Sự cần thiết của các hệ thống đèn chiếu sáng công cộng
Với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, chức năng chiếu sáng không chỉ đơn thuần là xua tan bóng tối mà còn góp phần nâng cao giá trị thẩm mỹ cho các công trình Sự cải thiện đời sống vật chất của con người đã thúc đẩy yêu cầu về ánh sáng, biến nó thành một yếu tố quan trọng trong việc tạo ra không gian sống và làm việc đẹp mắt và tiện nghi.
Hiện tại, điện năng cho chiếu sáng chiếm khoảng 35% tổng lượng điện tiêu thụ tại Việt Nam Hệ thống chiếu sáng công cộng đang gặp vấn đề về hiệu quả năng lượng do thiết kế và lắp đặt thiết bị chưa tối ưu, dẫn đến tình trạng lãng phí điện trong quá trình chiếu sáng.
Theo thông tin từ Trung tâm Tiết kiệm Năng lượng TP.HCM (ECC HCMC), các thành phố lớn của Việt Nam hiện đang sử dụng chủ yếu đèn thủy ngân cao áp cho hệ thống chiếu sáng, với tỷ lệ sử dụng như Hà Nội 52%, Bắc Giang 65% và Hội An 60% Loại đèn này tiêu thụ nhiều điện năng và có tuổi thọ trung bình chỉ từ 6.000 đến 18.000 giờ Hệ thống điều khiển đèn vẫn chủ yếu được điều khiển bằng tủ cục bộ và hầu như vẫn là thủ công.
Hình 1-1 Đèn cao áp tiêu tốn nhiều năng lượng
Nhà nước hiện nay kêu gọi tiết kiệm năng lượng điện, trong khi hệ thống chiếu sáng công cộng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn giao thông, trật tự an ninh xã hội và làm đẹp cảnh quan đô thị Đầu tư nghiêm túc vào hệ thống chiếu sáng công cộng không chỉ tạo điều kiện cho sự hình thành các khu dân cư tập trung mà còn là tiền đề cho sự phát triển đô thị mới Thách thức đặt ra cho các địa phương là nâng cao chất lượng chiếu sáng trong khi vẫn giảm thiểu điện năng tiêu thụ, tạo nên một bài toán cần được giải quyết.
Yêu cầu chung đối với hệ thống chiếu sáng đô thị
Yêu cầu chung đối với hệ thống chiếu sáng đô thị hiện nay:
Đảm bảo độ chiếu sáng cho từng vị trí trên đường.
Đảm bảo an ninh cho người đi bộ, đi xe đạp, đi xe máy lưu thông trên đường.
Làm sáng rõ các biển chỉ dẫn giao thông
Làm đẹp cảnh quan đô thị vào ban đêm
Với sự tiến bộ trong công nghệ, các hệ thống chiếu sáng hiện đại cần đáp ứng yêu cầu tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường Đồng thời, việc tích hợp hệ thống giám sát từ xa sẽ giúp giảm chi phí và tối ưu hóa nguồn nhân lực.
Hình 1-2 Đèn chiếu sáng trong thành phố
Hệ thống chiếu sáng tại Việt Nam hiện nay
Những hệ thống cũ
Hiện nay, tại Việt Nam, hệ thống chiếu sáng chủ yếu được thiết kế theo mô hình điều khiển tập trung thông qua các tủ động lực Một hệ thống cơ bản bao gồm trạm biến áp hạ áp từ nguồn điện trung thế, cung cấp điện cho các tủ động lực Tủ động lực này sẽ trực tiếp điều khiển toàn bộ hệ thống cột đèn trên mỗi tuyến đường.
Hình 1-3 Trạm biến áp cho cấp cho tủ điều khiển
Hệ thống chiếu sáng cổ điển và phương thức điều khiển thủ công gây ra sự cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích cho trạm biến áp và tủ điều khiển Việc giám sát và bảo dưỡng hệ thống cần được thực hiện định kỳ để kiểm tra và khắc phục sự cố hiệu quả.
Hình 1-4 Hệ thống chiếu sáng với tủ động lực điều khiển cả hệ thống
Những hệ thống và giải pháp chiếu sáng hiện nay
Trong những năm qua, nhu cầu tiêu thụ năng lượng tại Việt Nam đã gia tăng mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ xi măng và chiếu sáng công cộng Việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả trở nên cần thiết và cấp bách Tại hội thảo về tiết kiệm năng lượng gắn với kinh tế xanh trong ngành công nghiệp chiếu sáng diễn ra vào ngày 22/4 tại Hà Nội, các đại biểu đã thảo luận về những giải pháp tiết kiệm điện năng trong lĩnh vực chiếu sáng.
Thiết kế hệ thống chiếu sáng tại Việt Nam hiện nay đang tuân theo xu hướng tiết kiệm năng lượng Dưới đây là những giải pháp thực tế hoặc thí điểm đã được triển khai tại Việt Nam Các phương án thiết kế tiết kiệm năng lượng có thể bao gồm một hoặc nhiều giải pháp kết hợp.
Giải pháp tối ưu cho chiếu sáng hiện đại là sử dụng công nghệ LED thay thế cho các hệ thống chiếu sáng truyền thống như bóng đèn cao áp, sợi đốt và huỳnh quang Đèn LED không chỉ có hiệu suất phát sáng cao hơn đến 90% so với bóng đèn sợi đốt, mà còn được coi là giải pháp cho tương lai bởi PGS.TS Dương Ngọc Huyền từ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Với khả năng ứng dụng rộng rãi, chiếu sáng LED có thể thay thế hoàn toàn các nguồn sáng truyền thống trong vòng 10 năm tới.
Trong 15 năm tới, đèn LED sẽ tiếp tục chứng tỏ là thiết bị phát sáng hiệu quả nhất với hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng và tỏa ít nhiệt Công nghệ LED cho phép chuyển đổi điện thành ánh sáng hiệu quả hơn, giúp người dùng bật tắt thường xuyên mà không làm giảm tuổi thọ bóng đèn Đèn LED có tuổi thọ từ 30.000 đến 50.000 giờ, vượt trội hơn so với đèn huỳnh quang và sợi đốt, đồng thời có khả năng chống va đập tốt và thân thiện với môi trường.
Một nhược điểm đáng chú ý của bóng đèn LED là hiệu suất của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng như ô tô, ngoài trời, y tế và quân sự, nơi thiết bị cần hoạt động hiệu quả trong một dải nhiệt độ rộng và yêu cầu tỷ lệ thất bại thấp.
Đèn Metal Halide là giải pháp chiếu sáng hiệu quả, cung cấp ánh sáng tốt hơn từ 3-5 lần so với bóng đèn sợi đốt nhờ vào hỗn hợp đặc biệt của Metal Halide, với nhiệt độ màu lên đến 5500K Ánh sáng phát ra có chất lượng cao và độ sáng vượt trội, làm cho loại đèn này trở thành lựa chọn phổ biến cho các khu vực rộng lớn, cũng như trong chiếu sáng xe ô tô, xe máy và các khu vực nhà xưởng.
Bóng đèn Metal Halide, mặc dù được sử dụng rộng rãi, nhưng vẫn còn nhiều nhược điểm do công nghệ cũ Thời gian khởi động của bóng đèn này kéo dài từ 15-20 phút, khiến người dùng không thể bật tắt theo ý muốn và phải sử dụng trong thời gian dài Hơn nữa, độ bền của bóng không cao, với tuổi thọ chỉ từ 6000 đến 15000 giờ, dẫn đến chi phí thay mới cho người sử dụng tăng cao.
Giải pháp 3: Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như: mặt trời, gió,
Năng lượng tái tạo, bao gồm năng lượng mặt trời, thủy điện và gió, là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm không khí và không góp phần vào sự nóng lên toàn cầu Các nguồn năng lượng này luôn được bổ sung và không thể cạn kiệt, giúp giảm chi phí nhiên liệu và bảo trì Tuy nhiên, một thách thức lớn là việc sản xuất điện với quy mô lớn còn gặp khó khăn, và do công nghệ mới, chi phí đầu tư ban đầu cũng rất cao.
Giải pháp 4 bao gồm việc triển khai hệ thống điều khiển linh hoạt cho phép bật tắt ánh sáng theo nhu cầu, cùng với các chế độ hoạt động điều chỉnh công suất chiếu sáng Hệ thống này cũng sẽ được trang bị chức năng giám sát sự cố, giúp tiết kiệm chi phí vận hành hiệu quả.
Việt Nam và nhiều quốc gia trên thế giới đã áp dụng các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong chiếu sáng, bao gồm việc sử dụng hệ thống đèn LED Một ví dụ điển hình là hệ thống đèn LED chiếu sáng tại thành phố Hồ Chí Minh, thể hiện hiệu quả trong việc giảm tiêu thụ năng lượng và nâng cao chất lượng ánh sáng.
