sáng Các mạng điều khiển chiếu sáng có thể sử dụng các bus truyền thông riêng như của GE, Honeywell, Lutron, … truyền trên đường dây điện hay mới đây hơn là truyền thông không dây Một hệ thống điều khiển chiếu sáng bao gồm các phần tử sau:

- Phần tử chấp hành (đèn, rơle, chấn lưu,…) có thể kết nối thành mạng

- Bộ điều khiển

- Phần mềm quản lý giám sát

Phương pháp nghiên cứu:

- Tập trung vào chế tạo các cụm thiết bị

- Áp dụng các công nghệ mới nhất về truyền thông không dây, sensor không dây,…

- Lựa chọn thích hợp các module phần cứng dạng OEM

- Thiết kế và phản biện thiết kế

Nội dung chính:

- Nghiên cứu thiết kế chế tạo các nút sensor/actuator không dây cho hệ quản lý điều khiển chiếu sáng

- Tạo dựng hệ firmware chuẩn cho mạng sensor/actuator không dây cho hệ quản

lý điều khiển chiếu sáng

- Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển tập trung cho hệ quản lý điều khiển chiếu

- Nghiên cứu xây dựng giải pháp điều khiển chiếu sáng ứng dụng cho các phân xưởng sản xuất, tòa nhà …

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU

SÁNG MỚI NHẤT 1

1.1 VAI TRÒ CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG GIẢI PHÁP CHIẾU SÁNG HIỆN ĐẠI Ở VIỆT NAM 1

1.2 KHẢO SÁT CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG MỚI NHẤT 3

1.2.1 Các hệ điều khiển chiếu sáng mới nhất 3

1.2.2 Cấu trúc của hệ điều khiển chiếu sáng dạng tập trung 6

1.2.3 Các phần tử chấp hành 7

1.2.4 Các sensor (cảm biến) 8

1.2.5 Điều khiển chiếu sáng 10

1.3 TỔNG QUAN CÁC BUS GIAO TIẾP CHO MẠNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG 11

1.3.1 Mạng 1-wire 13

1.3.2 Mạng MODBUS 13

1.3.3 ZIGBEE 14

1.3.4 DALI 16

1.4 MẠNG SENSOR KHÔNG DÂY VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG VÀO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG 19

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG 21

2.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 21

2.2 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG DTC 26

2.3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO NÚT SENSOR/ACTUATOR KHÔNG DÂY mLCP-8 28

2.4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO NÚT TOUCHLIGHT (công tắc điều khiển dạng cảm ứng) 30

2.5 THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC NÚT SENSOR 31

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG 33

3.1 CÔNG CỤ VÀ MÔI TRƯỜNG PHÁT TRIỂN 33

3.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 34

3.3 PHẦN MỀM TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 38

3.3.1 Stack Zigbee 38

3.3.2 Hệ điều hành hướng sự kiện (event driven scheduler) 40

3.4 PHẦN MỀM ỨNG DỤNG CÁC NÚT 42

3.5 PHẦN MỀM TRÊN BỘ ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG DTC 45

3.5.1 Tổng quát phần mềm trên DTC 45

3.5.2 Giao diện sử dụng trên DTC 46

3.6 PHẦN MỀM CHO MẠNG SENSOR/ACTUATOR KHÔNG DÂY TRÊN mLCP-8 54

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC, GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 57

4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 57

4.2 MỘT SỐ GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG 59

4.3 THỬ NGHIỆM 62

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHỤ LỤC 69

MỤC LỤC CÁC HÌNH

Hình 1: Điều khiển đóng cắt đơn giản 4

Hình 2: Điều khiển chiếu sáng lập trình được (dạng panel đơn) 4

Hình 3: Hệ thống chiếu sáng của DOUGLAS 5

Hình 4: Hệ thống chiếu sáng của Hubbell 5

Hình 5: Mô hình một hệ điều khiển chiếu sáng 6

Hình 6: Biến tử phát hiện người PIR 9

Hình 7: Sensor đo độ sáng 9

Hình 8: Lưu đồ mạng IBECS sử dụng công nghệ 1-wire 13

Hình 9: Giao thức MODBUS tương ứng với lớp 7 của mô hình OSI 14

Hình 10: Kiến trúc phân lớp của ZigBee 15

Hình 11: Mạng hình sao và mạng mắt lưới của ZigBee 16

Hình 12: Sơ đồ mạng DALI gồm chấn lưu và thiết bị điều khiển độ sáng 17

Hình 13: Mô hình hệ thống điều khiển chiếu sáng của thiết kế 22

Hình 14: Các nút sẽ thiết kế 24

Hình 15: Sơ đồ một hệ thống mở rộng 25

Hình 16: Sơ đồ khối bộ DTC 27

Hình 17: Sơ khối module Wireless 27

Hình 18: Sơ đồ tổng quát của một panel điều khiển tại chỗ(Douglas) 28

Hình 19: Sơ đồ mạng các panel (Douglas) 29

Hình 20: Sơ đồ khối của nút mLCP-8 30

Hình 21: Sơ đồ khối của nút TouchLight 31

Hình 22: Sensor phát hiện người 31

Hình 23: Sơ đồ khối của nút sensor không dây 32

Hình 24: Mô hình của hệ thống 34

Hình 25: Phần mềm master và slave 35

Hình 26: Mô hình master/slave 36

Hình 27: Mô hình phân lớp ISO-OSI 38

Hình 28: Một nút zigbee bao gồm phần cứng và phần mềm các phần mềm được phân theo từng lớp khác nhau 39

Hình 29: Chức năng các nút trong mạng Zigbee 39

Hình 30: Phân vai trò cho các nút trong mạng 40

Hình 31: Gọi hàm đồng bộ và gọi hàm dị bộ 41

Hình 32: Chu trình thực hiện của chương trình 41

Hình 33: Các thành phần của TinyOS 42

Hình 34: Endpoint trong Zigbee 42

Hình 35: Có thể gán các thiết bị cho các Endpoint 43

Hình 36: Bảng kết nối các phần tử 43

Hình 37: Quy trình khởi tạo và gán các liên kết 44

Hình 38: Cấu trúc phần mềm trên DTC 45

Hình 39: Màn hình giao diện chính trên DTC 47

Hình 40: Màn hình cài đặt lịch trình điều khiển 47

Hình 41: Lưu đồ cài đặt lịch trình điều khiển 48

Hình 42: Màn hình cài đặt nhóm 49

Hình 43: Lưu đồ cài đặt nhóm 49

Hình 44: Màn hình cài đặt đầu vào 50

Hình 45: Lưu đồ thiết lập Switch Station 50

Hình 46: Lưu đồ lập trình các sensor 51

Hình 47: Cài đặt hệ thống 51

Hình 48: Lưu đồ cài đặt hệ thống 52

Hình 50: Lưu đồ cài đặt một số chức năng 54

Hình 51: Phần mềm khối quản lý trung tâm trên mLPC-8 55

Hình 52: Máy trạng thái giao diện của mLPC-8 56

Hình 53: Hộp DTC 57

Hình 54: Bên trong hộp DTC 57

Hình 55: Hộp mLCP-8 58

Hình 56: Bo mạch Relay Scanner 1 (mạch của mLCP-8) 58

Hình 57: Bo mạch Relay Scanner 2 (mạch của mLCP-8) 58

Hình 58: Nút công tắc cảm ứng TouchLight 59

Hình 59: Các sensor không dây 59

Hình 60: αPanel 64

Hình 61: βPanel 65

MỤC LỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Ước lượng tỉ lệ năng lượng tiết kiệm được khi dùng cảm biến phát hiện người 9

