IOT for energy efficiency

Sự phát triển của Internet of Things (IoT) đã cách mạng hóa các hệ thống quản lý năng lượng để sử dụng năng lượng thích hợp. IoT được coi là đóng vai trò nòng cốt trong việc biến các hệ thống quản lý năng lượng này thông minh hơn trong tương lai sắp tới. Mỗi thiết bị có thể được kết nối với một mạng và nhiều thông tin có thể được thu thập từ các thiết bị được kết nối này.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN MÔN HỌC: HỆ THỐNG QUẢN LÝ NHÀ THÔNG MINH Đề tài: IOT for energy efficiency G.v hướng dẫn: PGS.TS Nhóm sinh viên thực hiện: (Nhóm 7) HÀ NỘI 2022 LỜI MỞ ĐẦU Với trọng tâm tồn cầu tính bền vững tác động đến môi trường, nhu cầu lượng tái tạo ngày tăng Nhưng việc nắm bắt nguồn lượng đòi hỏi khả từ hệ thống quản lý việc sản xuất, phân phối tiêu thụ Sự phát triển Internet of Things (IoT) cách mạng hóa hệ thống quản lý lượng để sử dụng lượng thích hợp IoT coi đóng vai trị nịng cốt việc biến hệ thống quản lý lượng thông minh tương lai tới Mỗi thiết bị kết nối với mạng nhiều thơng tin thu thập từ thiết bị kết nối Nhiều chuyên gia khuyến nghị hệ thống giám sát thời gian thực dựa IoT để mang lại việc sử dụng lượng tối ưu Nhưng vấn đề quản lý lượng sử dụng lượng tối ưu nhiều khía cạnh thế, cịn phụ thuộc vào ý thức người, quy trình, sác lượng quốc gia Trong khuôn khổ báo cáo nhóm đưa vài phương pháp triển khai giám sát điện lựa chọn thiết bị cho tòa nhà để tối ưu lượng sử dụng đồng thời đảm bảo hiệu tiện nghi cho tịa nhà Với hướng dẫn nhiệt tình Thầy chúng em tiếp thu nhiều kiến thức, thơng qua tìm hiểu nghiên cứu chúng em đưa số nhận định mô Hệ thống tối ưu lượng cho Hệ thống nhà thông minh Do hạn chế kiến thức nên báo cáo chúng em có thiết sót mong thầy bỏ qua đưa góp ý để chúng em cải thiện thời gian tới Nhóm chúng em chân thành cảm ơn Thầy nhiều nhiệt tình hướng dẫn chúng em! Báo cáo chúng em gồm Chương, liệt kế sau: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IBMS VÀ IOT CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PMS CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO TỊA NHÀ THƠNG MINH CHƯƠNG 5: PHẦN MỀM QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .2 MỤC LỤC .3 DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IBMS VÀ IOT 1.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÒA NHÀ (BMS) .7 1.1.1 Giới thiệu chung hệ thống BMS 1.1.2 Khái niệm hệ thống quản lý tòa nhà 1.1.3 Mục tiêu BMS (Hệ thống quản lý tòa nhà) 1.1.4 Cấu trúc hệ thống tự động hóa tòa nhà BMS .8 1.1.5 Các hệ thống tự động tòa nhà 10 1.1.6 Yêu cầu hệ thống tự động hóa tịa nhà 10 1.1.7 Một số lợi ích hệ thống BMS vào điều khiển tòa nhà 11 1.1.8 Định hướng phát triển tương lai hệ thống tự động hóa tòa nhà .12 1.2 TỔNG QUAN INTERNET OF THINGS – IOT .12 1.2.1 Định nghĩa Internet vạn vật 12 1.2.2 Các thành tố Internet of Things 13 1.2.3 