nghiên cứu các chuẩn truyền thông và xây dựng một ứng dụng cho hệ thống giám sát, điều khiển, điều hành tòa nhà cao tầng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN ĐẮC HẢI NGHIÊN CỨU CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG VÀ XÂY DỰNG MỘT ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN, ĐIỀU HÀNH TÒA NHÀ CAO TẦNG Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Phạm Mạnh Thắng Hà Nội - 2010 Trang - - 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ những nội dung và số liệu trong luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu các chuẩn truyền thông và xây dựng một ứng dụng cho hệ thống giám sát, điều khiển, điều hành tòa nhà cao tầng” là do tôi tự nghiên cứu và thực hiện. Học viên thực hiện luận văn Nguyễn Đắc Hải Trang - - 3 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn quí thầy cô trường Đại học Công nghệ- Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Phạm Mạnh Thắng đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, t ôi rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn. Hà Nội, tháng 05 năm 2010 Học viên Nguyễn Đắc Hải Trang - - 4 MỤC LỤC Trang phụ bìa 1 Lời cam đoan 2 Lời cảm ơn 3 Mục lục 4 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6 Danh sách các bảng 7 Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8 Mở đầu 10 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BMS 1.1. Giới thiệu chung 13 1.2. Các phân hệ trong hệ thống BMS 14 1.2.1. Quản lý vào/ ra trong tòa nhà 15 1.2.1.1. Thành phần của một hệ thống RFID 15 1.2.1.2. Hoạt động của hệ thống RFID 16 1.2.2. Hệ thống báo cháy 16 1.2.2.1. Cách nhận biết và báo cháy 16 1.2.2.2. Các bộ phận chính của hệ thống 17 1.2.3. Hệ thống thang máy 19 1.2.4. Hệ thống điều hoà trung tâm 20 1.2.5. Máy phát điện 21 1.2.6. Hệ thống điện 21 CHƯƠNG 2. MỘT SỐ CHUẨN VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG BMS 2.1. Mạng truyền thông trong hệ thống BMS 23 2.2. Một số chuẩn truyền thông 23 2.2.1. Giới thiệu về truyền thông qua chuẩn RS232 23 2.2.2. Giới thiệu về truyền thông qua chuẩn RS-485 28 2.3. Giao thức truyền thông 35 2.3.1. Giới thiệu giao thức truyền thông BACnet 35 2.3.2. Giao thức mạng Ethernet 35 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MỘT HỆ THỐNG THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG BMS 3.1. Mục tiêu của đề tài 36 Trang - - 5 3.2. Cấu hình hệ thống 36 3.3. Thiết kế phần cứng của hệ thống 37 3.3.1. Giới thiệu tổng quan họ vi điều khiển AVR 37 3.3.2. Giới thiệu vi điều khiển AVR Atmega 128 38 3.3.2.1. Sơ đồ chân 38 3.3.2.2. Cấu trúc bộ nhớ 39 3.3.2.3. Cổng vào ra 46 3.3.2.4. Bộ định thời 50 3.3.2.5. Cấu trúc ngắt 75 3.3.3. Giới thiệu vi điều khiển AVR Atmega8 82 3.3.3.1. Giới thiệu chung 82 3.3.3.2. Sơ đồ chân 82 3.3.4. Cảm biến 84 3.3.5. Mạch Slaver 86 3.3.6. Mạch Master 88 3.3.7. Keyboard và LCD 90 3.4. Xây dựng phần mềm nhúng điều khiển cho hệ thống 91 3.4.1. Xây dựng phần mềm nhúng điều khiển cho mạch Slaver dùng Atmega8 91 3.4.2. Xây dựng phần mềm nhúng điều khiển cho mạch Master dùng Atmega128 92 3.5. Kết quả và khả năng ứng dụng của hệ thống 93 3.5.1. Tính khoa học 93 3.5.2. Khả năng triển khai ứng dụng vào thực tiễn 93 3.5.3. Hiệu quả kinh tế xã hội 94 Kết luận 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 Phụ lục 97 Trang - - 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ALN Application Level network – Lớp ứng dụng mạng BACnet Building Automation and Control network Protocol - Giao thức truyền thông của hệ thống điều khiển và tự động hoá toà nhà BMS Building