Nghiên ứu thiết kế hệ thống hiếu sáng tự động ứng dụng trong á khu di tíh lịh sử ở tỉnh phú thọ

- Chương 3: Trình bày lưu đồ thuật toán điều khiển đối với các thiết bị cũng như thiết kế phần mềm giám sát và điều khiển tập trung.. Nguồn điện cung cấp cho các LED của đèn có tính năng

TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nghiên c u thi t k h ứ ế ế ệ thố ng chi u sáng ế

t ng ng d ng trong các khu công nghi ự độ ứ ụ ệ p

di tích l ch s T nh Phú Th ị ử ở ỉ ọ

NGUY N HOÀNG LONG Ễ

Ngành Đo lườ ng và Các h th ng đi u khi n ệ ố ề ể

Giảng viên hướng d n: PGS.Tẫ S Hoàng S Hỹ ồng

HÀ NỘI, 2020

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061132070571000000

TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nghiên c u thi t k h ứ ế ế ệ thố ng chi u sáng ế

t ng ng d ng trong các khu công nghi ự độ ứ ụ ệ p

di tích l ch s T nh Phú Th ị ử ở ỉ ọ

NGUY N HOÀNG LONG Ễ

Ngành Đo lườ ng và Các h th ng đi u khi n ệ ố ề ể

Giảng viên hướng d n: PGS.TS Hoàng S Hẫ ỹ ồng

HÀ NỘI, 2020

Chữ ký c a GVHD ủ

C NG HÒA XÃ H I CH Ộ Ộ Ủ NGHĨA VIỆT NAM

Độ ậ – ực l p T do H nh phúc – ạ

B N XÁC NH N CH NH S A LU Ả Ậ Ỉ Ử ẬN VĂN THẠC SĨ

H và tên tác gi ọ ả luận văn : Nguy n Hoàng Longễ

tài luĐề ận văn: Nghiên c u thi t k h ứ ế ế ệ thố ng chi u sáng t ng ng ế ự độ ứ

d ng trong các khu di tích l ụ ịch sử ở ỉ T nh Phú Th ọ

Chuyên ngành: Đo lường và Các h thệ ống điều khi nể

Mã số SV: CB170281

Tác giả, Người hướng d n khoa h c và Hẫ ọ ội đồng ch m luấ ận văn xác

nh n tác gi ậ ả đã sửa ch a, b sung luữ ổ ận văn theo biên bản h p Họ ội đồng ngày 26/6/2020 v i các n i dung sau: ớ ộ

1 V ấn đề ầ c n gi i quyả ết: Áp d ng m t s công ngh cao trong vi c xây ụ ộ ố ệ ệ

d ng h ự ệ thống chiếu sáng các đền chùa thu c Khu di tích nh m t o c nh ộ ằ ạ ảquan văn hóa tâm linh đặc thù phù h p vợ ới công trình Đền Hùng (thí điểm

4 Đã bổ xung cơ sở ự l a ch n ph n c ng (trang 26 30) ọ ầ ứ –

5 Chỉnh sửa sơ đồ mạch điều khiển rơ-le và bi n dòng (Hình 2-21, 34) ế tr

6 Chỉnh sửa sơ đồ khối điều khi n PWM (Hình 2-31, trang 40) ể

7 Đã chỉnh s a các l i chính t và lử ỗ ả ỗi tham chiếu hình nh và tài liả ệu

Ngày 13 tháng 7 năm 2020

Giáo viên hướng d n ẫ Tác gi luả ận văn

PGS.TS Hoàng S Hỹ ồng Nguyễn Hoàng Long

CHỦ ỊCH HỘ T I Đ ỒNG

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy/cô trong Viện Điện đã giúp đỡ và

gi ng d y tôi trong su t th i gian tôi theo h c tả ạ ố ờ ọ ại Trường Đạ ọi h c Bách khoa Hà

Nội Đó là những hành trang ki n th c quý báu giúp tôi r t nhi u trong quá trình ế ứ ấ ề

học tập, nghiên c u và làm vi c sau này ứ ệ

Luận văn này có thể ẽ không đượ s c hoàn thành n u không có s ế ự giúp đỡ,

động viên h t s c quý báu t PGS.TS.Hoàng S H ng, Ths.Nguyế ứ ừ ỹ ồ ễn Văn Đưa và các thành viên thuộc đềtài Nghiên c u ng d ng công ngh cao nh m nâng cao ứ ứ ụ ệ ằ

hi u qu qu n lý và phát tri n b n v ng khu di tích l ch s ệ ả ả ể ề ữ ị ử Quốc gia đặc biệ t Đ ề n Hùng, những người luôn tạo điều ki n nghiên cệ ứu và giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình nghiên cứu đã qua

i

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN V H TH NG CHI U SÁNG 2Ề Ệ Ố Ế1.1 Tìm hi u t ng quan v h ể ổ ề ệthống chi u sáng tế ại các không gian tín ngưỡng, tôn giáo 21.2 Thực trạng h ệthống chi u sáng chung t i di tícế ạ h Đền Hùng 41.3 Giải pháp và định hướng thiết kế ủa hệ thố c ng 8CHƯƠNG 2 THIẾT K PH N C NG H TH NG CHI U SÁNG 13Ế Ầ Ứ Ệ Ố Ế2.1 Xây dựng mô hình h ệthống chi u sáng 13ế2.2 Thiết kế thiết bị điều khi n trung tâm 16ể2.3 Thiết kế thiết bị điều khi n On/Off 26ể2.4 Thiết kế thiết bị điều khiển cường độ 31CHƯƠNG 3 THIẾT K PH N MẾ Ầ ỀM ĐIỀU KHI N VÀ GIÁM SÁT H Ể ỆTHỐNG T XAỪ 373.1 T ng quan v h ổ ề ệthống qu n lý chung khu cả ủa di tích 373.2 Mô t quá trình v n hành h ả ậ ệthống 393.3 L p trình ph n mậ ầ ềm cho vi điều khi n 42ể3.4 Thiết kế ph n mầ ềm điều khi n và giám sát h ể ệthống chi u sáng 50ếCHƯƠNG 4 KẾT QU , K CH B N TH NGHIẢ Ị Ả Ử ỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆTHỐNG 584.1 Kết quả 584.2 Th nghiử ệm hệ thống t i phòng thí nghi m 59ạ ệ4.3 Lắp đặt và th nghiử ệm hệ thống 65