Kiến trúc hệ thống IoT .13 1.2.4 Giao thức kết nối IoT 18 1.2.5 Ứng dụng IoT 20 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PMS 22 2.1 Giới thiệu hệ thống PMS 22 2.2 Cấu trúc hệ thống PMS .22 2.3 Đặc điểm hệ thống Power Management System .26 2.4 Tính hệ thống PMS 27 2.5 Lợi ích hệ thống PMS .29 CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG 30 3.1 Giả thiết toán – Sơ đồ hệ thống 30 3.1.1 Giả thiết toán 30 3.1.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống 33 3.2 Lưu đồ thuật toán .34 3.3 Chọn thiết bị 35 3.3.1 Thiết bị đo 36 3.3.2 Thiết bị đóng cắt 37 3.3.3 Thiết bị điều khiển 38 3.4 Mạng truyền thông hệ thống BMS 40 3.4.1 Giới thiệu truyền thông qua RS-485 41 3.4.2 Giao thức truyền thông .47 3.4.3 Truyền thông mạng không dây 50 3.5 Thiết kế giao diện Win CC .51 CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO TỊA NHÀ THƠNG MINH 56 4.1 Hệ thống chiếu sáng cho tòa nhà chung cư .56 4.2 Lựa chọn thang máy cho smart building 57 4.3 Hệ thống bơm thoát nước cho tòa nhà .58 4.4 Lựa chọn thiết bị cảm biến cho Smart Building .58 4.4.1 Cảm biến cửa 59 4.4.2 Rèm cửa sổ thông minh 60 4.4.3 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm 60 4.4.4 Cảm biến khói, lửa 61 4.4.5 Cảm biến vân tay 62 4.4.6 Cảm biến chuyển động .62 4.4.7 Bộ điều khiển trung tâm 63 4.4.8 Hệ thống giám sát thông minh 64 CHƯƠNG 5: PHẦN MỀM QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG .74 5.1 Powermanager 74 5.2 Powerconfig .75 5.3 Hệ điều hành MindSphere .77 5.4 Hệ thống PMS Siemens tích hợp hệ điều hành MindSphere 78 CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG 79 6.1 Giới thiệu phần mềm cisco packet tracer 79 6.2 Thiết kế nhà thông minh 79 6.2.1 Kết nối thiết bị với Home Gateway 81 6.2.2 Tự động hóa thiết bị IoT .83 6.2.3 Cấu hình cho thiết bị cài đặt ISP router 88 6.2.4 Cách cấu hình cho thiết bị tới HomeGateway Iot Server .90 6.2.5 Đăng nhập, điều khiển thiết bị thông qua Web Browser 90 6.3 Sơ đồ mô tịa nhà thơng minh 93 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN .95 DANH MỤC HÌNH ẢNH HÌNH 1 MƠ HÌNH QUẢN LÝ TỊA NHÀ THƠNG MINH .7 HÌNH CÁC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HĨA TRONG TÒA NHÀ 10 HÌNH CÁC THÀNH TỐ CỦA INTERNET OF THINGS 13 HÌNH MƠ HÌNH THAM CHIẾU LỚP .14 HÌNH MƠ HÌNH THAM CHIẾU LỚP .15 HÌNH MƠ HÌNH CÁC PHƯƠNG THỨC KẾT NỐI TRONG IOT 18 HÌNH CẤU TRÚC MẠNG ETHERNET ĐƠN GIẢN 23 HÌNH 2 CẤU TRÚC MẠNG ĐẦY ĐỦ CỦA PMS 23 HÌNH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG PMS .25 HÌNH SƠ ĐỒ TỔNG QUAN HỆ THỐNG 26 HÌNH SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT HỆ THỐNG 33 HÌNH LƯU ĐỒ THUẬT TỐN 35 HÌNH 3 THIẾT BỊ PAC 4200 .36 HÌNH MODUL MỞ RỘNG 7KM PAC RS485 37 HÌNH THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT ACB 3WL 37 HÌNH THIẾT BỊ ĐĨNG CẮT MCCB 3VA2 38 HÌNH PLC S7-1200 38 HÌNH