Management System - hệ thống quản lý tòa nhà CSMA/CD Carrier-Sense Multiple Access/ Collision Detect DCE Data Communication Equipment – Thiết bị truyền dữ liệu DTE Data Terminal Equipment - Thiết bị đầu cuối HVAC Hệ thống thông gió và điều hòa không khí ISR Interrupt service routine - Trình dịch vụ ngắt OSI Open System Interconnection – Hệ thống liên kết mở PLC Power Line Communication - đường điện lưới RFID Radio Frequency Identification - Xác nhận đối tượng bằng sóng vô tuyến RI Ring indicator – Chỉ thị chuông RISC Reduced Instruction Set Computer RTS Request to send – Yêu cầu gửi TCP/IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol - Giao thức điều khiển truyền thông /Giao thức Internet UL Unit Load WGM Waveform Generation Mode Trang - - 7 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1: Một số thông số điện học của RS-232 25 Bảng 2:Các thông số quan trọng của RS-485 28 Bảng 3: Thông số của các phương pháp 34 Bảng 4: Các chân của Atmega128 39 Bảng 5: Cấu hình cho các chân cổng 48 Bảng 6: Địa chỉ các Port 50 Bảng 7: Lựa chọn tốc độ xung clock 54 Bảng 8: Lựa chọn các chế độ thực thi của bộ định thời 0 67 Bảng 9: Bảng Vector Ngắt Của ATmega128 78 Bảng 10: Điều khiển kiểu bắt mẫu ngắt trong thanh A 79 Bảng 11: Điều khiển kiểu bắt mẫu ngắt trong thanh B 80 Bảng 12: Các chân Atmega8 84 Bảng 13: Các thông số kỹ thuật của sensor JS-20 85 Trang - - 8 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1: Hình minh họa hệ thống BMS 14 Hình 2: Reader và Card 15 Hình 3: Thiết bị báo cháy 18 Hình 4: Hệ thống giám sát, đo lường sử dụng điện trong tòa nhà 21 Hình 5: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-232. 24 Hình 6: Giắc cắm RS-232 loại 9 chân 26 Hình 7: Giắc cắm RS-232 loại 25 chân 27 Hình 8: Ghép nối trực tiếp 28 Hình 9: Sơ đồ bộ kích thích ( driver ) và bộ thu ( receiver ) RS-485 29 Hình 10: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485. 30 Hình 11: Định nghĩa một tải đơn vị. 30 Hình 12: Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn 31 Hình 13: Cấu hình mạng RS – 485 hai dây 32 Hình 14: Dây xoắn đôi 32 Hình 15: Cấu hình mạng RS-485 sử dụng 4 dây 33 Hình 16: Các phương pháp chặn đầu cuối RS-485. 34 Hình 17: Sơ đồ khối hệ thống 37 Hình 18: Sơ đồ chân 38 Hình 19: Bộ nhớ chương trình có và không có sử dụng boot loader 40 Hình 20: Vùng nhớ 64 thanh ghi vào ra có 2 cách chọn địa chỉ 42 Hình 21: Chức năng con trỏ của các thanh ghi R26 –R31 42 Hình 22: Tóm tắt bản đồ bộ nhớ ATmega128 46 Hình 23. Sơ đồ một cổng vào ra 49 Hình 24: Sơ đồ khối bộ định thời 1 (3) 51 Hình 25: Thanh ghi TEMP 56 Hình 26: Ngõ ra khối Compare Match Output Unit 65 Hình 27: Sơ đồ khối bộ định thời 0 66 Hình 28: Sơ đồ khối bộ định thời 2 72 Hình 29: Sơ đồ chân Atmega8 83 Hình 30: Hình ảnh cảm biến JS- 20 Largo Pir 84 Hình 31: Khoảng cách và góc quét của JS-20 85 Hình 32: Sơ đồ nguyên lý mạch Slave 86 Hình 33: Sơ đồ mạch PCB của mạch slave 87 Trang - - 9 Hình 34: Sơ đồ nguyên lý mạch Master 88 Hình 35: Sơ đồ mạch PCB của mạch Master 89 Hình 36: Mạch điện điều khiển của mạch Master 89 Hình 37: Sơ đồ mạch PCB của LCD Keyboad 90 Hình 38: Mạch điện điều khiển của Keyboad và LCD 91 Hình 39: Sơ đồ khối hoạt động của mạch Slave 91 Hình 40: Sơ đồ khối hoạt động của mạch Master 92 Hình 41: Hình ảnh của hệ thống 98 Trang - - 10 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, cùng với không khí hội nhập kinh tế quốc tế của Việt nam, quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa của đất nước đã có những bước phát triển rất nhanh. Một trong những bước