Bảng 2: Bảng tổng hợp hiệu quả sử dụng điều khiển chiếu sáng 11

Bảng 3: Bảng tổng hợp giao thức của một số hệ chiếu sáng thương mại (hữu tuyến) 12

Bảng 4: So sánh giữa các chuẩn RF 15

Bảng 5: Những đặc tính chính của mạng Dali 17

Bảng 6: So sánh một số mạng truyên thông 18

Bảng 7: Bảng phân chia chức năng cho các nút 23

Bảng 8: Bảng tổng hợp phần mềm 37

Bảng 9: Bảng các cấu trúc các logic điều khiển của hệ thống 46

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT CÁC HỆ ĐIỀU

KHIỂN CHIẾU SÁNG MỚI NHẤT

1.1 VAI TRÒ CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG GIẢI PHÁP CHIẾU SÁNG HIỆN ĐẠI Ở VIỆT NAM

Theo số liệu thống kê, với dân số 85 triệu người, cả nước ta đang sử dụng khoảng

55 đến 60 triệu bóng đèn trong chiếu sáng dân dụng Lượng thiết bị chiếu sáng khổng

lồ này cộng với hệ thống chiếu sáng công cộng khắp trên cả nước tiêu thụ khoảng 20 - 25% tổng công suất của các nhà máy phát điện và có chiều hướng gia tăng khoảng 10 - 15% hàng năm Trong khi đó, hiện nay ngành điện Việt Nam chưa cung cấp đủ nhu cầu sử dụng của xã hội và vẫn phải nhập khẩu điện từ Trung Quốc Tập đoàn điện lực Việt Nam luôn phải khắc phục sự thiếu hụt điện năng bằng cách cắt điện luân phiên cũng như yêu cầu các hộ tiêu thụ sử dụng điện tiết kiệm Trước thự tế đó, vấn đề tiết kiệm điện trong chiếu sáng đã trở nên hết sức cấp thiết và đóng vai trò rất quan trọng trong việc sử dụng và khai thác hợp lý các tài nguyên thiên nhiên của đất nước, góp phần bảo vệ môi trường

Để giảm bớt năng lượng điện trong chiếu sáng, cần một giải pháp tổng thể từ khâu sản xuất và cung ứng các thiết bị chiếu sáng, đến các biện pháp khoa học trong tiêu dùng, đồng thời giáo dục ý thức tiết kiệm trong cộng đồng Trong các vấn đề trên, việc nâng cao chất lượng và hiệu quả chiếu sáng và sử dụng nguồn điện năng một cách hợp lý, tiết kiệm, tránh lãng phí là vấn đề quan trọng nhất và mang tính cấp thiết

Để thực hiện triệt để việc tiết kiệm điện trong chiếu sáng, ta cần thiết phải thực hiện đồng bộ 3 yếu tố:

· Sử dụng các loại bóng đèn có hiệu suất chiếu sáng cao để tiết kiệm điện Các loại ánh sáng tạo ra từ bóng đèn phải thích hợp, đúng nhu cầu sử dụng Phương pháp hiệu quả nhất là thay thế sử dụng bóng đèn sợi đốt, tiêu thụ nhiều điện năng sang sử dụng bóng đèn huỳnh quang compact có tính năng tiết kiệm điện 80% và độ bền hơn 6 lần so với bóng đèn sợi đốt hoặc sử dụng nhiều chủng loại đèn huỳnh quang có hiệu suất chiếu sáng cao Các sản phẩm bóng đèn tiết kiệm điện có màu sắc phù hợp với thị lực của mắt

· Hệ thống chiếu sáng phải phân bổ các điểm sáng đồng đều, bảo đảm trên bề mặt phẳng làm việc một độ rọi đồng đều và đạt tối thiểu từ 300 lux trở lên Để đạt được điều này, việc sử dụng một hệ thống máng đèn, chao chụp hợp lý góp phần phân bổ lại độ sáng trong phòng Nhưng để đạt được mục đích điều chỉnh

độ sáng theo mục đích sử dụng, theo yêu cầu chiếu sáng như độ sáng cần thiết trong phòng học, phòng làm việc sẽ khác với độ sáng tại các hành lang, tiền sảnh, sân vườn, ta cần có một hệ thống điều khiển chiếu sáng sử dụng một hệ

thống các sensor đo độ sáng, các bộ điều chỉnh độ sáng (dimmer) đảm bảo môi trường lao động an toàn, tiết kiệm

· Cuối cùng là nguồn sáng của bóng đèn cần được sử dụng đúng mục đích, đúng thời điểm, đúng nhu cầu như chỉ chiếu sáng khi có người sử dụng, tránh lãng phí, hạn chế các trường hợp hao phí điện năng do người sử dụng quên tắt đèn,… Do đó, các tòa nhà nên sử dụng một hệ thống điều khiển chiếu (tắt/mở điều khiển độ sáng) cho phép người dùng đặt các chế độ hoạt động theo từng nhu cầu sử dụng một cách tự động, giúp giảm thiểu lãng phí điện năng trong sử dụng Hệ thống điều khiển chiếu sáng có thể là công tắc điều khiển được định giờ có thể tự động tắt/mở nguồn sáng hoặc chủ động tắt/mở theo từng nhu cầu

sử dụng như trong quảng cáo, phân xưởng sản xuất vào lúc cao điểm, có thể hoạt động sử dụng các sensor phát hiện người, vừa tiết kiệm vừa mang lại nhiều tiện lợi cho người sử dụng

Hiện nay ở một số doanh nghiệp có ý thức cao trong tiết kiệm điện năng để giảm chi phí, việc ứng dụng các giải pháp, hệ thống chiếu sáng rất linh hoạt, hiệu quả theo nhu cầu của sản xuất (giờ cao điểm thì nguồn sáng hoạt động 100% công suất, hết ca thì hệ thống chiếu sáng được phân vùng cắt cục bộ nhằm tiết kiệm điện) Hệ thống chiếu sáng công cộng ở những quốc gia phát triển luôn ứng dụng giải pháp điều khiển chiếu sáng được tự động tắt, mở theo mùa, theo mật độ lưu thông trên đường,…