MODUL MỞ RỘNG SM 1222 39 HÌNH PHẦN MỀM POWERMANAGER .40 HÌNH 10 KIỂU TRUYỀN CÂN BẰNG DÂY .41 HÌNH 11 TÍN HIỆU TRÊN DÂY CỦA HỆ THỐNG CÂN BẰNG 42 HÌNH 12 CẶP DÂY XOẮN TRONG RS485 42 HÌNH 13 CÁCH XÁC ĐỊNH ÁP KIỂU CHUNG 43 HÌNH 14 TRUYỀN RS485 KHI THAM CHIẾU VỚI ĐẤT 43 HÌNH 15 CÁCH ĐẶT ĐIỆN TRỞ ĐẦU CUỐI RT TRONG RS485 VÀ TÍN HIỆU RS485 THU ĐƯỢC TƯƠNG ỨNG VỚI GIÁ TRỊ ĐIỆN TRỞ RT .44 HÌNH 16 PHÂN CỰC CHO ĐƯỜNG TRUYỀN RS485 45 HÌNH 17 NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG TRUYỀN THÔNG RS485 KẾT NỐI 32 THIẾT BỊ 46 HÌNH 18 TỐC ĐỘ BAUD RS485 TRUYỀN TRÊN DÂY CÁP TÍN HIỆU LÀ GÌ ? ĐÁP ỨNG NHANH HAY CHẬM 46 HÌNH 19 MƠ HÌNH OSI RÚT GỌN .48 HÌNH 20 GIAO DIỆN PAGE MENU 52 HÌNH 21 GIAO DIỆN GIÁM SÁT DÒNG ĐIỆN, ĐIỆN ÁP, TẦN SỐ 53 HÌNH 22 GIAO DIỆN GIÁM SÁT CÔNG SUẤT TIÊU THỤ VÀ HỆ SỐ CÔNG SUẤT PF CỦA HỆ THỐNG 53 HÌNH 23 GIAO DIỆN GIÁM SÁT TỔNG SÓNG HÀI 54 HÌNH 24 GIAO DIỆN GIÁM SÁT CÔNG SUẤT NHẬN VÀ PHÁT 54 HÌNH 25 GIAO DIỆN GIÁM SÁT HỆ THỐNG MÁY BƠM 55 HÌNH THANG MÁY NEXIEZ MR 58 HÌNH CẢM BIẾN CỬA AQUARA .59 HÌNH PIN CR1632 59 HÌNH 4 THANH TREO RÈM CHO ĐỘNG CƠ AQARA 60 HÌNH CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM AQARA TEMPERATURE AND HUMIDITY SENSOR 60 HÌNH PIN CR2032 61 HÌNH CẢM BIẾN KHĨI – BÁO CHÁY ZIGBEE XIAOMI AQARA 61 HÌNH KHĨA CỬA VÂN TAY XIAOMI AQARA N200 62 HÌNH CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG AQARA 63 HÌNH 10 BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM ZIGBEE 63 HÌNH 11 CAMERA AQARA G2H CH-H01 AI FULL HD 1080P 64 HÌNH 12 VỊNG TUẦN HỒN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA TRUNG TÂM CHILLER 66 HÌNH 13 MAGNETIC BEARING CENTRIFUGAL LIQUID CHILLER .69 HÌNH 14 R-410A J XP PRO RTU 70 HÌNH 15 FAN COIL .71 HÌNH GIAO DIỆN GIÁM SÁT VÀ PHÂN TÍCH DỮ LIỆU TRÊN SENTRON POWERMANAGER .74 HÌNH GIAO DIỆN TRÊN POWERCONFIG .76 HÌNH GIAO DIỆN POWERCONFIG TRÊN APP DI ĐỘNG .76 HÌNH HỆ ĐIỀU HÀNH MINDSPHERE KẾT NỐI VẠN VẬT VỚI NỀN TẢNG ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY 77 HÌNH 5 KHẢ NĂNG KẾT NỐI DỮ LIỆU CỦA MINDSPHERE 78 HÌNH LIÊN KẾT MẠNG CỦA TỊA NHÀ THÔNG MINH .81 HÌNH THIẾT BỊ IOT KẾT NỐI TỚI HOMEGATEWAY 82 HÌNH MƠ PHỎNG THIẾT BỊ IOT KẾT NỐI TỚI HOMEGATEWAY 83 HÌNH HỆ THỐNG DẬP LỬA KHI CÓ ĐÁM CHÁY 84 HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GARAGE, CỬA SỔ THÔNG QUA NỒNG ĐỘ KHÍ CO2 85 HÌNH 6 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUẠT TRẦN, CỬA SỔ THÔNG QUA NHIỆT ĐỘ 86 HÌNH HỆ THỐNG TĂNG GIẢM NHIỆT ĐỘ PHỊNG THEO NHIỆT ĐỘ MƠI TRƯỜNG 86 HÌNH SƠ ĐỒ MƠ PHỎNG TỊA NHÀ THƠNG MINH 87 HÌNH CÁCH CẤU HÌNH THIẾT BỊ 90 HÌNH 10 SƠ ĐỒ MƠ PHỎNG NHÀ THÔNG MINH 93 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IBMS VÀ IOT 1.