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRI N 67ỂTÀI LIỆU THAM KH O 68Ả

ii

DANH M C T VIỤ Ừ ẾT TẮT

T viừ ết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Vi t ệ

ANN Artificial Neural Network Mạng nơ-ron nhân t o ạ

VAC Voltage Alternating Current Điện áp xoay chi u ề

VDC Voltage Direct Current Điện áp m t chi u ộ ề

kho ng cách xa ảRISC Reduced Instruction Set

Computer

C u trúc t p lấ ậ ệnh đơn giản hóa

TCP/IP Transmission Control Protocol/

Internet Protocol

Giao thức điều khi n truy n ể ề

nh n/ Giao ậ thức liên mạng IEEE 802.3 Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Tiêu chuẩn liên quan đến Ethernet

iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1: H ệthống chi u sáng t ng t i nhà th Temple de Lutry [1] 2 ế ự độ ạ ờ Hình 1-2: Khung c nh bên trong nhà nguy n Sixtine 3 ả ệ [2]

Hình 1-3: V p ngôi chùa l n Swedagon ẻ đẹ ớ ởMyanmar [3] 3

Hình 1-4: Cửa Ngọ Môn c a Cung thành Hu ủ ế[4] 4

Hình 1-5: Bản đồ các đền chùa thuộc khu di tích Đền Hùng 5

Hình 1-6: S d ng các bóng sử ụ ợi đốt c ếhi u sáng không gian bên trong 6

Hình 1-7: S dử ụng bóng đèn cho chiếu sáng cửa vào 6

Hình 1-8: Mô hình đèn đài sen 7

Hình 1-9: Mô hình Đèn Mặt Đất (bánh chưng) và Đèn Bầu Tr i (bánh dày) cho ờ chiếu sáng n i thấ ại Đềộ t t n Gi ng 7 ế Hình 1-10: Mô hình đấu nối các đèn LED bên trong đền Gi ng 9 ế Hình 1-11: Mô hình các giao ti p truy n nh n giế ề ậ ữa thiết bị trong h ệthống 9

Hình 1-12: Điều khi n thay ể đổi cường độ cường độ t ng gian gi m dừ ả ần theo hướng t ngoài vào trong 10 ừ Hình 1-13: Mô hình h ệthống điều khi n chi u sáng 11 ể ế Hình 2-1: Sơ đồ phân b ốchiếu sáng bên trong Đền Gi ng 13 ế Hình 2-2: Sơ đồ phân b ốthiết bị theo t ng khu v c 16 ừ ự Hình 2-3: Sơ đồ ấ c u trúc chức năng của thiết bị điều khi n trung tâm 17 ể Hình 2-4: Hình nh thả ực tế và sơ đồ chân của chip W5100 [6] 18

Hình 2-5: Sơ đồ nguyên lý kh i giao ti p Ethernet 18 ố ế Hình 2-6: Sơ đồ ết nối đườ k ng truy n RS-485 [7] 19 ề Hình 2-7: Sơ đồ chân của chip SN65HVD82 [8] 19

Hình 2-8: Sơ đồ ạ m ch nguyên lý khối chức năng RS-485 20

Hình 2-9: Sơ đồ chân mạch Lora Ra-2 [10] 21

Hình 2-10: Sơ đồ nguyên lý kh i truy n thông Lora 22 ố ề Hình 2-11: Hình nh thả ực tế ủa chip Atmega 2560 [ c 11] 22

Hình 2-12: Sơ đồ nguyên lý khối điều khi n trung tâm 23 ể Hình 2-13: Sơ đồ chân DS1307 loại 8-pin 24

Hình 2-14: Sơ đồ kh i c a DS 1307 ố ủ [12] 24 Hình 2-15: Sơ đồ nguyên lý kh i th i gian th c 25 ố ờ ự

iv

Hình 2-16: B n v 3D và m ch in thiả ẽ ạ ết bị điều khi n trung tâm 26 ể Hình 2-17: Sơ đồ các khối chức năng của thiế ị điềt b u khi n On/Off 26 ể Hình 2-18: Module PZEM004T đo điện áp, dòng điện và công su 27 ất

Hình 2-19: Sơ đồ đo trên thiết bị 28

Hình 2-20: Hình nh Relay JQC-3FF-12VDC-1ZS 28 ả Hình 2-21: Sơ đồ nguyên lý khối điều khi n Relay 29 ể Hình 2-22: sơ đồ chân linh ki n UNL 2803 29 ệ Hình 2-23: bi n dòng ZMCT103 30 ế Hình 2-24: Sơ đồ kh i ZMCT103 30 ố Hình 2-25: Kh i phát hiố ện dòng điện 30

Hình 2-26: B n v 3D và m ch in thiả ẽ ạ ết bị điều khi n On/Off 31 ể Hình 2-27: Sơ đồchức năng thiế ị điềt b u khiển cường độ 32