Như vậy, tiết kiệm điện năng trong chiếu sáng cần được cụ thể hóa từ ý thức tiết kiệm điện năng đến việc đầu tư, ứng dụng những giải pháp chiếu sáng đồng bộ không đòi hỏi tính phức tạp và tốn nhiều chi phí Trong giải pháp tổng thể trên, thành phần

đóng vai trò quan trọng, quyết định mức độ tiết kiệm, hiệu quả, quyết định tính

tiện lợi của hệ thống chiếu sáng chính là hệ thống điều khiển chiếu sáng trong tòa nhà Với mục tiêu tiết kiệm điện năng, tránh lãng phí và tận dụng những công nghệ

mới, kỹ thuật điều khiển tiên tiến, hệ thống điều khiển tự động việc sử dụng điện đang

là một giải pháp vừa tiết kiệm điện tối ưu vừa đem lại nhiều lợi ích cho người sử dụng

Các ưu điểm của hệ thống điều khiển chiếu sáng:

Các nghiên cứu về ứng dụng các hệ thống chiếu sáng trong tòa nhà cho thấy, so với các hệ chiếu sáng truyền thống chỉ sử dụng điều khiển bằng tay và mức độ tiết kiệm chỉ phụ thuộc vào ý thức của người sử dụng, không điều chỉnh được cường độ sáng của bóng đèn trong các bối cảnh khác nhau, giải pháp sử dụng chiếu sáng chuyên nghiệp, sử dụng hệ thống điều khiển chiếu sáng với các sensor chuyên dụng tỏ ra hơn hẳn, với các ưu điểm đáng quan tâm như sau:

· Tiết kiệm được năng lượng do sử dụng các sensor phát hiện người, và các bộ điều chỉnh độ sáng, hạn chế lãng phí do việc quên tắt đèn, do sử dụng nguồn

· Giảm tối thiểu nhu cầu tiêu thụ điện

· Tối đa hóa tính năng và hiệu quả sử dụng các thiết bị chiếu sáng

· Đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng một cách độc lập trong các bối cảnh khác nhau

· Góp phần nâng cao năng suất lao động, sức khỏe, thị lực của người khi sinh hoạt

· Cải thiện môi trường làm việc, tạo ra một môi trường chiếu sáng tiện nghi và thân thiện với môi trường (giảm lượng khí CO2 thải ra môi trường, góp phần bảo vệ môi trường) Các hệ thống điều khiển chiếu sáng luôn cung cấp đầy đủ các tính năng điều khiển tự động hoặc bằng tay hoặc kết hợp cả hai kiểu điều khiển giúp người sử dụng có thể tạo ra một môi trường chiếu sáng theo nhu cầu của mình

Với các ưu điểm và lợi ích này, giải pháp sử dụng các hệ điều khiển chiếu sáng đang dần thay thế các hệ thống chiếu sáng truyền thống, trở thành sự lựa chọn số một cho các tòa nhà, công sở, trường học, các khu vui chơi công cộng và các hộ gia đình

1.2 KHẢO SÁT CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG MỚI NHẤT

1.2.1 Các hệ điều khiển chiếu sáng mới nhất

Các hệ điều khiển chiếu sáng có thể được phân ra làm các loại: điều khiển tại chỗ, điều khiển tập trung và điều khiển hai chiều Điều khiển tại chỗ cho phép người

sử dụng điều khiển mức độ sáng tại khu vực của mình Điều khiển tập trung bật tắt đèn trong một khu vực rộng lớn như một tòa nhà, một tầng hoặc một khu vực ngoài trời,…Các trạng thái của đèn là không xác định Đối với điều khiển 2 chiều các chấn lưu (ballast) sẽ gửi và nhận các thông tin về trạng thái của mình tới bộ điều khiển trung tâm (có thể là máy tính)

Để đưa ra thiết kế tối ưu của hệ điều khiển chiếu sáng, chúng tôi đã tiến hành khảo sát, tìm hiểu một số hệ thống chiếu sáng hiện đại hiện nay của DOUGLAS, LINET, Z-WAVE …

DOUGLAS cung cấp các hệ điều khiển cho phép điều khiển đóng ngắt tự động các rơle theo lịch trình thời gian, theo giờ thiên văn học (dựa vào thời gian mặt trời mặt, mặt trời mọc) theo độ sáng

Hình 1: Điều khiển đóng cắt đơn giản

Các phụ tải chiếu sáng có thể đóng ngắt bằng một switch, switch có thể là một công tắc gắn tường, một rơle, một đồng hồ thời gian (lịch trình), một sensor phát hiện người ,…

Hình 2: Điều khiển chiếu sáng lập trình được (dạng panel đơn)

Các bộ Relay Scanners được sử dụng để điều khiển các nhóm rơle lập trình được, các sensor trong hệ thống đo các điều kiện môi trường như độ sáng, nhiệt độ, phát hiện người Các bóng đèn có thể được điều khiển bằng công tắc tại chỗ hoặc bằng công tắc điều khiển từ xa Một hệ thống chiếu sáng có thể gồm 1 panel hoặc nhiều panel cùng kết nối với máy tính thông qua các đường tuyền tín hiệu số Dưới đây là

mô hình của hệ thống điều khiển chiếu sáng của DOUGLAS :

Hình 3: Hệ thống chiếu sáng của DOUGLAS

Hubbell cung cấp một hệ điều khiển chiếu sáng đơn giản và sử dụng các công nghệ tiên tiến, với một bộ điều khiển sử dụng màn hình điều khiển cảm ứng, thân thiện, dễ sử dụng Hệ thống cung cấp sẵn nhiều lịch trình cho phép người sử dụng có thể soạn thảo theo mục đích sử dụng Hệ thống cũng có thể hoạt động theo đồng hồ thiên văn hỗ trợ cho việc lập trình thời gian mặt trời mọc, mặt trời lặn Các rơle được phân bố trên các panel khu vực kết nối với từng thiết bị hoặc một nhóm các thiết bị chiếu sáng Trạng thái của các rơle trong hệ thống được quan sát thông qua các đèn LED trạng thái Dưới đây là mô hình một hệ chiếu sáng của Hubbell

ZONE 1

ZONE 2

ZONE 3

load 1 load 2 load 3 load 4

load 7 load 8 load 9

load 5 load 6

ZONE 1

ZONE 2

ZONE 3

load 1 load 2 load 3 load 4

load 7 load 8 load 9

load 5 load 6

PANEL No.1 PANEL No.2

Breaker Panel Breaker Panel

(Switch Stations)

Hình 4: Hệ thống chiếu sáng của Hubbell

1.2.2 Cấu trúc của hệ điều khiển chiếu sáng dạng tập trung

Qua khảo sát, chúng ta thấy các hệ điều khiển chiếu sáng bao gồm các phần tử:

Bộ điều khiển trung tâm, bộ điều khiển khu vực (tại chỗ), các thiết bị kết nối giữa bộ điều khiển khu vực với bộ điều khiển trung tâm, các phần tử chấp hành, các sensor, các công tắc điều khiển được, các công tắc bật tắt bằng tay, … Tùy vào từng yêu cầu

cụ thể mà ta có thể sử dụng các phần tử khác nhau Dưới đây là mô hình một hệ thống điều khiển chiếu sáng điển hình

Hình 5: Mô hình một hệ điều khiển chiếu sáng

Dưới đây, chúng tôi sẽ giới thiệu chi tiết các phần tử thông dụng trong hệ thống điều khiển chiếu sáng

1.2.3 Các phần tử chấp hành

Các phần tử chấp hành gồm các bóng đèn, các các bộ điều chỉnh độ sáng (loại triac, transistor )

a) Nguồn sáng

Có rất nhiều kiểu nguồn sáng khác nhau, hầu hết có thể chia ra làm 3 loại chính: huỳnh quang, sợi đốt và nguồn sáng cường độ cao (HID) Hiệu suất cực đại trên lý thuyết (đối với ánh sáng trắng) là 200l/w (lumens trên Watt), cao gấp đôi so với hiệu suất của những nguồn sáng hiện đang sử dụng

Đèn sợi đốt

Các đèn sợi đốt là nguồn sáng chủ yếu cho các hộ dân cư Chúng tạo ra ánh sáng nhờ các điện tử chạy qua các dây tóc đèn, các dây này làm bằng tungsten, làm cho các nguyên tử này chuyển động tới các điểm của nguồn phát sáng, làm nóng dây tóc đèn lên tới 5000K Trong bóng đèn chứa không khí với nitro và argon ở áp suất thấp để bảo vệ dây tóc đèn

Loại chấn lưu số gồm các thành phần thực thi các chức năng: lọc nhiễu điện từ, chỉnh lưu, điều chỉnh hệ số công suất, thực thi chức năng vi điều khiển, điều chỉnh lối

ra nuôi tải Chức năng vi điều khiển gồm lưu trữ, nhận và gửi thông tin số Vi điều khiển lưu địa chỉ ballast, nhận tín hiệu điều khiển và gửi thông tin trạng thái

Các hệ điều khiển độ sáng loại analog đã trở nên thông dụng trong khi các hệ điều chỉnh độ sáng loại số còn tương đối mới trong công nhiệp Cả hai đều cung cấp

các chức năng cần thiết để điều khiển tải lối ra dựa trên tín hiệu lối vào từ thiết bị điều khiển

1.2.4 Các sensor (cảm biến)

a) Sensor phát hiện người (cảm biến chiếm chỗ)

Các loại sensor phát hiện người khác nhau có độ nhạy và tác động nhanh khác nhau Hầu hết các sensor này dùng cảm biến siêu âm hoặc hồng ngoại để bật và tắt ánh sáng dựa trên sự xuất hiện của người sử dụng Các sensor hồng ngoại thụ động phát hiện chuyển động của ánh sáng hồng ngoại phát ra từ người Các sensor này có giá thành vừa phải và đáng tin cậy khi có người xuất hiện trong tầm quan sát của sensor, nhưng nó không quan sát được chuyển động gần và xung quanh các góc Sensor siêu

âm phát và nhận sóng âm Nếu có một chuyển động sẽ làm thay đổi tần số sóng âm và sensor sẽ phát hiện được chuyển động này Sensor siêu âm có thể phát hiện được chuyển động không nằm trên đường quan sát của chúng nhưng giá thành đắt hơn và có thể nhạy với các tác động sai Ngoài ra cũng có nhiều loại sensor dùng microwave và sensor âm thanh nhưng các sensor này không hiệu quả khi dùng cho điều khiển chiếu sáng Các sensor ‘lai’ (kết hợp giữa kỹ thuật hồng ngoại và siêu âm) là đáng tin cậy nhất vì chúng khá chính xác và phù hợp với các phòng có hình dáng phức tạp

Cả hai loại cảm biến dùng hồng ngoại và siêu âm đều có thể gắn trên tường hoặc trên trần nhà với các góc cảm nhận khác nhau Để tránh nhận tín hiệu giả hoặc bỏ qua tín hiệu đối với loại gắn trên trần việc xác định góc cảm nhận là rất quan trọng Thí

dụ cảm biến gắn ở hành lang chỉ nên hướng góc cảm nhận hẹp chứ không hướng vào các phòng làm việc, nhưng nếu gắn ở hội trường thì phải hướng sao cho bắt được tín hiệu từ mọi chỗ Thông thường lỗi của bộ điều khiển dùng cảm biến phát hiện người là không bao quát hết được không gian mong muốn (do ít cảm biến, hoặc do các cột, các khối chắn tín hiệu) hoặc không đủ độ nhậy cho mọi ứng dụng Tại các nơi nguy hiểm như tủ điện tốt hơn hết là không sử dụng cảm biến phát hiện người Lý do là tại những nơi này số lượng người thay đổi rất ít khiến hiệu quả của hệ điều khiển là rất thấp Cảm biến phát hiện người có hiệu quả rõ rệt khi sử dụng tại các khu vực thương mại, hành chính, công nghiệp như các công sở kín, các kho, các phòng họp, văn phòng, hành lang, nơi giải lao, phòng nghỉ, vùng quanh cầu thang, phòng học, phòng hội thảo, những khu vực không mái che của công sở, phòng ăn trưa, …

Không gian Ước lượng của EPA Ước lượng của EPRI

Bảng 1: Ước lượng tỉ lệ năng lượng tiết kiệm được khi dùng cảm biến phát hiện người

Hình 6: Biến tử phát hiện người PIR

b) Sensor đo độ sáng

Sensor đo độ sáng: có hai loại: sensor đo độ rọi và đo độ chói Các sensor này đều cho phép điều chỉnh được gồm độ nhạy, đặt các ngưỡng tác động

Hình 7: Sensor đo độ sáng

Các sensor cảm biến ánh sáng có khả năng phát hiện được các bức xạ quang học

là các tia hồng ngoại và cực tím, không bị ảnh hưởng của ánh sáng khả kiến và các loại bức xạ quang học khác và không bị ảnh hưởng bởi các hoạt động trong phòng

Các sensor đo độ rọi thường sử dụng để đo mức sáng trong một diện tích lớn như phòng làm việc, khu sân vường, các khu vui chơi công cộng Cảm biến ánh sáng tự động đo độ rọi, nếu độ rọi lớn hơn độ rọi định mức (độ rọi định mức có thể điều chỉnh định trước) thì đèn sẽ tắt (cắt mạch điện), nếu độ rọi nhỏ hơn độ rọi định mức thì đèn được duy trì Ví dụ sử dụng cảm biến này cho đèn bảo vệ khu vực sân vườn, trời tối đèn sẽ tự động bật sáng, trời sáng sẽ tự động tắt