Hình 1-5 Đèn đường LED trong chiếu sáng đô thị tại TP.HCM [4]
Trung tâm tiết kiệm năng lượng TP.HCM đã thay thế toàn bộ hệ thống đèn bằng đèn LED công suất 65-200W, dự kiến tiết kiệm 55.315.699 kWh mỗi năm, tương đương khoảng 88 tỷ đồng Việc này cũng ước tính giúp giảm 31 tấn phát thải CO2 vào môi trường hàng năm.
Phương pháp sử dụng đèn đường LED mang lại ưu điểm nổi bật là tiết kiệm năng lượng, với khả năng giảm tới 60% lượng điện năng tiêu thụ so với các loại đèn đường truyền thống.
Nhược điểm: chi phí ban đầu cao, độ chiếu sáng cao gây nhức mắt. b Hệ thống đèn Metal Halide tuyến đường cao tốc tại Châu Âu (giải pháp1)
Hình 1-6 Bóng đèn cao áp Metal Halide trên tuyến đường cao tốc tại Châu Âu.[5]
Hệ thống đèn đường Metal Halide, được thiết kế bởi Đại học Công nghệ Delft, Hà Lan, sử dụng công nghệ cảm biến chuyển động để tự động giảm cường độ ánh sáng khi không có người hoặc phương tiện qua lại Điều này giúp tiết kiệm đến 20% năng lượng tiêu thụ.
Khi có người hoặc phương tiện di chuyển vào làn đường, hệ thống cảm biến của đèn đường gần nhất sẽ phát hiện và tự động bật toàn bộ hệ thống đèn Sau khi các phương tiện này đi qua, cường độ ánh sáng của hệ thống đèn sẽ giảm xuống.
Hệ thống đèn đường thông minh đã được thử nghiệm thành công tại trường Đại học Delft và sau đó được triển khai thí điểm tại bốn thành phố ở Hà Lan cùng một thành phố ở Ireland Hiện tại, hệ thống này đã sẵn sàng cho việc thương mại hóa.
Đề xuất giải pháp thiết kế một hệ thống chiếu sáng tại Việt Nam
Định hướng xây dựng hệ thống
Đề xuất một hệ thống chiếu sáng tiết kiệm năng lượng, tích hợp các ưu điểm hiện có tại Việt Nam và thế giới, nhằm tạo ra giải pháp chiếu sáng hiệu quả Hệ thống này sẽ áp dụng các phương pháp tiết kiệm năng lượng đã được trình bày, đảm bảo hiệu suất cao và giảm thiểu tiêu thụ điện năng.
Các cột đèn sử dụng đèn LED thay cho bóng đèn cao áp với mục đích tiết kiệm năng lượng tiêu thụ
Xây dựng một mạng cảm biến không dây để giám sát và điều khiển các cột đèn chiếu sáng từ xa bằng công nghệ truyền thông không dây Hệ thống cho phép bật/tắt đèn từ xa và quản lý qua máy tính, đồng thời phát hiện sự cố kịp thời, giúp tiết kiệm chi phí bảo trì và kiểm tra.
Xây dựng mô hình mạng cảm biến kết hợp những ưu điểm từ hệ thống chiếu sáng hiện có tại Việt Nam và quốc tế, nhằm tận dụng xu hướng phát triển công nghệ và nâng cao hiệu quả tiết kiệm năng lượng.
Tổng quan về hệ thống chiếu sáng vừa được đề xuất
Hệ thống đề xuất được mô tả như hình sau:
Hình 1-9 Mô hình kiến trúc giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng dựa trên mạng truyền thông LoRa được đề xuất
Mô hình thiết kế hệ thống bao gồm ba phần chính: a Hệ thống điều khiển trung tâm Gateway.
Hệ thống Gateway được đặt tại trung tâm điều khiển, có khả năng:
Năng lượng tiêu thụ thấp.
Gửi thông tin điều khiển bật tắt đèn tới các Node thông qua mạng truyền thông
Nhận dữ liệu phản hồi từ các Node
Đưa dữ liệu lên hệ thống giám sát. b Hệ thống chấp hành điều khiển đèn
Mỗi cột đèn trên một đoạn đường được gắn một Node điều khiển. Node này có khả năng:
Mỗi một Node được gắn một mã quy định về vị trí của đèn
Năng lượng tiêu thụ thấp.
Điều khiển bật tắt đèn bằng Rơ-le.
Nhận biết sự cố đèn cháy, hỏng thông qua cảm biến quang trở
Sử dụng công nghệ truyền thông LoRa để giao tiếp với khối điều khiển trung tâm
Hệ thống điều khiển trung tâm nhận thông tin về trạng thái bật tắt đèn, xử lý và thực hiện các lệnh điều khiển Đồng thời, hệ thống cũng gửi dữ liệu về tình trạng đèn khi gặp sự cố như cháy hoặc hỏng, cùng với vị trí cụ thể của đèn đó.
Việc giám sát và điều khiển cột đèn trong mạng có thể được thực hiện thông qua phần mềm điều khiển trên máy tính, với các nút được đặt trực tiếp tại mỗi đèn Điều này giúp tối ưu hóa việc điều khiển từng đèn và quản lý sự cố hiệu quả hơn Hệ thống quản lý giám sát trên máy tính đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống chiếu sáng.
Hệ thống này kết nối với trung tâm điều khiển qua Internet, mang đến giao diện trực quan và dễ sử dụng cho người vận hành Nó quản lý và hiển thị dữ liệu nhận từ hệ thống điều khiển trung tâm.
Hệ thống mới sẽ có ưu điểm nổi bật với khả năng vận hành chủ động, cho phép người quản lý dễ dàng theo dõi toàn bộ tình trạng hoạt động từ trung tâm điều khiển Khi có sự cố xảy ra, cách làm này không chỉ giúp đưa ra chỉ thị sửa chữa kịp thời cho hệ thống chiếu sáng mà còn tiết kiệm chi phí kiểm tra, quản lý và bảo trì.
Hệ thống chiếu sáng được đề xuất sử dụng mạng cảm biến không dây LoRa, một công nghệ tiên tiến giúp cải thiện hiệu quả chiếu sáng Bài viết tiếp theo sẽ trình bày chi tiết về mạng cảm biến không dây và công nghệ LoRa, nhấn mạnh những lợi ích và ứng dụng của chúng trong hệ thống chiếu sáng thông minh.
TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY
Mạng truyền thông không dây là gì?
Mạng không dây (Wireless LAN) là một công nghệ cho phép nhiều thiết bị (Node) kết nối với nhau thông qua một giao thức chuẩn mà không cần sử dụng dây mạng.
Hình 2-10 Mạng truyền thông không dây
Các ví dụ tiêu biểu về mạng không dây bao gồm: mạng WiFi, mạng 3G, mạng điện thoại di động, mạng Bluetooth, mạng nội bộ không dây (WLAN), mạng cảm biến không dây, mạng truyền thông vệ tinh và mạng sóng mặt đất.
Nguyên lý hoạt động của truyền thông không dây
Hình 2-11 Nguyên lý hoạt động của truyền thông không dây
Mạng WLAN sử dụng sóng điện từ, bao gồm sóng vô tuyến và tia hồng ngoại, để truyền tải thông tin mà không cần kết nối vật lý Sóng vô tuyến, thường được gọi là sóng mang vô tuyến, thực hiện chức năng phân phối năng lượng đến các thiết bị nhận ở khoảng cách xa.
Dữ liệu được truyền qua sóng mang vô tuyến và được nhận chính xác tại máy thu Để tiếp nhận dữ liệu, máy thu vô tuyến sẽ chọn một tần số vô tuyến cụ thể, đồng thời loại bỏ tất cả các tín hiệu từ các tần số khác.
Đặc điểm của mạng truyền thông không dây
Truyền thông không dây sở hữu nhiều đặc điểm nổi bật, cho thấy sức mạnh của mạng và khả năng ứng dụng linh hoạt trong các lĩnh vực khác nhau.
Trong mạng truyền thông không dây, các Node hoạt động độc lập và trao đổi thông tin qua tín hiệu không dây với nút Gateway Công nghệ truyền tin không dây mang lại độ tin cậy cao hơn so với phương thức truyền tin có dây.
Dễ dàng trong việc lắp đặt
Lắp đặt được ở những khu vực mà việc sử dụng dây khó khăn.
Giảm được rủi ro mất kết nối đường truyền do thiên tai hoặc do động vật gây ra
Các Node không dây có thể được lắp đặt dày đặc trong khu vực cần thu thập thông tin và điều khiển, giúp truyền tải dữ liệu về nút chủ qua đường ngắn nhất, từ đó giảm thời gian truyền và nâng cao độ chính xác Việc phân bố nhiều Node không dây cũng tăng cường độ chính xác trong việc giám sát khu vực theo dõi Nếu một nút gặp sự cố, mạng vẫn duy trì hoạt động bình thường và thông qua thông tin từ các Node lân cận, chúng ta có thể xác định nguyên nhân sự cố để thực hiện việc thay thế hoặc sửa chữa kịp thời.