thành công đó là qui mô đô thị hóa với hàng loạt các công trình kiến trúc đồ sộ đã và đang được xây dựng trên mọi miền của tổ quốc, góp phần cho sự phát triển kinh tế. Trong các công trình kiến trúc đồ sộ đó không thể không kể đến các tòa nhà cao tầng mới được xây dựng ở Việt Nam. Các tiêu chí đánh giá chất lượng các tòa nhà cao tầng đó liên quan đến các mặt kiến trúc, kết cấu xây dựng, tiện nghi, độ an toàn, độ tin cậy, tính kinh tế và tính hiện đại của tòa nhà. Hầu hết các tòa nhà này hiện đều được trang bị hệ thống điều khiển và quản lý tòa nhà BMS (Building Management System) như ở các nước công nghiệp. Chỉ có trên cơ sở hệ thống BMS này mà các chuyên gia mới có thể đánh giá chất lượng của các tòa nhà đạt tiêu chuẩn hay không đạt tiêu chuẩn quản lý hiện đại.[14] Các tiêu chí liên quan đến hệ thống BMS bao gồm các thành phần giám sát và báo động, các hệ thống thành phần quản lý năng lượng và hệ thống thông tin. Khi được trang bị như vậy, tất cả các hệ thống thành phần đó ngoài việc có khả năng hoạt động độc lập thì cần phải được điều khiển tập trung nhằm cho phép tăng độ an toàn, tính bền vững và ổn định của toàn hệ thống. Hệ thống tổng thể cần được thiết kế sử dụng khả năng tích hợp các hệ thống thành phần trên cơ sở một hệ thông tin liên tục, không bị gián đoạn, có được tốc độ xử lý dữ liệu đủ cao nhằm tăng tính tin cậy và hiệu quả sử dụng. Thực tế phát triển như vũ bão của Công nghệ thông tin trong những năm gần đây đã cho thấy: hệ thống kể trên hoàn toàn có thể thực hiện được tốt trên cơ sở nghiên cứu tích hợp các hệ thống thành phần qua các kênh thông tin được tích hợp với nhau như dùng kết nối các đường dây chuyên dụng truyền thống, các kênh thông tin vô tuyến (wireless), dùng ngay mạng điều khiển qua đường điện lưới PLC (Power Line Communication) hoặc dùng mạng máy tính (computer network), mạng điện thoại di động (mobile network) hoặc thậm chí cả mạng Internet.[15] Các hệ thống quản lý tòa nhà BMS được phát triển và ứng dụng khoảng 20- 30 năm trở lại đây dựa trên cở sở công nghệ tự động hóa phát triển và tích hợp tổng thể. Hệ thống BMS ra đời trợ giúp cho việc quản lý các tòa nhà rất hiệu quả và kinh tế. Tuy vốn ban đầu đầu tư cho thiết bị và các phần mềm quản lý là không nhỏ, nhưng so với chi phí khai thác lâu dài thì rất hiệu quả và kinh tế. Chúng ta có thể [...]... quan về hệ thống BMS: Giới thiệu tổng quan về hệ thống BMS, các phân hệ trong hệ thống BMS Chương 2 – Một số chuẩn và giao thức truyền thông ứng dụng trong hệ thống BMS: Trình bày mạng truyền thông trong hệ thống BMS, một số chuẩn truyền thông, giao thức truyền thông sử dụng trong hệ thống BMS Chương 3 – Thiết kế một hệ thống thành phần trong hệ thống BMS: Trình bày mục tiêu của đề tài, xây dựng cấu... động, - Hệ thống quản lý năng lượng, - Hệ thống thông tin Ba nhóm này đặc trưng cho hệ thống BMS cho các tòa nhà cao tầng Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà ba nhóm hệ thống trên được trang bị cho các tòa nhà hay không.[15] 1.2.1 Quản lý vào/ra trong tòa nhà Để quản lý vào/ra tại các cửa trong tòa nhà bằng thẻ sử dụng công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) Công nghệ RFID là công nghệ xác nhận... bị hệ BMS này, các tòa nhà đã khai thác rất hiệu qủa khả năng quản lý giám sát và báo hiệu các sự cố của hệ thống HVAC (Hệ thống thông gió và điều hòa không khí) và tiết kiệm được 50% năng lượng điện tiêu thụ cho hệ thống so với trước khi lắp đặt hệ thống BMS.