Loại sensor đo độ chói ít thông dụng hơn sensor đo độ rọi, sensor này cảm biến ánh sáng theo các hướng riêng và trên một diện tích chiếu sáng nhỏ Chúng được dùng

để đo độ sáng từ một khoảng cách xa, như đo độ rọi trên bàn từ một sensor trên trần nhà Khi xây dựng một hệ điều khiển chiếu sáng, người ta thường dùng sensor cảm biến ánh sáng loại đo độ rọi sáng

1.2.5 Điều khiển chiếu sáng

Có nhiều phương án điều khiển chiếu sáng Hai phương án hay được sử dụng nhất đó là:

a) Điều khiển bằng tay

Người sử dụng thực hiện bật/tắt ánh sáng thông các công tắc, có thể là công tắc gắn tường hoặc công tắc điều khiển từ xa

· Điều khiển chiếu sáng sử dụng sensor phát hiện người: kiểu điều khiển chiếu sáng này được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ chiếu sáng tự động Quá trình điều khiển sẽ tắt hệ thống ánh sáng khi không gian không có người sử dụng Một thử nghiệm đã chỉ ra rằng việc thay thế các công tắc điều khiển ánh sáng bằng các sensor đã tiết kiệm được 26% công suất điện tiêu thụ Điều khiển chiếu sáng làm giảm công suất tiêu thụ không phải bởi chúng làm ánh sáng trở nên hiệu quả hơn mà bởi chúng làm giảm thời gian

và cường độ sáng sử dụng Hệ thống điều khiển chiếu sáng dựa trên sensor phát hiện người có giá thành phù hợp và thể hiện tính kinh tế sau từ 1 đến 3 năm sử dụng

· Điều khiển độ sáng: kiểu điều khiển này cho phép bật, tắt đèn, điều khiển độ chiếu sáng của bóng đèn phụ thuộc vào mức độ cần được chiếu sáng trong phòng Nó thường được dùng ở những nơi có thể tận dụng được ánh sáng ban ngày, hoặc những nơi đòi hỏi độ sáng đồng đều hoặc cần tạo ra các hiệu

Trong các hệ điều khiển chiếu sáng, điện năng được tiết kiệm chủ yếu thông qua phương pháp điều chỉnh và điều khiển nhằm tiết giảm việc chiếu sáng không cần thiết Dưới đây là một số ứng dụng của các kiểu điều khiển chiếu sáng trong các địa điểm khác nhau và hiệu quả của các ứng dụng này:

Kiểu điều khiển

Văn phòng riêng

Hành

Phòng làm việc tập trung

Phòng học

Các TT thương mại

Trong đó ( ++) hiệu quả cao, (+) có hiệu quả, ( ) không hiệu quả

Bảng 2: Bảng tổng hợp hiệu quả sử dụng điều khiển chiếu sáng

1.3 TỔNG QUAN CÁC BUS GIAO TIẾP CHO MẠNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG

Hệ thống điều khiển chiếu sáng có thể là các hệ thống độc lập hoặc các hệ thống tích hợp trong tòa nhà, báo cáo này sẽ tìm hiểu và đánh giá các chuẩn giao tiếp (đã và đang xuất hiện) cho các mạng sensor và các bộ điều khiển chuyên cho các hệ thống điều khiển chiếu sáng

Trước những năm 90, phần lớn các giao thức trong các hệ tự động hóa tòa nhà nói chung và các điều khiển chiếu sáng nói riêng đều dựa trên các giao thức có bản quyền của các nhà sản xuất Thậm chí hiện nay, một số công ty có tên tuổi vẫn sử dụng các giao thức riêng của mình như: JCI (N2-Metisys), Honeywell, Lutron, GE, PCI

Trong các hệ thống tự động hóa tòa nhà LON works và Bacnet được hỗ trợ nhiều nhất từ các nhà sản xuất thiết bị chiếu sáng Có rất nhiều các module chuyển đổi giao thức và các thiết bị trực tiếp hỗ trợ các giao thức này Tiếp theo là các giao thức có bản quyền của Johnson Controls, Honeywell và Modicon

Trong vài năm gần đây Ethernet đã và đang nổi lên như một giao thức thay thế trong hệ tự động hóa tích hợp tòa nhà

Dưới đây là một số khảo sát các giao thức hỗ trợ của một số công ty sản xuất thiết bị chiếu sáng

Supports all major communication protocols including BACnet, LONworks, MODbus and SNMP

RS232, ARCnet, Ethernet, BACNet, Modbus, Allen Bradley Data Highway, Modbus plus, and a wide variety of other common protocols are available

LONworks, DMX512, RS232, Analogue Input, Volt free, 2wire, DALI,

0-10VDC, DSI

Bảng 3: Bảng tổng hợp giao thức của một số hệ chiếu sáng thương mại (hữu tuyến)

Xu hướng hiện nay của các nhà sản xuất thiết bị là kết hợp giữa giao thức mở và

giao thức có bản quyền Các hệ chiếu sáng có thể sử dụng giao thức riêng song song

với việc sử dụng các bộ chuyển đổi sang các giao thức mở để kết hợp với hệ tự động

hóa tòa nhà

Dưới đây chúng tôi xin đề cập tời 4 giao thức mở đối với hệ điều khiển chiếu sáng

đó là: 1-wire, DALI, MODBUS và Zigbee và các đánh giá so sánh chủ yếu dựa trên

Maxim bán bộ các chip cho phép khách hàng có thể xây dựng các nút khác nhau tùy theo yêu cầu sử dụng Các chip này có giá thành hạ và cho phép thiết kế với các kiểu nút nhất định

Nhiều tổ chức trong đó có Berkeley Lab đã đi theo công nghệ 1-wire và kết hợp

nó với các cấu trúc của họ như IBECS Dưới đây là lưu đồ của mạng IBECS tận dụng công nghệ 1-wire

Hình 8: Lưu đồ mạng IBECS sử dụng công nghệ 1-wire

1.3.2 Mạng MODBUS

Giao thức MODBUS là một cấu trúc thư tín được phát triển bởi Modicon năm

1979, được xây dựng để truyền thông giữa master-slave/client-server giữa các thiết bị thông minh Đây là một giao thức lâu đời nhất và được dùng phổ biến nhất trong lĩnh vực tự động hóa trong công nghiệp, được dùng bởi hàng nghìn công ty với hàng triệu nút trên khắp thế giới

Giao thức MODBUS tương ứng với lớp 7 của mô hình OSI, nó cung cấp truyền thông client/server giữa các thiết bị được kết nối trên các kiểu mạng và bus khác nhau Truyền thông MOBUS được thực hiện thông qua:

- TCP/IP trên Ethernet

- Truyền thông không đồng bộ thông qua 232-E, EIA-422, 485-A, sóng radio,…

EIA/TIA MODBUS PLUS, mạng truyền thông tốc độ cao

Hình 9: Giao thức MODBUS tương ứng với lớp 7 của mô hình OSI

Hình 10: Kiến trúc phân lớp của ZigBee

Bảng sau đây chỉ ra sự so sánh giữa các chuẩn RF khác nhau được dùng:

Đặc điểm IEEE 802.11b Bluetooth Zigbee

- 65,536 nút mạng (client)

- Thời gian kết nối mạng: 30 ms

- Có thể chuyển từ chế độ sleeping slave sang chế độ active trong khoảng thời gian 15 ms

- Thời gian truy nhập kênh slave tích cực: 15 ms

ZigBee cung cấp cả mạng mắt lưới và mạng hình sao:

Hình 11: Mạng hình sao và mạng mắt lưới của ZigBee

1.3.4 DALI

DALI là chữ viết tắt của Digital Addressable Lighting Interface DALI tập trung chủ yếu vào lĩnh vực chiếu sáng Nó dựa trên chuẩn kỹ thuật IEC 60929

Với việc dùng DALI, các sản phẩm của các công ty khác nhau có thể được kết nối

và cùng hoạt động Chuẩn DALI bao gồm khả năng địa chỉ hóa, ví dụ các bộ chấn lưu điện (chấn lưu) có thể được điều khiển riêng rẽ khi cần Các bộ chấn lưu điện này được nối với bus điều khiển điện áp thấp 1-10VDC và có thể được điều khiển đồng thời

Một điểm mạnh khác của chuẩn DALI là có thể truyền trạng thái của các bộ chấn lưu điện trở lại nơi điều khiển Điều này đặc biệt có ích khi việc cài đặt được mở rộng tại nơi các thiết bị chiếu sáng được phân bố trong không gian rộng

Các thiết bị DALI bao gồm các bộ chấn lưu HF huỳnh quang, các bộ chuyển đổi điện áp thấp, các thiết bị phát hiện chuyển động, công tắc tường và các cổng vào các giao thức khác Một mạng DALI có thể lên tới 64 thiết bị Những nơi yêu cầu nhiều hơn 64 thiết bị được thực hiện bằng cách sử dụng kết hợp nhiều mạng DALI riêng rẽ Các mạng riêng rẽ này kết nối với nhau thông qua các cổng và một xương sống dữ liệu hoạt động trên giao thức mức cao như DyNet của Dynalite

Bảng sau đây liệt kê các đặc điểm chung của mạng DALI theo chuẩn IEC 60929

Số lượng thiết bị lớn nhất có thể 64

Phương pháp mã hóa dữ liệu Manchester

Bảng 5: Những đặc tính chính của mạng Dali

Dưới đây là sơ đồ bao gồm thiết bị chấn lưu và thiết bị điều khiển độ sáng

Hình 12: Sơ đồ mạng DALI gồm chấn lưu và thiết bị điều khiển độ sáng

2400 baud

RS232/RS485 1Mbps

10Base2: 10Mbps 10BaseT: 10Mbps 100BaseT:100Mbps

20 kbps-,

40 kbps,

250 kbps phụ thuộc tần số

hoạt động, từ

thấp đến cao

Từ trung bình đến cao

Thấp đến trung bình 30ms

Phụ thuộc kênh vật lý,

1000 m đối với RS485

10Base2 – 185m 10BaseT – 100 m 100BaseT – 100m

half-Serial bus

Point to point or multi-drop

Mutli-drop và star nếu có hubs

Ad Hoc wireless network

Các tiêu

IEC 60929-2003,

IEEE 802.15.4,

tổ chức ZigBee

- DALI nhanh chóng được chấp nhận và đặc biệt hiệu quả trong các ứng dụng điều khiển chiếu sáng Giá thành thấp do nguồn cấp được thực hiện trên cùng dây tín hiệu Giao thức xây dựng cho điều khiển chiếu sáng do đó không phù hợp với các ứng dụng đo xa và điều khiển công nghiệp

- ZigBee tương đối mới, nhưng rất thu hút trong điều khiển công nghiệp Giá thành thấp vì nó dùng kiểu wireless Chỉ phù hợp với các ứng dụng không dây

1.4 MẠNG SENSOR KHÔNG DÂY VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG VÀO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG

Các mạng sensor không dây (Wireless sensor netwok – WSN) đang bắt đầu được ứng dụng rộng rãi hơn trong các bài toán giám sát môi trường với một số lượng lớn các nút mạng

Việc nghiên cứu phần cứng cũng như phần mềm đã và đang được các trường đại học và rất nhiều công ty R&D tham gia Khởi xướng các nghiên cứu ứng dụng của mạng sensor không dây phải kể đến Đại học tổng hợp California (UC) với hệ điều hành TinyOS được phát triển như một nền tảng phần mềm cho mạng sensor không dây Thuật ngữ Mote được sử dụng để chỉ một nút (node) radio đơn lẻ trong mạng Mỗi một nút có thể có một hay nhiều sensor hoặc một vài thiết bị chấp hành (actuator) Ngoài Đại học Tổng hợp California ra còn có các Đại học Tổng hợp Los Angeles, Đại học MIT, các phòng thí nghiệm Intel Research Labs, Robert Bosh và Crossbow

Ngày nay có thể thấy ứng dụng của mạng sensor không dây ở các ứng dụng như: giám sát các kết cấu lớn như cầu, tòa nhà thông qua các sensor lực (strain gauge) hoặc sensor gia tốc

Một ưu điểm lớn nhất của mạng sensor không dây là không cần sử dụng đến dây

dẫn Trong các ứng dụng tự động hóa tòa nhà, chi phí cho chạy dây điều khiển các

thiết bị chiếu sáng là rất lớn Việc thay các dây này bằng các kết nối không dây vừa

tiết kiệm chi phí đồng thời làm cho hệ thống trở nên linh hoạt mà với phương pháp

chạy dây không thể có được Ví dụ ta có thể dễ dàng thay đổi vị trí của các công tắc hay các sensor mà không ảnh hưởng đến kết cấu công trình hay thay đổi hệ thống Việc sử dụng mạng sensor không dây đã được thương mại hóa điển hình là:

Advance Transformer (Phillips) ứng dụng trong tự động hóa HVAC (sử dụng nền tảng phần cứng và phần mềm của Ember)

Millennial Net cũng phát triển ứng dụng HVAC và giám sát các hệ thống cơ khí như turbine, động cơ,…

Tổ chức hiện nay cổ vũ mạnh mẽ nhất cho mạng sensor không dây là Zigbee Alliance với các thành viên là các công ty sản xuất chip và các công ty tích hợp hệ thống nổi tiếng như Motorola, Phillips, Atmel, TI, Microchip, ABB, Honeywell, Sau khi khảo sát kỹ các hệ chiếu sáng cũng như mạng sensor không dây Nhóm

thực hiện đề tài nhận thấy một số lưu ý sau khi ứng dụng mạng sensor/actuator không

dây vào các hệ chiếu sáng nói riêng và tự động hóa tòa nhà nói chung là:

- Một số nút trong mạng có thể bố trí ở những nơi khó thâm nhập Yêu cầu đối với những nút này là có thời gian hoạt động lâu và phải chạy bằng pin, nên

phần cứng và phần mềm cần hỗ trợ tối ưu năng lượng Để giảm thiểu năng lượng phần cứng cần ngủ trong một thời gian dài và chỉ “thức” khi cần phải lấy mẫu hoặc nhận được dữ liệu từ nút khác Việc truyền tin RF với công suất thấp có thể đạt khoảng cách tới 100m

- Có thể mở rộng quy mô mạng với các cấu hình mạng khác nhau, tuy nhiên đối với ứng dụng chiếu sáng ta có thể xác định được vị trí của các nút, nên ta

nên áp dụng cấu hình mạng star-mesh (bao gồm 3 tầng end device, router và

gateway) Theo cấu hình này End-device có thể được nuôi bằng pin còn các router và gateway có thể nuôi bằng nguồn AC

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO HỆ ĐIỀU

KHIỂN CHIẾU SÁNG

2.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Mục tiêu thiết kế của đề tài là xây dựng một hệ thống điều khiển chiếu sáng

hiện đại, gọn nhẹ, tiện lợi, thân thiện với người sử dụng, linh hoạt với nhiều chế

độ điều khiển, sẵn sàng cho nhiều ứng dụng chiếu sáng dẫn đến tiết kiệm chi phí sử

dụng điện và tiện lợi cho người sử dụng, đồng thời thiết kế cũng chú ý đến khả năng

mở rộng của sản phẩm

Như đã trình bày trong chương trước, các hệ điều khiển chiếu sáng bao gồm nhiều phần tử: Bộ điều khiển trung tâm, bộ điều khiển khu vực (một hoặc nhiều), các thiết bị kết nối giữa bộ điều khiển khu vực với bộ điều khiển trung tâm có thể là thiết

bị đầu cuối hữu tuyến hoặc không dây, các phần tử chấp hành, các sensor, các công tắc điều khiển được, các công tắc bật tắt bằng tay

Với việc tận dụng các nghiên cứu cơ bản về mạng sensor không dây, kết hợp với các khả năng hỗ trợ nhất định của các vi mạch điện tử Nhóm thực hiện đề tài thống nhất đưa ra thiết kế hệ điều khiển chiếu sáng trên cơ sở mạng sensor/actuator không

dây trên nền tảng truyền thông Zigbee

Dựa trên các tìm hiểu và phân tích các hệ điều khiển chiếu sáng (hữu tuyến) của Lite-Pak, Hubbel,.… chúng tôi lựa chọn thiết kế một hệ thống điều khiển chiếu sáng gồm các phần tử (thiết bị ) sau:

· DTC (bộ điều khiển trung tâm) : Đóng vai trò tổ chức và quản trị toàn bộ cấu hình cũng như điều khiển hệ thống Cho phép người sử dụng thao tác lên các phần tử phân tán thông qua giao diện cảm ứng

· mLCP-8 (panel phân tán): Đóng vai trò thiết bị chấp hành, nhiệm vụ chủ yếu là điều khiển các đèn hoặc các cụm đèn

o Input là tín hiệu từ các sensor phát hiện người, sensor đo độ sáng, sensor

đo nhiệt độ, công tắc bật tắt bằng tay,

o Output là các rơle, các kênh PWM, các dimmer điều khiển độ sáng (người sử dụng có thể lựa chọn, lập trình các kênh điều khiển)

o Kết nối với bộ điều khiển trung tâm bằng kết nối không dây

· TouchLight: công tắc cảm ứng không dây (sử dụng cảm biến điện dung) cho phép người sử dụng bật tắt một nhóm đèn (rơle) hoặc một rơle từ bất kì vị trí trong tòa nhà

· Các sensor: Ocupancy sensor (sensor phát hiện người), sensor đo độ sáng và nhiệt độ

Các thành phần này liên kết với nhau bằng kết nối không dây Ngoài ra để hệ thống có tính mở chúng tôi thiết kế thêm đầu ra RS485 hỗ trợ Modbus cho panel chấp hành mLCP-8 Kết nối RS485 sẽ rất hữu dụng trong các trường hợp mà truyền thông không dây không thể phủ tới được

Dưới đây là mô hình tổng thể một hệ thống điều khiển chiếu sáng của đề tài:

Hình 13: Mô hình hệ thống điều khiển chiếu sáng của thiết kế

Đứng dưới góc độ cấu trúc mạng sensor không dây, từ chức năng của các phần tử

ta có thể thấy các nút TouchLight, sensor phát hiện người, sensor độ sáng, nhiệt độ có thể coi là các nút sensor (sensor node) Còn các nút mLCP-8 có thể coi là các nút sensor/actuator

Dưới đây chúng tôi đưa ra bảng phân chia chức năng và đặc điểm của từng nút, qua đó sẽ đưa ra giải pháp thiết kế cho phù hợp:

STT Tên nút Vai trò Đặc điểm Giải pháp thiết kế

Có duy nhất một nút trong mạng

Đặt cố định, ít khi thay

Chạy bằng nguồn AC (dùng adapter) nên không cần tối ưu năng lượng

đổi vị trí Rất quan trọng trong hệ thống

Có thể phải thiết kế dự phòng

Nút sensor/actuator

Đóng vai trò như một bộ điều khiển tại chỗ

Có nhiều nút trong mạng

Điều khiển thiết bị công suất

Lắp đặt cố định

Chạy bằng nguồn AC nên không cần tối ưu năng lượng

Cần có giải pháp chống nhiễu và nâng cao độ bền vững của thiết bị

Dễ dàng thay đổi vị trí (có thể là loại cầm tay)

Chạy bằng pin Tối ưu năng lượng (cả phần cứng lẫn phần mềm)

Lắp đặt cố định song phải dàng thay đổi vị trí lắp đặt

Chạy bằng pin Tối ưu năng lượng (cả phần cứng lẫn phần mềm)

Có nhiều nút trong mạng

Lắp đặt cố định song phải dàng thay đổi vị trí lắp đặt

Chạy bằng pin Tối ưu năng lượng (cả phần cứng lẫn phần mềm)

Bảng 7: Bảng phân chia chức năng cho các nút

Cũng giống như các hệ thống chiếu sáng thương mại khác, hệ thống điều khiển chiếu sáng do đề tài thiết kế cũng có thể mở rộng hoặc tích hợp với hệ tự động hóa tòa nhà thông qua giao các bộ chuyển đổi (gateway) Việc sử dụng các bộ chuyển đổi giao thức sang Ethernet giúp hệ có thể thực hiện điều khiển qua mạng máy tính

Trong phạm vi của đề tài thực hiện chỉ trong 1 năm, cũng như theo kế hoạch

đã đăng ký (5 nút) chúng tôi giới hạn tiến hành thiết kế chế tạo một số nút sau :