2.3.2 Phạm vi triển khai mạng truyền thông không dây rộng
Các Node đảm nhiệm nhiệm vụ thu thập, giám sát, điều khiển và truyền thông tin giữa các Node khác, cho phép mở rộng mạng một cách linh hoạt Để mở rộng vùng giám sát và điều khiển, người dùng chỉ cần lắp đặt thêm thiết bị Các Node có thể được cấu hình theo nhu cầu và dễ dàng sử dụng khi có thêm thiết bị mới Với số lượng thiết bị lớn và khoảng cách truyền tin xa, mạng có thể được triển khai với phạm vi lên đến hàng chục hoặc hàng trăm km.
2.3.3 Vấn đề tiết kiệm năng lượng cho mạng truyền thông không dây
Các nguồn cung cấp năng lượng cho các Node như pin, ắc quy và pin năng lượng mặt trời sẽ cạn kiệt theo thời gian Vì vậy, việc tiết kiệm năng lượng trở thành một vấn đề quan trọng mà tất cả các kỹ sư thiết kế cần chú ý, cả trong phần mềm lẫn phần cứng.
Các ứng dụng của mạng truyền thông không dây
Truyền thông không dây có nhiều ứng dụng thực tiễn, bao gồm lĩnh vực quân đội, quan sát môi trường, y tế, công nghiệp và nhà thông minh.
Các ứng dụng trong bảo vệ môi trường:
Giám sát mực nước sông hồ, đo tốc độ gió, lượng mưa.
Phát hiện ô nhiễm không khí, khí thải độc hại.
Phát hiện động đất, hoạt động của núi lửa.
Phát hiện và giám sát cháy rừng.
Các ứng dụng trong y tế:
Định vị theo dõi bệnh nhân.
Hệ thống báo động khẩn cấp.
Thiết bị hỗ trợ theo dõi bệnh gắn trên cơ thể bệnh nhân.
Trong bối cảnh dịch bệnh Covid-19 hiện nay, việc sử dụng mạng truyền thông không dây kết hợp với các máy đo thân nhiệt để phát hiện những người có thân nhiệt cao trở thành một ứng dụng cấp thiết.
Các ứng dụng trong gia đình:
Hệ thống cảnh báo an ninh.
Hệ thống điều khiển thiết bị từ xa.
Hệ thống giao thông thông minh:
Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông.
Định vị các phương tiện giao thông.
Hệ thống điều khiển đèn đường thông minh.
Công nghệ Bluetooth
Bluetooth là công nghệ truyền tin không dây sử dụng sóng vô tuyến, hoạt động trong dải tần số từ 2,4GHz đến 2,48GHz Với phạm vi hoạt động từ 10 đến 100m, Bluetooth hỗ trợ tốc độ truyền tải dữ liệu lên đến 720 Kbps, và có thể đạt tối đa 1Mbps Hiện nay, công nghệ Bluetooth đã được cải tiến, cho phép tốc độ truyền tải tăng lên đến 2Mbps trong khoảng cách tối đa 240m.
Bluetooth có một số nhược điểm, bao gồm việc tiêu hao pin cho các thiết bị di động như điện thoại thông minh, mặc dù công nghệ và pin đã cải thiện, vấn đề này đã giảm bớt Hơn nữa, Bluetooth sử dụng tín hiệu yếu, dễ bị nhiễu và hạn chế khả năng kết nối giữa các thiết bị trong môi trường có nhiều can thiệp.
Phạm vi hoạt động của công nghệ không dây thường bị giới hạn, chỉ mở rộng khoảng 30 feet (hơn 9m) Ngoài ra, các chướng ngại vật như tường, sàn và trần nhà có thể làm giảm đáng kể phạm vi này.
Công nghệ Wifi
Công nghệ Wifi sử dụng sóng vô tuyến để truyền tin ở tần số 2,4GHz đến 2,48GHz Tuy nhiên, mạng Wifi thường gặp phải độ trễ và dễ bị nhiễu sóng từ môi trường xung quanh, như bức tường dày hoặc sóng từ mạng Wifi của hàng xóm Điều này dẫn đến sự không ổn định của kết nối, gây ra các vấn đề như mất kết nối, ping cao và giảm tốc độ Internet.
Công nghệ Zigbee
Công nghệ truyền tin này phục vụ cho các ứng dụng công nghiệp và khoa học, hoạt động trên tần số 868MHz đến 915MHz tại Mỹ và Châu Úc, cùng với tần số 2,4GHz phổ biến ở nhiều quốc gia Nhờ vào khả năng tiêu thụ năng lượng thấp, chi phí hợp lý và tốc độ truyền tải cao, công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng ZigBee cũng có một vài nhược điểm ví dụ:
Không thể phủ rộng hết toàn bộ nhà có diện tích quá rộng, chúng ta sẽ cần một thiết bị ZigBee Repeater để tăng độ phủ sóng.
Không xuyên tường mạnh được, nếu nhà nhiều phòng thì sẽ bị giảm tín hiệu
Độ ổn định không bằng thiết bị đi dây Tuy nhiên đây cũng là nhược điểm chung của tất cả các loại sóng khác [12].
Công nghệ LoRa
LoRa là một chuẩn không dây mới, được thiết kế cho các ứng dụng mạng diện rộng công suất thấp, hỗ trợ liên lạc ở khoảng cách 15 – 20 km với hàng triệu Node mạng Nó hoạt động trên băng tần không phải cấp phép, với tốc độ từ 0,3kbps đến khoảng 30kbps Đặc tính này khiến mạng LoRa trở thành lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị thông minh cần trao đổi dữ liệu ở mức thấp nhưng duy trì trong thời gian dài.
Dựa trên các kết quả đã thu được, chúng ta có thêm một số liệu để so sánh hiệu suất hoạt động giữa công nghệ LoRa và các công nghệ không dây phổ biến khác.
Bảng 1: So sánh các chuẩn giao tiếp không dây
Bluetooth Zigbee Wifi LoRa Ứng dụng Thiết bị di động Điều khiển, giám sát, thu thập thông tin
Mạng băng thông rộng Điều khiển, giám sát, thu thập thông tin
Số thiết bị trong mạng 255 Hơn 64000 Phụ thuộc vào số địa chỉ IP
Dòng tiêu thụ 30 mA 30 mA 100 mA 28 mA
Công nghệ điều chế FHSS
Mỗi công nghệ truyền thông không dây đều có ưu nhược điểm riêng, nhưng với mục tiêu điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng cho số lượng lớn đèn trên đoạn đường dài, công nghệ LoRa là lựa chọn tối ưu LoRa không chỉ đáp ứng yêu cầu về khả năng truyền nhận không dây mà còn giúp tiết kiệm năng lượng, phù hợp với bài toán thiết kế của chúng tôi.
Mạng không dây LoRa
Hình 2-16 Mạng không dây LoRa
LoRa, viết tắt của Long Range, là một công nghệ điều chế do Semtech phát triển, dựa trên kỹ thuật Chirp Spread Spectrum (CSS) Kỹ thuật Chirp, viết tắt của Compressed High Intensity Radar Pulse, được sử dụng phổ biến trong sonar và radar Tín hiệu Chirp có biên độ không đổi và tần số thay đổi, với up-chirp là sự thay đổi từ tần số thấp đến cao, và down-chirp là sự thay đổi từ tần số cao xuống thấp.
Kỹ thuật LoRa cho phép truyền thông với phạm vi rộng và công suất thấp, với module phát 100 mW có thể truyền xa hơn 3 km và 1 W có thể đạt gần 10 km Nhờ vào ưu điểm này, LoRa rất phù hợp để xây dựng các hệ thống IoT, cho phép các Node hoạt động ở khoảng cách xa hàng kilomet, sử dụng nguồn năng lượng thấp như pin với thời gian duy trì lên đến vài năm, tiết kiệm chi phí và không cần hệ thống internet bao phủ.
2.6.2 Các thông số của LoRa
Khi gửi một gói tin, hai yếu tố quan trọng cần chú ý là khoảng cách truyền và tốc độ truyền Đối với công nghệ LoRa, những thông số này đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo hiệu quả truyền tải dữ liệu.
2 giá trị trên phụ thuộc vào 3 thông số có thể điều chỉnh được: Băng thông (BW), hệ số trải phổ (SF) và tốc độ mã hóa (CR).
Băng thông (BW) xác định biên độ tần số mà tín hiệu chirp có thể thay đổi Các chip LoRa khác nhau cho phép tùy biến cấu hình các mức băng thông, với ba mức phổ biến là 125kHz, 250kHz và 500kHz Băng thông cao giúp mã hóa tín hiệu nhanh hơn, rút ngắn thời gian truyền dữ liệu, nhưng đồng thời cũng giảm khoảng cách truyền.
Hình 2-17 Thông số của LoRa
Hệ số trải (Spreading Factor - SF) xác định số lượng tín hiệu chirp được sử dụng để mã hóa tín hiệu đã được điều chế tần số của dữ liệu, với các giá trị SF nằm trong khoảng từ 7 đến 12 Cụ thể, nếu SF = 12, một mức logic của tín hiệu sẽ được mã hóa bằng 12 xung tín hiệu chirp Giá trị SF càng cao, thời gian truyền dữ liệu sẽ kéo dài hơn, nhưng bù lại, tỷ lệ lỗi bit (BER) sẽ giảm và khoảng cách truyền tín hiệu cũng sẽ được mở rộng.