Hình 2-28: Hình nh thả ực tế ộ điề b u khi n LED ể EUG-150S210DV [13] 32

Hình 2-29: Điều khi n Driver Led EUG-150S210DV b ng xung PWM [13] 33 ể ằ Hình 2-30: Sơ đồ chân LM358 34

Hình 2-31: Sơ đồ nguyên lý khuếch đại tín hi u PWM 35 ệ Hình 2-32: Đo tín hiệu điều khi n PWM 36 ể Hình 2-33: B n v 3D và thiả ẽ ết kế ạ m ch in thiết bị điều khiển cường độ 36

Hình 3-1: Mô hình h ệthống quản lý giám sát chung cho di tích Đền Hùng 37

Hình 3-2: Các thành ph n h ầ ệthống trung tâm quản lý và giám sát điều hành 38

Hình 3-3: C u trúc b n tin truy n nh n TCP/IP 40 ấ ả ề ậ Hình 3-4: C u trúc bấ ản tin đường truy n RS-485 40 ề Hình 3-5: Quá trình theo dõi và giám sát các thông số ệ ố h th ng 41

Hình 3-6: Quá trình c p nhậ ật trạng thái đèn bị thay đổi do người dùng 41

Hình 3-7: Lưu đồ thuật toán điều khi n thiể ết bị trung tâm 43

Hình 3-8: Lưu đồ ử x lý y u c u t ph n m m cề ầ ừ ầ ề ủa thiết bị trung tâm 44

Hình 3-9: C u trúc truy n nh n b n tin RS-485 45 ấ ề ậ ả Hình 3-10: Lưu đồ điều khi n theo kể ịch bản 46

Hình 3-11: Lưu đồ nh n bậ ản tin điều khi n 47 ể Hình 3-12: Lưu đồ thuật toán điều khi n thi t b ể ế ịON/OFF 48

Hình 3-13: Lưu đồ thuật toán điều khi n thi t b ể ế ị cường độ 50

Hình 3-14: Gói ph n mầ ềm visual studio 2019 51

v

Hình 3-15: Sơ đồ màn hình chức năng phần mềm chiếu sáng 52

Hình 3-16: Giao di n màn hình giám sát 53 ệ Hình 3-17: Các tính năng của giao di n màn hình giám sát 53 ệ Hình 3-18: Giao diện màn hình điều khi n 54 ể Hình 3-19: Giao diện màn hình điều khi n t ng gian 55 ể ừ Hình 3-20: Màn hình điều khi n Gian ngoài 56 ể Hình 3-21: Màn hình điều khi n Gian trong 56 ể Hình 3-22: Màn hình giao di n chệ ức năng cài đặt kịch bản 57

Hình 4-1: Thiết bị điều khi n trung tâm 58 ể Hình 4-2: Thiết bị điều khiển cường độsáng 58

Hình 4-3: Thiết bị điều khiển đóng cắt hai tr ng thái 59 ạ Hình 4-4: Đóng hộp thiết bị 59

Hình 4-5: Mô hình h ệ đo công suất 62

Hình 4-6: Mô hình th nghiử ểm chức năng phát hiện cháy bóng 63

Hình 4-7: Bi u di n k t qu ể ễ ế ả dưới dạng biểu đồ 64

Hình 4-8: Hình ảnh đèn bánh chưng, bánh dày và đài sen 65

Hình 4-9: Hình nh chi u sáng bên ngoà 65 ả ế i, Hình 4-10: Hình nh thả ực tế ệ chiế h u sáng tại Đền Gi ng ngày rế ằm 66

vi

DANH M C BỤ ẢNG Bi U Ể

B ng 2-ả 1: Phương án cụm đèn cho từng khu vực chiếu sáng Đền Gi ng 14 ế

B ng 2-2: Chả ức năng các chân của chip SN65HVD82 19

B ng 2-3: So sánh ba công ngh SigFox, LoRa và NB-IoT 20 ả ệ B ng 2-4: B ng thông s k ả ả ố ỹthuật Atmega 2560 23

B ng 2-6: B ng thông s k ả ả ố ỹthuậ ủt c a ZMCT- 103 30

B ng 2-7: ả Thông số ỹ thuậ k t xung PWM 33

B ng 2-8: B n ả ả chức năng các chân LM358 34

B ng 4-1: kả ết quả kh o sát kh ả ả năng hoạt động trong 10 ngày 61

B ng 4-2: Kả ết quả đo thông số điệ ủn c a hai loại thiết bị chấp hành 62

B ng 4-3: Kả ết quả điện năng tiêu thụ ủa từ c ng thiết bị 62

B ng 4-4: B ng kả ả ết quả mô phỏng cháy bóng và phát hiện 63

v t kiềtiế ệm năng lượng, nâng cao hi u qu v n hành, cung c p các thông tin cệ ả ậ ấ ần thiế ểt đ qu n lý t xa ả ừ

Trong luận văn này, tác gi ti n hành thi t k h ả ế ế ế ệthống chi u sáng ng d ng tế ứ ụ ại khu vực đền Gi ng thu c khu di tích l ch s quế ộ ị ử ốc gia Đền Hùng Luận văn gồm

bốn chương trong đó sẽ trình bày:

- Chương 1: Tổng quan về hệ thống chiếu sáng, thực trạng hệ thống chiếu sáng tại đền Giếng để từ đó đưa ra mục tiêu cho hệ thống chiếu sáng

- Chương 2: Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống dựa theo mục tiêu thiết

kế và các khảo sát thực tế tại đền Tiến hành phân tích thiết kế phần cứng các thiết bị có trong hệ thống