[14] Bên cạnh việc sử dụng điện năng cho các hoạt động của tòa nhà (Hệ thống điều hòa, vận hành thang máy,…) thì việc sử dụng điện năng cho điều. .. đây, hệ thống thang máy đã trở thành một hệ thống quan trọng và hệ thống này thường đi kèm với một phần mềm trên máy PC để giám sát và điều khiển Hệ thống này cũng sẽ cung cấp một cơ chế giao tiếp để cho các nhà tích hợp như BMS để truy nhập và lấy thông tin Một giao tiếp mức cao sẽ được cung cấp cho hệ thống điều khiển thang máy và thang trung tâm Thông qua giao diện này, hệ thống BMS sẽ có thể giám. .. đề an ninh, hệ thống sẽ tự động bật sáng khu vực đó về đêm hoặc chiếu sáng tăng cường trong những thời điểm nhạy cảm Xuất phát từ những ý tưởng và những tình hình thực tế như ở trên, tôi chọn đề tài: Nghiên cứu các chuẩn truyền thông và xây dựng một ứng dụng cho hệ thống giám sát, điều khiển, điều hành tòa nhà cao tầng cho luận văn tốt nghiệp Luận văn được tổ chức thành 3 chương với các nội dung... sáng - Hệ thống điều hoà và thông gió - Hệ thống cấp nước sinh hoạt - Hệ thống báo cháy - Hệ thống chữa cháy Trang - 15 - - Hệ thống thang máy - Hệ thống âm thanh công cộng - Hệ thống quản lý vào/ra (dùng công nghệ RFID) - Hệ thống an ninh - Đóng ngắt thiết bị điện - Điều khiển thiết bị điện qua công nghệ mạng di động GSM - V.v… Các hệ thống này có thể chia làm ba nhóm chính: - Hệ thống giám sát và báo... tiết của hệ thống Hệ thống BMS sẽ cung cấp màn hình đồ hoạ mô phỏng động để chỉ ra các chuyển động và trạng thái của tất cả thang máy.[12] Trang - 20 - 1.2.4 Hệ thống điều hoà trung tâm Hệ thống điều hòa trung tâm là một trong những hệ thống quan trọng nhất của tòa nhà Hệ thống này bao gồm các mạch điện cũng như các mạch điều khiển đảm bảo cho hệ thống làm việc một cách trôi chảy Thông thường các nhà cung... cấp điều hòa sẽ ưu tiên chọn các bộ điều khiển từ những nhà cung cấp mà có thể tích hợp vào hệ thống một cách dễ dàng Để tích hợp với hệ thống, các nhà cung cấp điều hòa cần phải cung cấp các thiết bị có khả năng kết nối với hệ thống bên ngoài thông qua các giao thức mở như OPC, BACNet, MODBUS hoặc LNS Việc điều khiển độ nóng, thông gió và các dịch vụ điều hoà khác thông thường đều thông qua các bộ điều. .. khảo các tòa nhà lớn ở sân bay Stuttgart của Đức, tòa nhà sinh thái ở Bỉ, nhà băng Credit Suisse First Boston ở Anh, Capital tower và hãng sản xuất đĩa cứng Seagate ở Singapore Các tòa nhà này đã được trang bị hệ thống BMS của Siemens và đã, đang được khai thác rất hiệu quả và kinh tế Các nhà cao tầng ở Việt nam đã sử dụng hệ thống BMS của Siemens Các tòa nhà: Saigon Center HCM được đưa vào sử dụng. .. MỘT SỐ CHUẨN VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG BMS 2.1 Mạng truyền thông trong hệ thống BMS Để ứng dụng được BMS, các thiết bị lắp đặt trong tòa nhà phải hỗ trợ kết nối BMS, tức là hỗ trợ các chuẩn truyền thông chuẩn như: BACnet, LonWork, Modbus hoặc hỗ trợ chuẩn tín hiệu công nghiệp 4-20mA BMS có thể điều khiển các thiết bị này qua chuẩn truyền thông Mạng thông tin của BMS chia làm . dung và số liệu trong luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu các chuẩn truyền thông và xây dựng một ứng dụng cho hệ thống giám sát, điều khiển, điều hành tòa nhà cao tầng là do tôi tự nghiên cứu và thực. CÔNG NGHỆ NGUYỄN ĐẮC HẢI NGHIÊN CỨU CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG VÀ XÂY DỰNG MỘT ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN, ĐIỀU HÀNH TÒA NHÀ CAO TẦNG Ngành: Công nghệ Điện. tưởng và những tình hình thực tế như ở trên, tôi chọn đề tài: Nghiên cứu các chuẩn truyền thông và xây dựng một ứng dụng cho hệ thống giám sát, điều khiển, điều hành tòa nhà cao tầng cho luận