Tỷ lệ mã hóa (CR) là số lượng bit được thêm vào payload gói tin LoRa, giúp mạch nhận phục hồi các bit dữ liệu bị sai và đảm bảo tính nguyên vẹn của dữ liệu CR có các giá trị nguyên từ 1 đến 4 và thường được biểu thị dưới dạng 4/CR+4 (ví dụ: 4/5, 4/6, 4/7, 4/8) Việc sử dụng CR cao sẽ tăng khả năng nhận dữ liệu chính xác, tuy nhiên, điều này cũng đồng nghĩa với việc chip LoRa sẽ phải truyền nhiều dữ liệu hơn, dẫn đến thời gian truyền dài hơn.
Tùy thuộc vào mục đích ứng dụng mà chúng ta có thể cấu hình các tham số BW, SF, CR sao cho phù hợp với yêu cầu về khoảng cách hoặc tốc độ truyền Nếu ứng dụng cần thu thập dữ liệu từ cảm biến ở khoảng cách xa mà không yêu cầu thời gian truyền nhanh, chúng ta có thể chọn băng thông thấp (125 kHz), hệ số khuếch đại cao (SF 12) và tỷ lệ mã hóa (CR) tùy chỉnh Từ các tham số này, chúng ta có thể tính toán tốc độ dữ liệu (data rate) một cách chính xác.
2.6.3 Các tần số của LoRa
Khi nghiên cứu hoặc triển khai công nghệ truyền thông không dây, dải tần hoạt động là yếu tố quan trọng cần xem xét Dựa vào mục đích sử dụng, băng tần được chia thành hai loại: băng tần cần cấp phép (licensed band), yêu cầu trả phí để sử dụng, và băng tần không cần cấp phép (unlicensed), cho phép sử dụng miễn phí trong những điều kiện nhất định, thường được gọi là dải tần ISM, dành cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp, khoa học và y tế.
Sóng LoRa hoạt động trong dải tần ISM, cho phép người dùng không phải trả phí sử dụng, nhưng cần tuân thủ quy định về công suất phát và có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu Trên thế giới, các khu vực khác nhau sử dụng các băng tần khác nhau như 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz (Châu Âu) và 915 MHz (Châu Mỹ) Tại Việt Nam, LoRa hiện đang sử dụng băng tần 433 MHz.
2.6.4 Các loại module LoRa hiện nay Để có thể xây dựng ứng dụng với LoRa, hiện nay trên thị trường có rất nhiều module, kit phát triển để chúng ta có thể sử dụng Các module truyền nhận hiện nay bên trong đều tích hợp chip LoRa SX1276/77/78/79 của hãng Semtech, trong đó chip SX1278 là phổ biến nhất với các module sử dụng băng tần 433 MHz và SX1276 thường dùng cho các module hỗ trợ băng tần 868/915 MHz Các chip này hỗ trợ giao tiếp với vi điều khiển theo chuẩn SPI, sử dụng chuẩn này có thể cấu hình được đầy đủ các thông số mình nhắc đến bên trên như BW, SF, CR và các thông số khác như thay đổi tham số điều chế, băng tần, data rate, địa chỉ, công suất phát, các chế độ hoạt động, cấu hình tiết kiệm năng lượng,… nên ứng dụng có độ linh động và tùy biến cao Chúng ta có thể tham khảo một vài module giao tiếp theo chuẩn SPI: Heltec WiFi LoRa 32, Dragino LoRa Shield, RFM95/96/97/98W.
Hình 2-18 Module Heltec WiFi LoRa 32 và RFM98W
Ngoài ra còn có các module hỗ trợ giao tiếp theo chuẩn UART, bên trong module đã tích hợp sẵn một vi điều khiển trung gian (như STM8,
Các module LoRa như E32-TTL-100 (433T20DC) và E32-TTL-1W (433T30D) của hãng Ebyte thường không hỗ trợ lập trình các tham số gốc như BW, SF, CR Thay vào đó, chúng cho phép cấu hình thông qua giao tiếp UART với các tham số cơ bản như băng tần, địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, công suất phát, data rate, và các chế độ hoạt động tùy biến, nhằm xây dựng ứng dụng truyền nhận đơn giản nhất có thể.
Hình 2-19 Module E32-TTL-100 và E32-TTL-1W [14].
Kiến trúc mạng truyền thông không dây trong hệ thống chiếu sáng
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ trình bày tổng quan về các kiến trúc mạng cảm biến không dây phù hợp cho việc giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng trong khu đô thị, dựa trên công nghệ LoRa mà chúng tôi đã nghiên cứu.
2.7.1 Kiến trúc mạng một đường
Dưới đây là hai hình ảnh mô tả kiến trúc mạng một đường:
Hình 2-20 Kiến trúc mạng một đường trong thực tế [15]
Hình 2-21 Mô hình kiến trúc mạng một đường
Hệ thống chiếu sáng với các cột đèn sắp xếp theo đoạn đường là mô hình phổ biến, thích hợp cho việc chiếu sáng các tuyến đường trong thành phố, khu đô thị và khuôn viên nhà xưởng Mô hình kiến trúc mạng này cho phép dữ liệu được gửi đồng thời đến tất cả các đèn, đảm bảo hiệu quả và đồng bộ trong việc chiếu sáng.
Trong mô hình chiếu sáng với mười đèn cùng được gán một địa chỉ, khi Gateway gửi gói dữ liệu điều khiển, tất cả 10 đèn sẽ nhận và xử lý thông tin để thực hiện lệnh bật hoặc tắt Sau khi hoàn thành lệnh, các Node sẽ gửi lại gói dữ liệu cho Gateway, cho phép Gateway phân tích để xác định tình trạng hoạt động của đèn, bao gồm việc phát hiện đèn bị cháy hoặc gặp sự cố cùng với vị trí của đèn đó.
Hình 2-22 Kiến trúc mạng hai đường trong thực tế
Hình 2-23 Mô hình kiến trúc mạng hai đường
Các cột đèn được sắp xếp hai bên đường nhằm mục đích chiếu sáng cho các tuyến đường lớn và đường cao tốc, nơi cần mật độ chiếu sáng cao Cấu trúc này là một phiên bản mở rộng của mô hình mạng một đường, với cách thức hoạt động tương tự.
2.7.3 Kiến trúc mạng ngã tư
Dưới đây là hai hình ảnh minh họa cho kiến trúc mạng ngã tư:
Hình 2-24 Kiến trúc mạng ngã tư trong thực tế
Hình 2-25 Mô hình kiến trúc mạng ngã tư
Kiến trúc mạng ngã tư được ứng dụng chủ yếu cho các đoạn đường rẽ nhánh và ngã tư trong thành phố Trong cấu trúc này, các đèn trên cùng một đường được gán chung một địa chỉ, trong khi mỗi đường có một địa chỉ riêng biệt Khi gói dữ liệu điều khiển được gửi từ Gateway, nó sẽ chứa địa chỉ của đường cần điều khiển Các Node sẽ so sánh địa chỉ của gói tin với địa chỉ của mình; nếu không trùng khớp, chúng sẽ bỏ qua gói dữ liệu Node nào có địa chỉ trùng sẽ nhận và phân tích gói dữ liệu, sau đó thực hiện lệnh điều khiển.
Kết luận
Trong chương 2, chúng tôi đã trình bày tổng quan về mạng truyền thông không dây hiện nay, phân tích ưu nhược điểm của từng loại mạng Dựa trên phân tích này, chúng tôi đã đề xuất phương án lựa chọn mạng truyền thông phù hợp với bài toán mà chúng tôi đang giải quyết.
CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN
Trong chương này, chúng tôi sẽ xây dựng mô hình hệ thống giám sát và điều khiển đèn chiếu sáng, bao gồm kiến trúc và nguyên lý hoạt động chung của hệ thống Chúng tôi cũng sẽ mô tả chi tiết thiết kế các Node điều khiển gắn trên cột đèn, Gateway, quy trình định tuyến bản tin trong mạng, và phần mềm điều khiển giám sát trên máy tính.
3.1 Mô hình hệ thống chiếu sáng và điều khiển chiếu sáng đề xuất
Hình 3-26 Mô hình chiếu sáng hệ thống đề xuất
Hệ thống được đề xuất bao gồm phần mềm quản lý trên máy tính, Gateway và các Node cảm biến Phần mềm đảm bảo tính trực quan và dễ điều khiển, trong khi Gateway có nhiệm vụ gửi lệnh điều khiển và phân tích dữ liệu nhận được, sau đó hiển thị thông tin trên phần mềm Các Node cảm biến gắn trên cột đèn sẽ nhận, phân tích và thực thi dữ liệu từ Gateway, đồng thời gửi phản hồi về cho Gateway.