- Chương 3: Trình bày lưu đồ thuật toán điều khiển đối với các thiết bị cũng như thiết kế phần mềm giám sát và điều khiển tập trung

- Chương 4: Trình bày kết quả, kịch bản thử nghiệm hệ thống và một số hình ảnh lắp đặt thực tế tại Đền Giếng

2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG

1.1 Tìm hiểu tổng quan về hệ thống chiếu sáng tại các không gian tín ngưỡng, tôn giáo

V i s phát triớ ự ển vượ ật b c c a thi t b ủ ế ị chiếu sáng đã giúp cho chiếu sáng ki n ếtrúc phát triển nhanh chóng Các phương pháp chiếu sáng không còn b gi i hị ớ ạn chỉ đơn giản b t t t ậ ắ như trước kia mà gi có th ờ ể thay đổi để ạ t o ra các khu c nh ảkhông gian phù h p Hi n nay h ợ ệ ệthống chi u sáng thông minh không ch áp d ng ế ỉ ụtrong các toàn nhà văn phòng hay các công trình chiếu sáng công c ng nh m giúp ộ ằtiết kiệm điện năng mà còn được nghiên c u tri n khai t i các b o tàng, nhà th , ứ ể ạ ả ờ

nh ng công trình ki n trúc n i bữ ế ổ ật mang tính biểu tượng Chính nh ng s ữ ự thay đổi trên đã mang lạ ếi k t qu t t, làm tôn nên v p, giá tr ả ố ẻ đẹ ị tâm linh… giúp thu hút khách tham quan du l ch Ví d h ị ụ ệ thống qu n lý chi u sáng cho nhà th Temple ả ế ờ

de Lutry, Thụy s ỹ đã được hãng Tridonic tri n khai lể ắp đặt mới đây Error! Reference source not found

Hình 1-1: H ệthố ng chi u sáng t ng t i nhà th Temple de Lutry ế ự độ ạ ờ [1]

Các yêu c u nghiêm ngầ ặt đặt ra là v a ph i k t nừ ả ế ối các điểm sáng LED v i h ớ ệthống điều khi n ánh sáng, v a h n ch viể ừ ạ ế ệc đặt dây ngu n ho c dây cáp theo quan ồ ặđiểm gi nguyên cữ ấu trúc 1000 năm của nhà th Do v y h th ng s d ng công ờ ậ ệ ố ử ụngh không dây Bluetooệ th để t o ra m t mạ ộ ạng lưới 127 điểm chiếu sáng được quản

lý thông qua ứng d ng ph n mụ ầ ềm trên điện tho i tên là Tridonic 4remote BT Qua ạ

ứng d ng cho phép b t/ t t t ng b ụ ậ ắ ừ ộ đèn riêng lẻ ho c toàn b ặ ộ nhóm đèn được xác định, các module LED cho có th ể điều ch nh nhiỉ ệt độ màu để tùy ch nh b n khung ỉ ố

c nh ánh sáng khác nhau Ngoài h ả ệthống còn có kịch bản chi u sáng t ng cho ế ự độcác tua du lịch khi tham quan nhà th ờ

3

M t ví d khác là nhà nguy n Sistine Rome (ộ ụ ệ ở Error! Reference source not found.) c ng lũ đã ắp đặt m t h ộ ệ thống chiếu sáng LED được thi t k ế ế để chiếu sáng các tác ph m n i ti ng th gi i c a Michelangelo H ẩ ổ ế ế ớ ủ ệthống lắp đặt m i cung cớ ấp

độ chiếu sáng cao hơn, tiêu thụ ít năng lượng hơn 60% so vớ ệi h thống cũ Nhờ h ệthống chi u sáng m i v i khoế ớ ớ ảng 7000 bóng LED Osram được s d ng, các b c ử ụ ứ

h a trên mái vòm và các bọ ức tường miêu t thiên thả ần và các tiên tri, được miêu t ả

b ng nhi u màu s c khác nhau gi ằ ề ắ ờ đây xuất hiện trước mặt du khách đến Nhà nguy n Sistine trong tệ ất cả ẻ đẹ v p của nó

T i khu vạ ực Châu Á, nơi là cái nôi của nhi u n n tôn giáo l n, chúng ta s ề ề ớ ẽthấy

v p nh ng ngôi chùa tháp ẻ đẹ ữ ở Nhật như Miyajima, Kuyomizu-Dera, Asakura,… hay như chùa Swedagon, Golden Rock ở Myanmar được gia tăng bội ph n khi ầchiếu sáng v ề đêm Nếu chùa Swedagon r c r v i ánh sáng vàng, thì Golden Rock ự ỡ ớhuy n o, thiêng liêng về ả ới nhiều ki u chi u sáng v i nhi u màu sể ế ớ ề ắc thay đổi

Hình 1-3: V p ngôi chùa l n Swedagon ẻ đẹ ớ ởMyanmar [3]

4

Ở nước ta cũng đã có nhiều h thệ ống đèn chiếu sáng hiện đại cho các ki n trúc ế

c n i b t, mổ ổ ậ ới đượ ắp đặc l t những năm gần đây như ởNgọ Môn, Đại N i Huộ ế, Hoàng Thành Thăng Long hay Hồ Hoàn Ki m, Hà N i Các h th ng chi u sáng ế ộ ệ ố ếhiện đại này đã làm cho Lầu Ngũ Phụng, Ng ọ Môn, Tháp Rùa có nét đẹp mới chưa

t ng có v ừ ề đêm, lại vừa tôn cao giá tr c a ki n trúc c kính này ị ủ ế ổ

Hình 1-4: C a Ng Môn c a Cung thành Hu ử ọ ủ ế[4]