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÒA NHÀ (BMS) 1.1.1 Giới thiệu chung hệ thống BMS Thuật ngữ BMS đời vào đầu năm 1950 Các hệ thống quản lý tòa nhà BMS phát triển ứng dụng khoảng 20-30 năm trở lại dựa sở công nghệ tự động hóa phát triển tích hợp tổng thể Hệ thống BMS đời trợ giúp cho người quản lý tòa nhà hiệu kinh tế Tuy vốn ban đầu đầu tư cho thiết bị phần mềm không nhỏ, so với chi phí khai thác lâu dài hiệu kinh tế Chúng ta tham khảo tòa nhà lớn sân bay Stuttgart Đức, nhà băng Credit Suisse First Boston anh, Capital Tower hang sản xuất đĩa cứng Seagate Singapore…Các tòa nhà trang bị hệ thống BMS Siemens khai thác hiệu kinh tế Hình 1 Mơ hình quản lý tịa nhà thông minh 1.1.2 Khái niệm hệ thống quản lý tịa nhà Hệ thống quản lý tồ nhà (BMS): hệ thống toàn diện thực điều khiển, quản lý nhiều thiết bị khác nhà Hệ thống giám sát trung tâm theo dõi trạng thái hoạt động bắt lỗi thiết bị gồm đèn chiếu sáng, thang máy, hệ thống phòng cháy thiết bị an ninh kiểm soát vào xâm nhập hệ thống từ cổng người dùng Với phát triển máy tính cơng nghệ thơng tin kỹ thuật số, thiết bị điều khiển tự động hệ thống điều hịa khơng khí tích hợp với thiết bị trung tâm để theo dõi điều khiển tất thiết bị nhà 1.1.3 Mục tiêu BMS (Hệ thống quản lý tòa nhà) Là tập trung hóa đơn giản hóa việc giám sát, vận hành quản lý tòa nhà BMS cho phép nâng cao hiệu suất tòa nhà cách giảm chi phí nhân cơng, chi phí lượng cung cấp môi trường làm việc thoải mái an toàn cho người 1.1.4 Cấu trúc hệ thống tự động hóa tịa nhà BMS Trong cấu trúc chia làm cấp : 1.1.4.1 Cấp điều khiển khu vực – cấp trường: Các điều khiển cấp độ khu vực điều khiển sử dụng vi xử lý, cung cấp chức điều khiển số trực tiếp cho thiết bị khu vực, bao gồm hệ thống như: VAV, bơm nhiệt, điều hịa khơng khí cục bộ, Hệ thống phần mềm quản lý lượng tích hợp điều khiển cấp khu vực Ở cấp khu vực, cảm biến cấu chấp hành giao diện trực tiếp với thiết bị điều khiển Các điều khiển cấp khu vực nối với đường bus, chia sẻ thơng tin cho với điều khiển cấp điều khiển hệ thống cấp điều hành Đây cấp bao gồm thiết bị trường nhà: Chiller, AHU, FCU, VAV valve, cảm biến, cấu chấp hành…, hệ thống bơm, đèn chiếu sáng… Hệ thống BMS ALC hỗ trợ mạnh việc kết nối với thiết bị trường Rất nhiều nhà cung cấp thiết bị trường khác hồn tồn kết nối vào hệ thống cách dễ dàng 1.1.4.2 Cấp điều khiển hệ thống: Các điều khiển hệ thống có khả lớn so với điều khiển cấp khu vực số lượng điểm vào ra, vòng điều chỉnh chương trình điều khiển Các điều khiển hệ thống thường áp dụng cho ứng dụng lớn hệ thống điều hòa trung tâm, hệ thống máy lạnh trung tâm, Các điều khiển hệ thống hoạt động độc lập trường hợp bị truyền thông với trạm vận hành Đây cấp bao gồm Router hệ thống điều khiển kết nối với Router hệ thống làm nhiệm vụ truyền thông DDC với server cấp quản lý giám sát Mọi thông số hệ thống DDC cập nhật lên Server hệ thống giúp cho người vận hành, nhà Quản lý thực giám sát điều khiển toàn tham số cho hệ thống DDC (Digital Direct Controller) điều