Mỗi Node cảm biến trên cột đèn được gán một địa chỉ mã hóa riêng biệt Bản tin từ Gateway chứa địa chỉ đèn nhận và trạng thái đèn mong muốn (bật hoặc tắt) Các Node sẽ so sánh địa chỉ trong bản tin với địa chỉ của mình; nếu không trùng khớp, chúng sẽ bỏ qua gói dữ liệu Node trùng địa chỉ sẽ nhận và xử lý lệnh điều khiển Đặc biệt, Node sử dụng cảm biến quang để phát hiện tình trạng hoạt động của đèn, sau đó gửi thông tin về vị trí và trạng thái đèn (hoạt động hoặc cháy) trở lại Gateway Gateway sẽ phân tích dữ liệu để xác định tình trạng của đèn và vị trí của bất kỳ sự cố nào Mạng cảm biến cần đảm bảo Gateway gửi đầy đủ bản tin đến tất cả các địa chỉ đèn đường và nhận phản hồi chính xác.
Các Node cảm biến gắn trên mỗi cột đèn có khả năng:
Năng lượng tiêu thụ thấp.
Nhận biết trạng thái hoạt động của đèn thông qua cảm biến Bóng đèn có hai trạng thái: hoạt động bình thường và bị hỏng.
Điều khiển bật/tắt đèn bằng rơ-le.
Sử dụng công nghệ truyền thông không dây LoRa để truyền các bản tin giữa các Node và Gateway
Để quản lý hiệu quả một hệ thống điều khiển lớn trong không gian rộng, việc di chuyển đến từng phần tử để quan sát và ghi lại thông số là không khả thi Công việc giám sát thủ công không chỉ tốn kém chi phí mà còn tiêu tốn nhiều thời gian và công sức Do đó, phát triển một hệ thống phần mềm điều khiển và giám sát là cần thiết, giúp người quản lý dễ dàng điều khiển hệ thống một cách linh hoạt, từ đó giảm thiểu chi phí, nhân lực và thời gian giám sát.
Bài toán đặt ra cần xây dựng một hệ thống điều khiển giám sát hệ thống chiếu sáng giải quyết những nhiệm vụ:
Điều khiển linh hoạt bật tắt đèn
Giám sát trực quan – hiển thị cho người điều khiển biết chích xác tình trạng hoạt động của từng cột đèn cảnh báo khi hỏng hóc của đèn.
Từ những nhiệm vụ trên cần phải thiết kế các phần mềm trên Gateway:
Phần mềm điều khiển từng cột giúp quản lý hoạt động bật tắt của đèn, theo dõi trạng thái đèn, phát hiện sự cố và xác định vị trí xảy ra sự cố một cách hiệu quả.
3.3 Kiến trúc hệ thống giám sát và chiếu sáng tự động
Hệ thống giám sát và chiếu sáng tự động bao gồm các cột đèn kết nối với Gateway, trong đó mỗi cột đèn được trang bị một nút cảm biến để điều khiển và giám sát hoạt động của hệ thống Các cột đèn này tạo thành một mạng hình sao, giúp tối ưu hóa hiệu suất chiếu sáng và quản lý thông minh.
2) Cụ thể như người điều khiển gửi bản tin bật/tắt đèn trong hệ thống,bản tin sẽ được lan truyền từ Gateway tới trực tiếp cột đèn đó
Hình 3-27 Kiến trúc hình sao của hệ thống chiếu sáng sử dụng công nghệ LoRa
Thiết kế nút cảm biến gắn trên cột đèn
3.4.1 Mục tiêu thiết kế và cấu trúc phần cứng a Mục tiêu thiết kế
Chúng em đã xác định một số mục tiêu thiết kế cho nút cảm biến nhằm cải thiện hệ thống chiếu sáng của các cột đèn trên các tuyến đường.
Công suất tiêu thụ của các nút gắn trên cột đèn có công suất tiêu thụ nhỏ.
Khoảng cách truyền tin lên tới 3000m.
Có khả năng phát hiện đèn gặp sự cố để báo về.
Giá thành hợp lý, cạnh tranh được các sản phẩm khác.
Dễ dàng chế tạo hàng loạt. b Cấu trúc một nút mạng cảm biến gắn trên đèn.
Cấu trúc một nút mạng cảm biến không dây gắn trên đèn gồm 5 phần chính (hình 2 3):
Hình 3-28 Cấu trúc một nút cảm biến gắn trên đèn đường
3.4.2 Tính toán thiết kế các phần tử a Tính toán chọn lựa và thiết kế phần cứng cảm biến Để biết được bóng đèn đang bật, đang tắt, hay đang hỏng chúng ta phải dựa vào cảm biến Việc điều khiển cũng như giám sát bóng đèn khi có lệnh điều khiển là yêu cầu mà mạch phải đảm bảo Vậy để biết đèn có bật hay không ta có 2 phương pháp:
Sử dụng cảm biến quang kết hợp với lắp đặt khéo léo.
Đo dòng điện qua bóng đèn không khó, nhưng mạch đo thường cồng kềnh và sử dụng nhiều bộ biến đổi, làm tăng độ phức tạp Hơn nữa, việc sử dụng các IC chuyên dụng để đo dòng thường có chi phí cao, vì vậy phương pháp này không được ưu tiên.
Sử dụng cảm biến quang kết hợp với lắp đặt khéo léo giúp phát hiện chính xác tình trạng sáng của đèn, tránh nhầm lẫn do ánh sáng từ các nguồn khác như đèn bên cạnh, phương tiện giao thông hay ánh sáng mặt trời Trên thị trường có nhiều loại cảm biến quang với mức giá khác nhau, nhưng để đơn giản hóa việc kiểm tra ánh sáng, chúng tôi đã chọn quang trở với giá thành rẻ và dễ dàng trong việc tính toán.
Hình 3-29 Cảm biến quang trở
Lựa chọn quang trở GL5537 có các thông số sau:
Nhiệt độ hoạt động (°C): -30 đến 70
Điện trở khi có ánh sáng (KΩ): 20 đến 45.
Điện trở khi trời tối (MΩ): 2.
Điện áp tối đa: 150VDC.
Trong quá trình thực nghiệm, khi quang trở được đặt gần nguồn đèn với cường độ sáng cao, điện trở của quang trở giảm xuống còn 500Ω – 5KΩ Chúng ta sẽ sử dụng bộ ADC để xác định giá trị điện trở khi đèn sáng và tối Để tối ưu hóa hiệu suất cảm biến, cần lắp đặt mắt cảm biến ở vị trí hợp lý nhằm tránh ánh sáng mặt trời Do đó, cảm biến được lắp bên trong hộp đèn để thu nhận ánh sáng từ bóng đèn Hình 2.5 minh họa sơ đồ nguyên lý cho khối cảm biến quang trở.
Hình 3-30 Thiết kế phần cứng quang trở
Cảm biến quang sẽ được kết nối với chân ADC0 của vi điều khiển, sử dụng biến trở R2 = 10K và cảm biến quang trở PR1 Biến trở 10K cho phép điều chỉnh tỉ lệ chia điện áp Vout trên cảm biến quang trở và Vin đầu vào, từ đó giúp tinh chỉnh giá trị một cách chính xác Để tính toán điện áp Vout, chúng tôi áp dụng công thức: Vout = R2 * PR1 / (PR1 + R2) * Vin.
Để lựa chọn Rơ le điều khiển đóng cắt phù hợp, cần nắm rõ các thông số kỹ thuật liên quan, bao gồm vị trí lắp đặt cảm biến quang trở và yêu cầu thiết kế phần cứng.
Điện áp điều khiển, điện áp cuộn hút, dòng qua cuộn hút.
Nguồn cung cấp cho đèn LED là 220VAC, trong khi nguồn 5VDC được sử dụng cho vi điều khiển Chúng ta sẽ tận dụng nguồn 5VDC này để cấp điện cho Rơ le, vì Rơ le yêu cầu cuộn hút 5VDC.
Bóng đèn LED sử dụng cho chiếu sáng đường có công suất từ 30W đến 60W, nhưng độ sáng tương đương với bóng đèn sợi đốt có công suất cao hơn, cụ thể là 120W đến 240W.
Để đảm bảo Rơ Le hoạt động ổn định và tránh tình trạng quá nhiệt, chúng ta nên chọn Rơ Le có dòng tối đa lớn hơn 10A Thông số Rơ Le phù hợp trong trường hợp này là 5V/10A.
Khi rơ le gặp sự cố, nguồn cung cấp 5V và tín hiệu điều khiển từ VĐK (3.3V hoặc 5V) sẽ bị ảnh hưởng, gây tác động trực tiếp lên mạch điều khiển Để đảm bảo tín hiệu điều khiển vẫn hoạt động, cần sử dụng các phương pháp cách ly quang Hình 2.7 minh họa sơ đồ nguyên lý cho khối Rơ Le.
Hình 3-32 Sơ đồ nguyên lý khối Rơ-le
Việc đóng cắt tải là bóng đèn công suất cần có bộ khuếch đại tín hiệu Ở đây, nhóm sử dụng transistor đóng cắt rơ-le.
Điện trở hạn dòng R7 bảo vệ transistor (thường chọn từ 1k trở lên).
Diode D3 dùng để hạn chế ảnh hưởng của dòng ngược từ bóng đèn.