Tuy v y, chi u sáng cho các công trình kiậ ế ến trúc mang tính tôn giáo tín ngưỡng như đền chùa vẫn chưa được th c s quan tâm do vự ự ậy không đạt được giá tr ị thẩm

m v n có Ph biỹ ố ổ ến hơn cả ẫ v n là kiểu giăng đèn bóng tròn đốt tim, có th ể chỉ

m t màu vàng, có th nhiộ ể ều màu (xanh, đỏ, vàng…), giăng theo hình dáng bảo tháp hay mái chùa.Vi c b trí chi u sáng mang tính t phát và g p nhiệ ố ế ự ặ ều khó khăn trong qu n lý, ả dù cho đó là ngôi chùa lớn Nếu được áp d ng nh ng công ngh ụ ữ ệ

m i vào chi u sáng, chúng ta có th làm tôn thêm v p cớ ế ể ẻ đẹ ủa kiến trúc

1.2. Thực trạng hệ thống chiếu sáng chung tại di tích Đền Hùng

Đền Hùng là di tích l ch s ị ử văn hoá đặc bi t quan tr ng c a qu c gia (B Văn ệ ọ ủ ố ộhóa thông tin x p hế ạng năm 1962), được xây d ng trên núi Hùng - ự thuộc đất Phong Châu - vốn là đấ ế đô của Nhà nước Văn Lang 4.000 năm trước đây Toàn bột k Khu di tích có 4 đền, 1 chùa và 1 lăng hài hoà (từ năm 2001 đến nay có xây d ng ựthêm 2 đền) trong cảnh thiên nhiên, có địa th cao r t ngo n mế ấ ạ ục, hùng vĩ, đất đầy khí thiêng của sơn thuỷ ội tụ h

Năm 2012, UNESCO công nhận Tín ngưỡng th ờ cúng Hùng Vương ở Phú Th ọ

là di sản văn hóa phi vật th c a nhân lo i v i nh ng y u t ể ủ ạ ớ ữ ế ố thuộc đờ ối s ng tâm linh của người Việt Nam đã tồ ạ ừ hàng nghìn năm nay, thể ện t i t hi n n n t ng tinh ề ảthần đại đoàn kết dân t c và g n k t cộ ắ ế ộng đồng Tính độc đáo của tín ngưỡng này

5

thể ệ ấ hi n r t rõ y u t ờ Hùng Vương chính là thờở ế ốth Qu c tổ Đây là bả ắc văn ố n shóa không ph i dân tả ộc nào cũng có Trong đó, khu vực I (vùng lõi) có di n tích ệ32,2 ha bao gồm các di tích Đền Thượng, Đền Trung, Đền Hạ, Đền Giếng, Lăng Vua Hùng, Chùa Thiên Quang, B o tháp, Nhà th T , gác Chuông thu c di n b o ả ờ ổ ộ ệ ả

t n nguyên tr ng Bồ ạ ản đồ toàn th c a Khu di tícể ủ h Đền Hùng được th hiể ện như trên

Hình 1-5: Bản đồ các đền chùa thuộc khu di tích Đề n Hùng

Qua kh o sát hi n trả ệ ạng sơ bộ ề v tình hình chi u sáng tế ại các Đền Hạ, Đền Trung, Đền Thượng và Đền Gi ng thì th y v n 100% s d ng các lo i ngu n sáng ế ấ ẫ ử ụ ạ ồkhông thích hợp như đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang (chi u sáng n i thế ộ ất), đèn Natri cao áp, đèn Metal Halide (loại đèn CSC phù hợp chiếu sáng đường ph )… Đây là ốcác loại đèn truyền thống, có ưu điểm là d lễ ắp, đơn giản nhưng cũng có nhiều h n ạchế như ánh sáng đơn điệu, tu i th không cao, hi u qu s dổ ọ ệ ả ử ụng năng lượng th p, ấtiêu tốn nhiều điện năng, tạo nhi u nhi t và các tia h ng ngoề ệ ồ ại làm hư hỏng, giảm tuổi th c a các v t d ng th i cúng giá tr cao Nhi u v trí còn có hiọ ủ ậ ụ ờ ị ề ị ện tương ô nhiễm môi trường ánh sáng (th a ánh sáng quá mừ ức) Error! Reference source not found mô t ả đèn sợi đốt và s d ng trong n i thử ụ ộ ất các khu đền thuộc Đền Hùng

Hình 1-7 S d : ử ụng bóng đèn cho chiế u sáng c a vào ử

H ệthống chi u sáng tế ại các đề đền u thi t k theo cách truy n th ng, s d ng ế ế ề ố ử ụcác công tắc điều khiển để ậ ắ b t t t ngay tại đền Vi c ệ quản lý chi u sáng mang tính ế

t ự phát và không có tính đồng b Ngoài ra còn xu t hi n m t s bóng trên mái nhà ộ ấ ệ ộ ố

và ngoài hiên b hị ỏng nhưng chưa được thay th ế

T nh ng kh o sát th c t , v i mong mu n áp d ng m t s công ngh cao trong ừ ữ ả ự ế ớ ố ụ ộ ố ệ

vi c xây d ng h th ng thông tin t p trung nâng t m giá tr khu di tích l ch s ệ ự ệ ố ậ ầ ị ị ử Đền Hùng, t ừ năm 2017, Trung tâm Công nghệ Vi điệ ửn t và Tin h c ph i họ ố ợp v i Khu ớ

di tích l ch s ị ử Đền Hùng th c hiự ện đề tài nghiên c u:" Nghiên c uứ ứ , ứng d ng công ụngh cao nh m nâng cao hi u qu ệ ằ ệ ảquản lý và phát triển bền v ng Khu di tích lữ ịch

