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

Bộ công thơng 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 Mã số: 187.08RD/HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: Ths. Trần Văn Tuấn Hà Nội-12.2008 BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA o0o 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 Mã số: 187.08RD/HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: Ths. Trần Văn Tuấn Cán bộ tham gia: ThS. Trần Văn Tuấn KS. Tạ Văn Nam ThS. Nguyễn Tuấn Nam KS. Bùi Đức Thắng ThS. Phạm Thùy Dung Hà Nội 2008 BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA o0o ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 1 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 sáng ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 2 - Nghiên cứu xây dựng giải pháp điều khiển chiếu sáng ứng dụng cho các phân xưởng sản xuất, tòa nhà … ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 3 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 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 4 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHỤ LỤC 69 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 5 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 49: Cài đặt các chức năng 53 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 6 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 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 7 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 [...]... 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. .. 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. .. 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. .. 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. .. nó dùng kiểu wireless Chỉ phù hợp với các ứng dụng không dây 18 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 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... nhà · 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... CB 187.08RD/HĐ-KHCN 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... 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 ứng chiếu sáng đặc biệt 10 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 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... 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. .. ) 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 . thơng 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:. 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 Mã số: 187.08RD/HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: Ths 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