OPTO cách ly quang ISO1 dùng để cách ly 2 nguồn.
Điện trở hạn dòng R6 để bảo vệ cho LED trong OPTO cách ly quang và LED D4.
LED D4 dùng để nhận biết khi nào rơ le đóng cắt. c Tính toán lựa chọn và thiết kế mạch LoRa
Chúng tôi cần thiết kế một nút cảm biến nhỏ gọn với công suất tiêu thụ thấp, và loại LoRa dễ dàng mua tại Việt Nam Vì vậy, chúng tôi đã chọn Module LoRa Sx1278 Ra 01/02, được sản xuất bởi hãng.
AI Thinker có hai phiên bản, Ra 01 và Ra 02, với điểm khác biệt duy nhất là cách gắn anten Phiên bản 01 sử dụng anten hàn cứng trên mạch, trong khi phiên bản 02 cho phép thay đổi anten thông qua lỗ gắn, giúp người dùng linh hoạt lựa chọn nhiều loại anten phù hợp hơn.
Hình 3-33 Mặt trước và mặt sau của LoRa-01
Hình 3-34 Mặt trước và mặt sau của LoRa-02
Module LoRa Ra 01/02 giao tiếp với vi xử lý qua giao thức SPI và hoạt động ở mức điện áp 3.3V Chân DIO0 có thể được cấu hình để hoạt động như một chân báo ngắt, thông báo khi nhận hoặc truyền thành công một gói tin Các chân DIO1 đến DIO5 có thể không cần thiết phải sử dụng trong nhiều ứng dụng.
Trong đồ án này, chúng em đã chọn LoRa Ra 02 do khả năng thay thế và tháo gỡ ăng-ten dễ dàng, cho phép gắn trực tiếp lên thành hộp, từ đó cải thiện đáng kể khoảng cách truyền nhận Một số thông số nổi bật của LoRa Ra 02 bao gồm
Khoảng cách truyền siêu dài: 10KM.
Công suất đầu ra: +20 dBm-100mW
Độ nhạy cao: thấp tới -148dBm
Tốc độ Bit lập trình lên tới 300kbps
Phạm vi động RSSI 127dB Hình 2 10 dưới đây là sơ đồ mạch nguyên lý của khối truyền thông LoRa Ra 02.
Hình 3-35 Mô hình nguyên lý LoRa 02
Nguồn cấp cho module LoRa Ra 02 là 3.3V Nguồn cấp này được lấy từ khối nguồn
Thiết kế mạch Gateway
Hình 3-42 Tổng quan về Gateway
Gateway là một nút mạng trong viễn thông, kết nối hai mạng với giao thức truyền thông khác nhau Chức năng chính của Gateway là thu thập dữ liệu và chuyển đổi giao thức ở cấp cao, thường thông qua các thành phần phần mềm Nhờ có Gateway, các máy tính trong các mạng khác nhau có thể giao tiếp dễ dàng với nhau.
Gateway được sử dụng chủ yếu trong các tình huống cá nhân hoặc doanh nghiệp muốn đơn giản hóa việc kết nối internet cho một thiết bị
3.5.2 Yêu cầu bài toán, giải pháp xử lý và các chức năng của Gateway a Yêu cầu bài toán
Thực hiện trong khu đô thị
Khoảng cách truyền nhận giữa thiết bị hiện trường và Gateway xa (từ vài trăm mét trở lên khi không có vật cản, tiết kiệm năng lượng)
Tốc độ truyền có thể thấp, gói tin truyền nhỏ
Tối ưu hóa kích thước mạch thiết bị hiện trường khi lựa chọn linh kiện
Có giao tiếp được với máy tính
Có kết nối được với Web Server
Lấy được tín hiệu từ vi xử lý để điều khiển mạch rơ-le
Có nhiều chân tín hiệu điều khiển
Sử dụng luôn nguồn điện lưới 220V
Có vỏ hộp bảo vệ
Để đáp ứng các yêu cầu của bài toán, cần phát triển các giải pháp xử lý tương ứng Ngoài ra, các giải pháp này cũng phải đảm bảo tính khả thi khi bài toán được mở rộng về khoảng cách truyền nhận.
Công nghệ LoRa được sử dụng để truyền nhận dữ liệu giữa thiết bị hiện trường và Gateway, đáp ứng các yêu cầu như tiết kiệm năng lượng, khoảng cách truyền lớn và không cần tốc độ truyền cao.
Sử dụng kết nối có dây và kết nối không dây WiFi để giao tiếp với máy tính
Sử dụng kết nối không dây WiFi để kết nối lên Web Server
Sử dụng adapter và IC nguồn để kết nối với nguồn 220V trong nhà.
Chức năng của mạch Gateway:
Nhận dữ liệu từ các thiết bị hiện trường thông qua sóng LoRa
Truyền dữ liệu lên máy tính.
Truyền dữ liệu lên Web Server thông qua WiFi
Điều khiển đóng mở các relay bằng cách gửi các lệnh điều khiển
Dựa trên các yêu cầu và chức năng đã phân tích, chúng tôi quyết định chọn mạch Gateway với Module Raspberry Pi 3 làm bộ xử lý trung tâm, kết hợp với Module truyền thông không dây LoRa Ra-02 để truyền dữ liệu đi xa.
3.5.3 Module Raspberry Pi a Raspberry là gì?
Raspberry Pi là một máy tính nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ, có khả năng chạy hệ điều hành và cài đặt nhiều ứng dụng với giá chỉ vài chục USD, trở thành minicomputer nổi bật hiện nay Được phát triển bởi tổ chức Raspberry Pi Foundation với mục tiêu giảng dạy máy tính cho trẻ em và cung cấp công cụ học tập giá rẻ, Raspberry Pi nhanh chóng nhận được sự đánh giá cao từ cộng đồng nhờ tính ứng dụng đa dạng và phần cứng hỗ trợ tốt Raspberry Pi thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu khả năng xử lý mạnh mẽ, đa nhiệm và chi phí thấp, hiện đã có hàng ngàn ứng dụng đa dạng được cài đặt trên thiết bị này.
Hình 3-43 Rasberry có kích thước rất nhỏ
Raspberry Pi là một máy vi tính tích hợp đầy đủ các thành phần cần thiết, bao gồm bộ xử lý SoC Broadcom BCM2835 với CPU, GPU, RAM, khe cắm thẻ microSD, Wi-Fi, Bluetooth và 4 cổng USB 2.0.
Hình 3-44 Cấu tạo cơ bản của Raspberry b Điểm nổi bật của Raspberry
Raspberry Pi có giá chỉ từ 25$, là một bo mạch lý tưởng cho nhiều ứng dụng hàng ngày như lướt web, lập trình và xem phim, cũng như các dự án sáng tạo như điều khiển robot và xây dựng nhà thông minh Đặc biệt, thiết bị này tiết kiệm điện năng và có khả năng hoạt động liên tục 24/7.
Raspberry Pi sử dụng hệ điều hành Linux cho phép thực hiện hầu hết các tác vụ giống như trên máy tính Windows, với lợi ích lớn là tất cả đều miễn phí.
Raspberry Pi là một thiết bị nhỏ gọn, chỉ bằng kích thước thẻ ATM và nặng dưới 50 gram Khi kết nối với tivi, nó có thể trở thành một thiết bị giải trí thông minh Ngoài ra, khi kết nối với màn hình, bàn phím và chuột, Raspberry Pi có thể hoạt động như một máy tính thực thụ, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.
Cộng đồng Raspberry Pi đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, nơi mà hầu hết các thắc mắc được giải đáp nhanh chóng Ngoài ra, người dùng còn có thể khám phá nhiều dự án đã hoàn thành và vô số ý tưởng sáng tạo độc đáo.
3.5.4 Raspberry Pi 3 a Thông số cơ bản của Raspberry 3
Trái tim của Raspberry Pi 3: Là bộ vi xử lý ARM Cortex A53, tốc độ 1.2GHz gấp 10 lần so với thế hệ đầu tiên.
1 HDMI Video/Cổng kết nối âm thanh: kết nối Pi với màn hình máy tính
Hệ thống GPIO: Gồm 40 chân chia làm hai hàng Từ đây ta có thể kết nối và điều khiển rất nhiều thiết bị điện tử khác.
Ngõ HDMI: dùng để kết nối Pi với màn hình máy tính hay màn hình tivi.
Ngõ audio 3.5mm: kết nối Pi với loa ngoài
Cổng CSI: khe cắm này là để cắm module camera vào Raspberry.
Cổng DSI: nơi đây sẽ giúp ta có thể cắm module camera vào Raspberry.
Cổng USB: Raspberry Pi tích hợp 4 cổng USB.
Cổng Ethernet: cho phép kết nối Internet dễ dàng.
Khe cắm thẻ SD: Raspberry Pi không tích hợp ổ cứng Thay vào đó là dùng thẻ SD.