N i dung nghiên c u bao gộ ứ ồm:

- Thiết kế chế tạo các đèn có kiểu dáng và tính năng đặc biệt phù hợp với khu

di tích Trong đó, đã nghiên cứu chế tạo các đèn kiểu dáng và tính năng đặc biệt phù hợp với khu di tích:

+ LED đài sen có các tính năng đặc biệt như (i) kh ả năng thay đổi góc m , (ii) ởthay đ i cưổ ờng độ sáng tùy bi n ế như trên Hình 1-8

+ B ộ đèn bánh trưng Đèn Mặ( t Đất) ồg m hai b ộ đèn, tượng trưng cho mặ ất đ t

s có hình vuông Nh ng b ẽ ữ ộ đèn này sẽ được treo đố ứi x ng hai gian bên, c nh ở ạgian Gi g Ngến ọc

chiế u sáng n i th t tộ ấ ại Đền Gi ng ế

8

+ B ộ đèn bánh dày (Đèn Bầu trời) tượng trưng cho bầu tr i s có hình lờ ẽ ục giác, kích thước s ẽ được tính toán thi t k ế ế cân đối với không gian treo đèn như trong Hình 1-9 Đèn Bầu trời sẽ được treo ở gian giữa, phía trên của Giếng Ngọc Nguồn điện cung cấp cho các LED của đèn có tính năng điều khiển được (dimmable), sử dụng tín hiệu từ 0 10V; được đặt tại tủ điều khiển trung tâm -

- Xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát tự động các thiết bị chiếu sáng tại khu vực Đền Giếng nhằm đáp ứng các yêu cầu về:

+ Nâng cao quản lý và vận hành hệ thống chiếu sáng

+ Cung cấp thông tin để quản lý từ xa

+ Đảm bảo tính ổn định và bảo mật

- Có khả năng hoạt động độc lập, tự động chiếu sáng theo kịch bản hoặc kết nối điều khiển, trao đổi dữ liệu với phần mềm quản lý chung của khu di tích Đền Hùng

Trong luận văn ậ t p trung trình bày nghiên c u thi t k h ống đ ềứ ế ế ệth i u khi n và ểgiám sát chi u sáng cho các khu vế ực đền chùa nói chung và Đền Gi ng nói riêng ế

Do tính đặc thù ứng d ng t i khu vụ ạ ực đền chùa, vi c chiếu sáng ph thuệ ụ ộc vào văn hóa tín ngưỡng từng nơi nên hệ ố th ng xây d ng có tính m ự ở để người dùng có th ể

t o ra hoạ ặc thay đổi các k ch b n cho phù h p yêu c u ị ả ợ ầ thự ếc t Bên cạnh đó các

gi i pháp d phòng v ả ự ề đường truy n và b o mề ả ật cũng được thêm vào để đả m b o ảtính ổn định c a hệ ống ủ th

1.3. Giải pháp và định hướng thiết kế của hệ thống

1.3.1 Giải pháp thiết kế hệ thống

T nh ng kh o sát thừ ữ ả ực tế trên, một số ải pháp được tác giả đưa ra như sau: gi

- Nâng cao khả năng điều khi n và giám sát thông qua ph n m m ể ầ ề

V i tiêu chí h n ch ít nhớ ạ ế ất các tác động vào ngôi đền, h ệthống chi u sáng mế ới được thi t k trên n n h ế ế ề ệthống chi u sáng có s n nên công t c và các h ế ẵ ắ ệthống dây điện vẫn được gi nguyên Trong quá trình v n hành, viữ ậ ệc điều khi n b t/tể ậ ắt đèn thực hi n theo hai cách là b ng công t c ngay tệ ằ ắ ại đền (dùng cho người trông coi đền) ho c thông qua ph n m m tặ ầ ề ại phòng điều hành trung tâm c a khu di tích (dùng ủcho người qu n lý) Sả ơ đồ ế k t nối đền và thi t b ế ị được th hi n trong ể ệ Error! Reference source not found

Cùng với đó việc giám sát tr ng thái các ngu n sáng trong khu v c Đ n Gi ng ạ ồ ự ề ếđược theo dõi liên t c nhụ ằm hai mục đích: cung cấp các thông tin v ề điện năng tiêu

thụ và c p nhậ ật l i trạ ạng thái m i khi có s ỗ ự thay đổi do công tắc do phía dướ ềi đ n Biện pháp s d ng c m biử ụ ả ến đo dòng được thi t k bên trong thi t b s liên t c ế ế ế ị ẽ ụ

9

kiểm tra dòng điện có trên các đèn hoặc ụm đèn để có được c tr ng thái m i nhạ ớ ất

của chúng

Hình 1-10: Mô hình đấu nối các đèn LED bên trong đền Gi ng ế

Nhằm nâng cao tính ổn định c a h ủ ệthống, giải pháp đưa ra là hệ ố th ng s d ng ử ụ

c ả đường truy n có dây và đườề ng truyền không dây Đường truy n có dây s d ng ề ử ụgiao ti p RS-485, m t chu n giao tiế ộ ẩ ếp được s d ng ph bi n trong công nghi p ử ụ ổ ế ệ

với các ưu điểm như đơn giản, kho ng cách truy n xa, ch ng nhi u tả ề ố ễ ốt, kế ối đa t nđiểm, Trong khi đó đường truy n không dây s d ng truy n thông LoRa (Long-ề ử ụ ềRange) là m t công ngh m i thích h p cho các ng d ng IoT cho kho ng cách ộ ệ ớ ợ ứ ụ ảtruyền xa, ti t kiế ệm năng lượng, ch ng nhi u và b o m t t t, Mô hình h ống ố ễ ả ậ ố ệthtruyền nh n d ệu như ậ ữli Error! Reference source not found