· 01 bộ (nút) điều khiển trung tâm DTC

· 01 bộ (nút) điều khiển khu vực mLCP-8 cho phép điều khiển 16 Rơle, 8 kênh PWM, 8 công tắc bật tắt bằng tay

Hình 14: Các nút sẽ thiết kế

Hình 15: Sơ đồ một hệ thống mở rộng

Trong quá trình thiết kế, có một số vấn đề kĩ thuật quan trọng mà đề tài phải giải quyết

đó là:

· Xây dựng giải pháp phần cứng công suất thấp (low power) Điều này vô cùng quan trọng trong thiết kế vì một số phần tử của hệ thống bao gồm các nút sensor đều chạy bằng pin

· Kỹ thuật hóa bài toán trên nền công nghệ truyền thông không dây

Đối với các hệ sensor không dây, do có tính gắn kết rất cao giữa phần cứng và phần mềm nên việc trình bày bóc tách ra thành phần cứng và phần mềm tương đối khó Một số vấn đề của phần cứng chỉ có thể được làm rõ trong phần thiết kế phần mềm Trong chương 3 sẽ mô tả chi tiết hơn hoạt động và phần mềm cho từng nút

2.2 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG DTC

Qua tham khảo các hệ thương mại, phần lớn các bộ điều khiển tập trung đều có một số các đặc điểm sau:

· Có giao diện tại chỗ (thông thường là LCD dạng ký tự và bàn phím)

· Có bộ nhớ RAM lớn

· Có kết nối bus công nghiệp (tùy hãng)

· Có đồng hồ thời gian thực

Trong thiết kế của đề tài, do nút DTC là nút chính nên phải nuôi bằng nguồn AC

Vì vậy các vấn đề thiết kế tối ưu mạch điện công suất thấp không cần phải đặt ra Trên cơ sở các phân tích chúng tôi đưa ra thiết kế bộ DTC trên nền vi xử lý ATMEGA128 Thiết bị bao gồm 3 phần chính được kết nối với nhau thông qua giao diện nối tiếp:

· Khối xử lý trung tâm: gồm vi điều khiển ATMEGA128 (128K Flash, 4K SRAM, 4K EEPROM), bộ nhớ ngoài 128K, I2C RTC

· Khối hiển thị trên cơ sở module màn hình đồ họa cảm ứng LCD (đã có 4M bộ nhớ flash)

· Khối giao tiếp bao gồm phần giao tiếp RS485 và phần giao tiếp với module truyền thông Zigbee

Latch LS373

RAM (128K)

RTC

Wireless

eeprom Convert

RS485

(OPTIONAL)

Power supply

ATMEGA 128

TOUCH SCREEN 4Mb Memory

Main module

Hình 16: Sơ đồ khối bộ DTC

Module Wireless được thiết kế dựa trên nền thiết kế mẫu nền tảng Zigbee của Atmel cho phép việc xây dựng phần cứng trở nên dễ dàng hơn Sơ đồ khối của module này như hình dưới:

SPI AT86RF230

RF Tranceiver Chip Antenna

To Main Module

5V

Hình 17: Sơ khối module Wireless

Phần lõi của module không dây là vi xử lý ATMEGA1281 Đây là một vi xử lý công suất thấp với bộ nhớ chương trình tới 256K và RAM 16K và tương thích hoàn toàn với ATMEGA128 về mặt cấu hình Sở dĩ phải sử dụng ATMEGA1281 vì stack Zigbee (Zigbee PRO) tương đối lớn tới 80K chương trình

Các thông số đặc trưng của module không dây:

· Sử dụng hai chip anten cân bằng

· Nguồn 5V

· Công suất phát sóng 3dBm

· Công suất tiêu thụ thấp

· Bộ nhớ flash 128KB, RAM 8KB, EEPROM 4KB

Tùy theo từng nhà sản xuất mà các panel có thể có một hoặc nhiều chức năng khác nhau Có nhà sản xuất chế tạo panel rơle, panel công tắc (switch panel), panel điều khiển độ sáng thành các panel riêng rẽ Cũng có nhà sản xuất kết hợp nhiều chức năng lên cùng một panel (rơle, công tắc và điều khiển độ sáng) Mỗi một panel thường

có số đầu ra điều khiển là chẵn như 1,4,8,16,24,48

Các panel điều khiển cũng tùy mức độ mà có thể lập trình tại chỗ hoặc từ xa thông qua các giao thức như Modbus, Lonworks hay Bacnet

Tóm lại, các panel đều có một đặc điểm chung là gồm có 2 phần: phần “bộ não”

và phần công suất

Transformer

1 2

Local Switches

3 4 4 4 5

8

Programmable Relay Scanner

1 2 3 4 5 8

1

Master Switch

White Blue

1

1

1

1

Panel 1 T

SW

Floor Master Switch

Relay Scanner

Panel 2 T

SW

Floor Master Switch

Relay Scanner

Panel 3 T

SW

Floor Master Switch

Relay Scanner

Transformer for Global Controls

Global Override Switch

Global Timer

Tr

Multi-panel, Multi-relay Switching

Hình 19: Sơ đồ mạng các panel (Douglas)

Để dễ dàng hơn cho việc chế tạo cũng như thử nghiệm, nhóm thực hiện đề tài lựa chọn mô hình xây dựng bộ điều khiển tại chỗ theo kiểu kết hợp nhiều chức năng lên một panel Nút sẽ được thiết kế với một số chức năng kỹ thuật chính sau:

Nút mLCP-8 do đề tài thiết kế cũng gồm 4 phần chính:

· Phần xử lý xây dựng trên nền tảng của vi điều khiển ATMEGA128 và các đầu vào ra lập trình được trên cơ sở vi mạch mở rộng I/O dạng nối tiếp SPI MCP23S17

· Phần truyền thông gồm 2 phần, phần truyền thông RS485 và phần truyền thông không dây Module truyền thông không dây được xây tương tự như module truyền thông của bộ DTC

· Phần giao diện người sử dụng bao gồm các đèn LED và phím ấn, cho phép người sử dụng có thể tác động cũng như lập trình một số chức năng tại chỗ

· Phần công suất bao gồm các đầu ra công suất dạng rơle Các đầu ra công suất cho điều khiển độ sáng dạng PWM sẽ được thực hiện khi có điều kiện

Hình 20: Sơ đồ khối của nút mLCP-8

2.4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO NÚT TOUCHLIGHT (công tắc điều khiển dạng cảm ứng)

Thông thường các vùng ánh sáng có thể được điều khiển thông qua các scene (hoặc zone) Ở một số hệ thống điều khiển chiếu sáng, để thuận tiện cho người sử dụng, người ta còn thiết các bộ điều khiển từ xa hoặc (thực chất là các công tắc) điều khiển từ xa để tắt, bật một hoặc một nhóm các đèn Các công tắc này phần lớn là sử dụng sóng hồng ngoại và sóng vô tuyến