Nguồn cho Raspberry: Jack nguồn micro USB 5V với nguồn lý tưởng choRaspberry là nguồn DC 5V-2.5A. b Các chân GPIO kết nối của Raspberry Pi 3
Hình 3-46 Các GPIO của Raspberry Pi 3
Raspberry Pi sở hữu tính năng tiện ích với hàng chân GPIO (đầu vào/ra đa năng) ở cạnh trên của bảng Trên Raspberry Pi 3, có 40 chân I/O có thể được lập trình để hoạt động như chân đầu vào hoặc đầu ra, phục vụ cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Hình 3-47 Chức năng cơ bản của GPIO
Chân Voltages trên Raspberry Pi bao gồm 2 chân 3V3 và 2 chân 5V, với dòng điện tối đa khoảng 50 mA, đủ để cấp nguồn cho một số đèn LED hoặc bộ vi xử lý Tất cả các mẫu Raspberry Pi từ Model B+ trở đi có khả năng cung cấp lên đến 500 mA nhờ vào bộ điều chỉnh chuyển mạch, đảm bảo hoạt động an toàn.
Outputs: Các chân GPIO có thể cài đặt thành chân output với mức điện áp 3.3V (chân 3V3), 5V (chân 5V) và 0V (chân GND)
Inputs: Chân GPIO có thể cài đặt làm chân đầu vào và được đọc là cao
Giao thức truyền thông SPI trong Raspberry cho phép cấu hình các chân GPIO với điện áp 3V3 hoặc 0V, dễ dàng thực hiện nhờ vào việc sử dụng điện trở kéo lên hoặc kéo xuống bên trong Trong khi GPIO2 và GPIO3 đã được trang bị điện trở kéo lên cố định, các chân GPIO khác có thể được tùy chỉnh thông qua phần mềm.
SPI (Serial Peripheral Bus) là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao, hoạt động theo kiểu Master-Slave với một chip Master điều phối và các chip Slave được điều khiển bởi Master Giao tiếp trong SPI chỉ diễn ra giữa Master và Slave, cho phép truyền thông song công (full duplex), nghĩa là quá trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời Chuẩn này thường được gọi là “4 dây” do cấu trúc kết nối của nó.
4 đường giao tiếp trong chuẩn này đó là SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Ouput Slave Input) và CE
Hình 3-48 Các GPIO của giao thức SPI trên Raspberry
SPI0: MOSI (GPIO10); MISO (GPIO9); SCLK (GPIO11); CE0
SPI1: MOSI (GPIO20); MISO (GPIO19); SCLK (GPIO21); CE0
(GPIO18); CE1(GPIO17); CE2 (GPIO16) Trong đó:
MISO: Master Input / Slave Output: nếu là chip Master thì đây là đường
Input còn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output MISO của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau.
MOSI: Master Output / Slave Input: nếu là chip Master thì đây là đường
Output còn nếu là chip Slave thì MOSI là Input MOSI của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau.
Chân SCK đóng vai trò quan trọng trong giao tiếp SPI, cung cấp xung nhịp cần thiết cho quá trình truyền dữ liệu đồng bộ Mỗi xung trên chân SCK tương ứng với 1 bit dữ liệu được truyền đi hoặc nhận về, tạo nên sự khác biệt so với giao tiếp không đồng bộ như UART Sự hiện diện của chân SCK giúp giảm thiểu lỗi trong quá trình truyền, cho phép SPI đạt tốc độ truyền rất cao Xung nhịp này chỉ được tạo ra bởi chip Master.
Hệ thống giám sát và điều khiển
Nhóm chúng em phát triển hệ thống giám sát đèn chiếu sáng thông qua Web Server, cho phép người dùng thực hiện việc giám sát và điều khiển dễ dàng trên trình duyệt mạng.
Web Server là một máy chủ Web, phục vụ nội dung cho Web Client như Web Browser khi có yêu cầu truy cập Nó xử lý thông tin yêu cầu và phản hồi bằng các định dạng như HTML, Javascript, CSS, JSON và dữ liệu Binary HTML, Javascript và CSS là ba ngôn ngữ chính để xây dựng và phát triển Web.
HTML, viết tắt của Hyper Text Markup Language, là ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản dùng để cấu trúc nội dung trang Web, bao gồm việc chỉ định các đoạn văn bản, tiêu đề, bảng dữ liệu, cũng như nhúng hình ảnh và video Mỗi trang Web thường chứa nhiều liên kết đến các trang khác, gọi là hyperlinks, và được tạo ra từ nhiều thẻ (tag) khác nhau.
JavaScript là ngôn ngữ chủ yếu dùng để tăng cường tính tương tác cho các trang web và phát triển ứng dụng web Các chương trình JavaScript có thể được nhúng trực tiếp vào HTML, cho phép thực thi khi người dùng mở trang, nhấp chuột, gõ phím, gửi biểu mẫu, hoặc cập nhật dữ liệu Để nhúng JavaScript vào trang HTML, chỉ cần sử dụng thẻ thích hợp.
CSS, hay Cascading Style Sheets, là ngôn ngữ thiết kế giao diện Web, giúp cải thiện vẻ đẹp của các trang Web Nó cho phép kiểm soát màu sắc, phong chữ và kích cỡ chữ, mang lại trải nghiệm người dùng tốt hơn.
PHP, viết tắt của "Personal Home Page", được Rasmus Lerdorf phát triển vào năm 1994 và đã trở thành "PHP: Hypertext Preprocessor" nhờ tính hữu dụng và khả năng phát triển của nó Là một ngôn ngữ lập trình kịch bản mã nguồn mở, PHP chủ yếu được sử dụng để phát triển ứng dụng web, dễ dàng nhúng vào HTML Với tốc độ nhanh, cú pháp tương tự C và Java, cùng với thời gian xây dựng sản phẩm ngắn, PHP đã nhanh chóng trở thành ngôn ngữ lập trình web phổ biến nhất PHP hoạt động trên máy chủ (Server-Side) và không phụ thuộc vào môi trường (cross-platform), cho phép mã PHP chạy trên nhiều máy chủ khác nhau mà không cần chỉnh sửa nhiều.
Hình 3-56 Lưu đồ thuật toán của Web Server
MySQL là hệ quản trị cơ sở dữ liệu mã nguồn mở phổ biến nhất, được ưa chuộng bởi các nhà phát triển ứng dụng nhờ vào tốc độ cao, tính ổn định và dễ sử dụng Hệ thống này hoạt động trên nhiều nền tảng như Windows, Linux, Mac OS X và Unix, cung cấp một loạt các hàm tiện ích mạnh mẽ Với khả năng bảo mật tốt, MySQL rất phù hợp cho các ứng dụng truy cập cơ sở dữ liệu qua internet Là một ví dụ điển hình của Hệ Quản trị Cơ sở dữ liệu quan hệ, MySQL sử dụng Ngôn ngữ truy vấn có cấu trúc (SQL) và hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình như NodeJs, PHP và Perl, trở thành nơi lưu trữ thông tin cho các trang web được phát triển bằng các ngôn ngữ này.
Cơ sở dữ liệu MySQL của Web Server thể hiện trên hình sau:
Hình 3-57 Cơ sở dữ liệu của Web Server
id: đỉa chỉ của Node.
position: vị trí của Node.
status: trạng thái của Node, trong đó: status = 1 (đèn đang sáng), status
2 (đèn đang tắt), giá trị khác (đèn bị lỗi).
update_time: thời gian gần nhất server nhận được dữ liệu từ các Node.
action: lệnh hành động, trong đó: action = 1 (lệnh bật đèn), action = 0
Để tắt đèn, sử dụng lệnh với action = -1 khi không có lệnh điều khiển Để truy cập vào Web Server, hãy nhập địa chỉ IP của máy Server, thường có dạng 192.168.x.y Trong trường hợp này, địa chỉ IP cần truy cập là 192.168.137.1 Giao diện của Server được chia thành ba phần chính.
Các nút bấm để điều khiển: bật, tắt, ngoài ra có thể bật/tắt đồng thời bằng cách nhấn bật toàn bộ/tắt toàn bộ.
Trạng thái của đèn được biểu thị qua các màu sắc khác nhau: màu xanh dương cho biết đèn đang bật, màu xám cho thấy đèn đang tắt, và màu vàng chỉ ra rằng đèn đang gặp lỗi.
Vị trí của đèn: Tên đường đặt cột đèn, ví dụ trên hình 3-33, Node 3 đang được đặt tại đường Yên Lãng và đèn đang được bật.
Dưới đây là giao diện hệ thống điều khiển trên máy tính.
Hình 3-58 Giao diện Web Server điều khiển trên máy tính
Ngoài ra, Web Server còn có chức năng thông báo lỗi khi gặp sự cố mất kết nối giữa Gateway và các Node (Node mất điện, lỗi đường truyền,
…) Khi quá 5 phút mà Server không nhận được trạng thái cập nhật từGateway thì sẽ thông báo lỗi.
Kết luận
Trong chương 3, chúng em đã xây dựng mô hình mạng cảm biến không dây để giám sát và điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng, bao gồm các thành phần như Gateway, Node cảm biến và Web Server cho hệ thống giám sát điều khiển Bên cạnh đó, chúng em cũng đã thiết kế phần cứng và trình bày thuật toán hoạt động của các thành phần trong hệ thống.