Hình 1-11: Mô hình các giao ti p truy n nh n gi a thi t b trong h ế ề ậ ữ ế ị ệthố ng

- T o s thoái mái cho khách tham quan ạ ự

Nhằm kh c ph c tình tr ng chênh lắ ụ ạ ệnh cường độ ánh sáng bên trong và bên ngoài đền quá l n, gây ớ ảnh hưởng đến th ị giác người tham quan đ c biặ ệt là người già và tr nh Giẻ ỏ ải pháp đưa ra là điều chỉnh cường độ sáng c a gian ti p giáp vủ ế ới sân (tiền bái) có cường độ ầ g n v i ánh sáng bên ngoài nhớ ất, sau đó giảm d n vào ầtrong như mô tả ng tro Error! Reference source not found

10

Hình 1-12: Điều khiển thay đổi cường độ cường độ ừ t ng gian giảm dần theo

hướng t ngoài vào trong ừ

Độ ọ r i bên ngoài do ánh sáng t nhiên quyự ết định, tuy nhiên ánh sáng t nhiên ựphụ thu c r t m nh vào th i điểộ ấ ạ ờ m trong ngày, vào th i tiờ ết, vào mùa trong năm

và vào đị hình xung quanh Do đó để ạa t o ra một môi trường chi u sáng tế ối ưu cho nhu cầu tham quan, thờ cúng, cần phả ặi đ t ra các kịch bản phù h p vợ ới từng tình huống khác nhau

- Tăng tính tùy biến b ng cách t o ra các k ch b n chi u sáng ằ ạ ị ả ế

Bên c nh viạ ệc điều khi n theể o cường độ sáng t nhiên thì trong nh ng ngày ự ữ

đặc biệt như ngày giỗ ổ Hùng Vương, ngày rằ t m, ngày m ng mồ ột, cũng cần có các k ch b n chi u sáng riêng bi t, phù h p vị ả ế ệ ợ ới ý nghĩa từng ngày l Mễ ỗi ngôi đền ngôi chùa đều có l ch s và s tích riêng vì v y s có các k ch b n chi u sáng theo ị ử ự ậ ẽ ị ả ếyêu cầu người dùng

- Nâng cao hiệu qu n v n hành h th ng ả ậ ệ ố

Ngoài ra h ệthống được xây d ng v i mự ớ ục đích hỗ trợ quản lý, giám sát và điều khi n h ể ệ thống chi u sáng khu vế ực Đền Gi ng H ế ệ thống là m t ph n trong h ộ ầ ệthống qu n lý t p trung c a c ả ậ ủ ả khu di tích Đền Hùng giúp tăng cường kh ả năng điều hành, gi m nhân s v n hành h th ng, và giúp ti t kiả ự ậ ệ ố ế ệm năng lượng Đây cũng là nội dung nghiên c u chính tác gi th c hiệ ởứ ả ự n trong luận văn này

Sau khi đã cùng nhóm th c hiự ện đề tài kh o sát th c t t phân tích thi t k ả ự ế ừ đó ế ếcác bòng đèn đặ c thù và đưa ra sơ đồ ố b trí lắp đặt Tác gi ả đã đưa ra mô hình h ệthống chi u sáng phù h p cho khu vế ợ ực Đền Gi ng ế như Error! Reference source not found

Ngoài ra h ệ thống cũng cần thi t b trung tâm giúp qu n lý t p trung các thiế ị ả ậ ết

b ị điều khi u chi u sáng trể ế ực tiếp bên dưới

Hình 1-13: Mô hình h ệthống điề u khi n chi u sáng ể ếTrong đó:

❖ Thiế ị điềt b u khi n t p trung h th ng chi u sáng: có chể ậ ệ ố ế ức năng chính là điều khi n các thi t b chể ế ị ấp hành bên dưới cũng như kế ố à trao đổt n i v i thông tin

v i ph n m m tớ ầ ề ại phòng điều khi n trung tâm Ngoài ra thi t b có kh ể ế ị ả năng tựđộng điều khi n chi u sáng theo k ch bể ế ị ản được lưu trong bộ nh ớ

❖ Thiế ị điềt b u khi n ch p hành bao g m: ể ấ ồ

• Thiết bị điều khiển đóng cắt ON/OFF: Dùng cho bóng và cụm bóng đèn LED thanh, LED bảng và LED công suất

• Thiết bị điều khiển Dimming: Dùng cho đèn được chế tạo đặc thù cho khu Di tích lịch sử Đền Hùng là đèn bánh trưng, đèn bánh dày và đèn hoa sen

❖ Phần mềm điều khiển: được th k nh m thu n ti n cho vi c qu n lý giám ế ế ằ ậ ệ ệ ảsát t p trung v i các chậ ớ ức năng theo dõi tr ng thái trạ ạng thái đèn, lấy thông s dòng ốđiện, điện áp và công su t t ng trên tấ ổ ừng gian, điều khi n chi u sáng theo k ch b n, ể ế ị ả

đặ ịt l ch cho chi u sáng t ng, ế ự độ

• Hệ thống đảm bảo có thể điều khiển bật tắt đèn theo hai cách bằng tay (cho các nhân viên tại đền) thông qua công tắc và bằng phần mềm (cho người quản lý)

• Hệ thống được thiết kế thuận lợi trong quá trình sửa chữa bảo dưỡng

• Trong trường hợp mất kết nối với phần mềm giám sát, hệ thống có chức năng điều khiển tự động chiếu sáng theo kịch bản lưu trên thiết bị