khiển số, chứa chương trình điều khiển thực điều khiển giám sát cho hệ thống thơng qua chương trình tham số đo đếm từ cảm biến cấp  Đặc điểm : Truyền thông DDC lớp mạng ARCnet 146 kbps, BACnet MS/TP 76.8 kbps… Tốc độ truyền thơng lựa chọn cho phù hợp với yêu cầu kỹ thuật thiết bị sử dụng hệ thống Router hệ thống cịn kết nối với thiết bị nhà sản xuất khác BACnet thông qua cổng kết nối Third Party Điều khiến cho hệ thống BMS ALC có khả tích hợp “Mở” Rất nhiều nhà sản xuất thiết bị kết nối với hệ thống thông qua nhiều chuẩn khác nhau: Modbus, LONwork, N2… Điều loại bỏ hẳn phụ thuộc hệ thống vào nhà cung cấp giảm chi phí tích hợp hệ thống Các DDC thiết kế theo kiểu modul tiện cho việc mở rộng, thay hay nâng cấp trường hợp cần thiết 1.1.4.3 Cấp vận hành giám sát Các trạm vận hành giám sát chủ yếu giao tiếp với nhân viên vận hành Một trạm vận hành thường bao gồm gói phần mềm ứng dụng sau: An toàn hệ thống: Giới hạn quyền truy cập vận hành cá nhân Xâm nhập hệ thống: Cho phép người có quyền truy cập lấy liệu hệ thống qua máy tính cá nhân thiết bị lưu trữ khác Định dạng liệu: Lắp ghép điểm liệu rời rạc vào nhóm định dạng Lập báo cáo: Có khả lập báo cáo tự động, định kỳ theo yêu cầu cảnh báo kiện, hoạt động vận hành Đồng thời cung cấp khả tóm tắt báo cáo Quản lý việc bảo trì bảo dưỡng: Tự động lập kế hoặch tạo thứ tự công việc cho thiết bị cần bảo trì dựa lịch sử thời gian làm việc kế hoạch theo niên lịch Tích hợp hệ thống: Cung cấp giao diện điều khiển chung cho hệ thống (HVAC, báo cháy, an toàn, giám sát truy nhập, ) cung cấp khả tổng hợp thông  Đặc điểm:  Truyền thông lớp BACnet IP 100Base T-Ethernet với tốc độ truyền 10/100Mbps đảm bảo việc truy cập hệ thống với tốc độ cao  Server hệ thống chạy nhiều hệ điều hành Window, Linux, Solari  Có thể truy cập vào hệ thống thơng qua mạng LAN tồ nhà hay qua đường truyền Internet không giới hạn trạm vận hành 1.1.4.4 Cấp quản lý Cấp quản lý cấp cấu trúc hệ thống BMS Một người vận hành cấp độ lấy liệu lệnh cho điểm hệ thống Toàn chức cấp điều hành số trường hơp khẩn cấp chuyển cấp quản lý Chức cấp quản lý thu thập, lưu trữ xử lý liệu lịch sử lượng sử dụng, chi phí vận hành cảnh báo tạo báo cáo để cung cấp công cụ cho trình quản lý việc sử dụng thiết bị lâu dài 1.1.5 Các hệ thống tự động tòa nhà Việc phân chia hệ thống tự động hóa tịa nhà thành phần nhỏ khác thuộc vào quan điểm nhà tích hợp hệ thống Việc phân chia có tính tương đối tất thiết bị tòa nhà nằm hệ thống thiết bị làm hai hay nhiều chức tịa nhà Ta phân chia hệ thống tự động hóa tịa nhà hình vẽ: Hình Các hệ thống tự động hóa tòa nhà 1.1.6 Yêu cầu hệ thống tự động hóa tịa nhà Hệ thống tự động hóa tịa nhà nhằm đảm bảo môi trường làm việc an tồn hiệu hệ thống tự động hóa tịa nhà cần phải đảm bảo:  Hệ thống phải đảm bảo theo dõi, cảnh báo, điều khiển, giám sát theo thời gian thực