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Kết quả đạt được
Sau khi thiết kế thành công sản phẩm và đưa vào thực nghiệm, chúng em đã đạt được một số kết quả sau:
Đưa ra ý tưởng cho hệ thống chiếu sáng giúp tối ưu năng lượng và kinh phí lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng.
Hệ thống chiếu sáng được đưa vào thực nghiệm ở mức cơ bản:
Điều khiển bật/tắt, theo dõi trạng thái hoạt động của đèn từ xa.
Có khả năng nhận thông báo định kỳ lỗi khi gặp sự cố.
Có khả năng hoạt động lâu dài, ổn định.
Hệ thống được trang bị đèn LED giúp tiết kiệm năng lượng.
4.1.1 Hình ảnh sản phẩm thực tế a Node cảm biến
Mô phỏng mạch nguyên lý sau khi được thiết kế bằng phần mềmAltium Designer và hình ảnh thực tế sau khi hàn linh kiện.
Hình 4-59 Hình ảnh Node cảm biến mô phỏng và thực tế
Hình 4-60 Node cảm biến sau khi đóng hộp b Trung tâm xử lý Gateway
Hình 4-61 Hình ảnh thực tế sản phẩm Gateway c Màn hình giao diện điều khiển
Hình 4-62 Giao diện điều khiển Web Server
Giao diện giám sát điều khiển đơn giản, cho phép người dùng bật tắt toàn bộ hệ thống hoặc từng phần tử riêng lẻ Giao diện này có thể truy cập qua cả máy tính và điện thoại Bản tin từ Node cảm biến về Gateway được giải mã và hiển thị theo màu sắc tương ứng, giúp người sử dụng dễ dàng xác định tình trạng hệ thống thông qua trạng thái của đèn, từ đó thực hiện khắc phục và sửa chữa khi cần thiết.
4.1.2 Khoảng cách truyền thực tế
Sau khi hoàn thành thiết kế sản phẩm, chúng tôi đã tiến hành thực nghiệm thực tế tại vị trí Gateway ở tầng 4 tòa nhà C9, Đại học Bách Khoa Hà Nội và thu được những kết quả đáng chú ý.
Trên tầng có 4 vị trí cao, thông thoáng dễ tiến hành thực nghiệm
Vị trí đặt Node cảm biến lần lượt tại: Cổng trường Trần Đại Nghĩa, tòa nhàC6, tòa nhà D6, tòa nhà D9.
Hình 4-63 Thực nghiệm khoảng cách truyền nhận thực tế lần 1
Kết quả thực nghiệm cho thấy Node đặt tại C6 cách Gateway 250m và Node tại D6 cách Gateway 200m đã nhận được tín hiệu và phản hồi về Gateway Tuy nhiên, hai Node tại tòa nhà D9 cách Gateway 300m và cổng trường Trần Đại Nghĩa cách Gateway 350m không nhận được tín hiệu Nguyên nhân chủ yếu là do khoảng cách truyền nhận xa và sự cản trở từ nhiều tòa nhà lớn cùng cây cối trên đường truyền Thí nghiệm được thực hiện khi vị trí đặt Gateway tại cổng Parabol trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Vị trí đặt Node cảm biến tại: Cổng trường Trần Đại Nghĩa.
Hình 4-64 Thực nghiệm truyền nhận khoảng cách thực tế lần 2
Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng các Node được đặt tại cổng Trần Đại Nghĩa, cách Gateway 450m, đã nhận tín hiệu và phản hồi về Gateway Trong tình huống này, do ít vật cản và đường truyền thông thoáng, tín hiệu rất ổn định.
Khoảng cách truyền thực tế thường nhỏ hơn so với lý thuyết do các linh kiện thiết bị chưa đạt tiêu chuẩn Hơn nữa, khả năng lập trình tối ưu bài toán còn hạn chế, và vị trí của Gateway chưa đủ cao, bị ảnh hưởng bởi nhiều vật cản như tòa nhà và cây lớn.
Kịch bản thử nghiệm
4.2.1 Điều khiển từng đèn riêng biệt
Chúng em sẽ tiến hành bật đèn số 3 từ Webserver và quan sát:
Hình 4-65 Thực nghiệm bật đèn số 3
Ta có thể thấy đèn số 3 đang được bật và trên giao diện hiển thị trạng thái màu xanh, sau khi tắt sẽ chuyển sang màu xám.
Hình 4-66 Hiển thị điều khiển đèn số 3 đã bật trên Web Server
4.2.2 Điều khiển toàn bộ 4 đèn
Tiến hành bật toàn bộ hệ thống gồm 4 đèn từ Web Server.
Hình 4-67 Thực nghiệm bật toàn bộ 4 đèn
Hình 4-68 Hiển thị toàn bộ 4 đèn đã bật trên Web Server
Trên giao diện Web Server, người dùng có thể theo dõi trạng thái của đèn, với màu xanh biểu thị đèn đã được bật và màu xám cho thấy đèn đã được tắt từ trung tâm điều khiển.
4.2.3 Sự cố đèn lỗi không sáng được Để mô phỏng trường hợp đèn cháy, chúng em tiến hành ngắt nguồn điện của đèn số 3, sau đó đưa ra lệnh điều khiển bật đèn Node cảm biến vẫn nhận được tín hiệu bật đèn và đóng rơ-le, tuy nhiên đèn không sáng được Cảm biến quang không nhận được ánh sáng chiếu vào nên sau 30s kiểm tra trạng thái, Node cảm biến sẽ gửi bản tin báo lỗi về hệ thống chủ. Trên Server sẽ hiện lên màu vàng với đèn không sáng tương ứng.
Hình 4-69 Thực nghiệm một đèn bị lỗi không sáng được
Hình 4-70 Hiển thị đèn bị lỗi trên Web Server
Trên giao diện Web Server, đèn báo lỗi màu vàng tại Node 3 cho thấy có sự cố cần được khắc phục kịp thời.
4.2.4 Sự cố mất điện a Nguồn cấp điện của đèn và Node cảm biến bị ngắt
Trong kịch bản này, chúng tôi sẽ bật đèn và sau đó ngắt toàn bộ nguồn cung cấp của đèn cùng với Node cảm biến số 4 để mô phỏng sự cố mất điện đột ngột Nếu thời gian mất tín hiệu kéo dài hơn 5 phút, Gateway sẽ không nhận được tín hiệu trả về từ Node, dẫn đến việc hệ thống hiển thị lỗi màu đỏ.
Hình 4-71Thực nghiệm sự cố mất điện
Hình 4-72 Hiện thị sự cố mất điện của đèn trên Web Server
Giao diện web hiển thị đèn số 4 màu đỏ, cho thấy lỗi mất kết nối Người điều khiển cần xác định lỗi và vị trí của Node để khắc phục sự cố Sau khi gặp sự cố ngắt điện, hệ thống đã có điện trở lại.
Sau khi cung cấp nguồn điện trở lại, đèn sẽ trở lại trạng thái hoạt động trước đó.
Hình 4-73 Hiển thị trạng thái đèn sau sự cố ngắt điện rồi có điện trở lại trên Web Server
Khi quan sát giao diện Web, đèn sẽ hiển thị màu đỏ để báo lỗi nếu mất điện kéo dài hơn 5 phút Hệ thống sẽ chuyển sang màu xanh trở lại khi nguồn điện được khôi phục.
Kết luận
Trong quá trình thực hiện đồ án nhóm, chúng em đã nỗ lực hoàn thành tốt các nhiệm vụ được giao Nhóm đã thành công trong việc thiết kế hệ thống “Thiết kế, giám sát đèn chiếu sáng sử dụng mạng cảm biến không dây LoRa” Kết quả thực nghiệm đạt được đã đáp ứng đầy đủ các tiêu chí ban đầu.
Hệ thống sau khi hoàn thành có khả năng làm việc như sau:
- Điều khiển bật tắt linh hoạt hệ thống chiếu sáng đèn đường
- Có khả năng phát hiện được đèn bị hỏng tại vị trí nào
Sau thực nghiệm phần nào cho thấy hệ thống có khả năng phát triển và ứng dụng trong tương lai.
Hướng phát triển
Có thể dễ dàng lắp thêm cảm biến vào Sensor Node để nâng cao khả năng phát hiện phương tiện, từ đó cải thiện chức năng chiếu sáng thông minh Trong những thời điểm thấp điểm tại thành phố, khi lượng người di chuyển ít, cảm biến sẽ giúp theo dõi lưu lượng phương tiện và đưa ra các giải pháp chiếu sáng thông minh khi có phương tiện xuất hiện.
Hình 4-74 Cải thiện tiết kiệm năng lượng
Các Node mạng cảm biến đã được thiết kế có thể ứng dụng để đo nhiệt độ và độ ô nhiễm không khí tại nhiều vị trí khác nhau trong thành phố Qua việc phân tích dữ liệu thu thập được, chúng ta có thể đưa ra các cảnh báo kịp thời và phương án xử lý hiệu quả.
Hình 4-75 Hướng phát triển hệ thống cảnh báo ô nhiễm không khí