• Hệ thống có khả năng theo dõi trạng thái các bóng liên tục cũng như các thông số điện áp, dòng điện và công suất

Đây cũng là cơ sở để ế ti p t c xây d ng h th ng s ụ ự ệ ố ẽ được trình bày c th ụ ể ởchương tiếp theo

13

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG

Trên cơ sở ý tưởng và gi i pháp chi u sáng t ra cho h th ng ả ế đặ ệ ố như đã nêu

ở phần trước Nội dung chương II ẽ s trìn h bày mô hình tổng quát c a h th ng ủ ệ ố

chiế u sáng áp d ng tụ ại Đền Gi ng T ế ừ đó tác gi s phân tích thi t k ph n c ng ả ẽ ế ế ầ ứ

các loại thi t bế ị có trong h ống ệth

2.1. Xây dựng mô hình hệ thống chiếu sáng

Trên cơ sở kh o sát và phân tích kiả ến trúc đền Gi ng ế như trong mục 1.3, sơ đồ

b ốtrí chiếu sáng như Error! Reference source not found

Hình 2-1 : Sơ đồ phân b ốchiếu sáng bên trong Đề n Giếng

Bên trong đền có th chia ra làm ba khu vể ực điều khi n chính: ể

❖ Lớp à ngoàinh (tiền bái) do là khu v c chuy n ti p gi a bên trong và bên ự ể ế ữngoài vì v y ánh sáng tậ ại đây phải có độ ọi cao để ắ ị r m t k p thích ng khi khách ứtham quan di chuyển Đây cũng là khu vực có di n tích l n nhệ ớ ất nên phương án sử

dụng đèn “LED thanh” với góc chi u rế ộng đểchiếu sáng chung và đặt ở các v trí ịthấp h t lên phía trên B trí nắ ố hư vậy v a gi m từ ả ối đa sự chói lóa so v i vi c s ớ ệ ử

dụng các đèn sợ ối đ t, hu nh quang hay compact chi u xu ng và chiỳ ế ố ếu ngang như

hi n t i mà vệ ạ ẫn đảm b o vi c phân b sáng ả ệ ố

❖ L p nhà gi aớ ữ (phương đình) với thi t k lế ế ấy sáng hai gian nên đây là khu

v c r t khó ki m soát v ự ấ ể ề độ rọi Điều khi n chi u sáng v a phể ế ừ ải đảm b o cân b ng ả ằ

14

ánh sáng không gian t ng th , v a không t o cổ ể ừ ạ ảm ức ch m t do chênh l ch sáng ế ắ ệ

t hai bên ô thoáng (sân ừ trời)

phía trước bàn thờ các Công chúa thời Hùng Vương Nguồn sáng duy nhất là từ ô thoáng phía trên Giếng Ngọc do vậy không gian bên trong thường thiếu sáng Phương án điều khiển chiếu sáng cho lớp nhà này nhằm mục đích tôn lên tính mỹ thuật của các pho tượng và nội thất, đồng thời không lấn áp ánh sáng tự nhiên từ trên mái chiếu xuống Giếng Ngọc

Đối v i không gian bên ngoài ớ đền, vi c chi u sáng ch ệ ế ỉ để s dử ụng vào ban đêm, lúc trời t i v i hai m c tiêu khác nhau, trang trí và chi u sáng chung Do v y phố ớ ụ ế ậ ần mái và sân vườn cũng sẽ được điều khi n tách bi t ể ệ

trúc Đền Giếng vào đêm

quan

Ngoài ra, các khu v c s khác nhau v s ự ẽ ề ố lượng đèn, kiểu dáng đèn, vị trí lắp đặt cũng như mục đích chiếu sáng Chi ti t phân chia c m và thông s t ng lo i ế ụ ố ừ ạđèn được trình bày trong B ng 2-1 ả

B ng 2-1ả : Phương án cụm đèn cho từng khu vực chiếu sáng Đề n Gi ng ế

TỔNG CÔNG SUẤT

PHƯƠNG

ÁN ĐIỀU KHIỂN

A Bên trong nhà

- Cửa vào 08 LED thanh 1.2m (10W) 80W

điều khi n ểon/off

Mái nhà gian th ờ

(chuôi vồ)

04 Đèn LED pha 10W + 4 LED thanh 1,2m 10W

T b ng trên có th tóm từ ả ể ắt các cụm trong ừng gian như sau:t

- Gian ngoài (tiền bái): gồm 4 cụm điều khiểu On/Off

- Gian giữa (phương đình): gồm 2 cụm điều khiểu On/Off + 1 cụm điều khiển Dimming

- Gian giếng (hậu cung): gồm 2 cụm điền khiển Dimming

- Mái nhà: gồm 4 cụm điều khiểu On/Off

- Sân đền: gồm 1 cụm điều khiểu On/Off

16

Hình 2-2: Sơ đồ phân b ốthiết bị theo từ ng khu v c ự2.2. Thiết kế thiết bị điều khiển trung tâm

Thiế ị đượt b c ch t o v i mế ạ ớ ục đích điều khi n các thi t b ch p hành và trao ể ế ị ấ

đổi thông tin v i ph n mớ ầ ềm điều khi n Trong m t s trư ng h p, thi t b có th ể ộ ố ờ ợ ế ị ể

t ng hoự độ ạ ộng đột đ c lập theo các kịch bản chiếu sáng đã được lưu trên thiết bị

Một số yêu cầu đặt ra khi thi t k : ế ế

• Thiết bị kết nối với phần mềm điều khiển theo giao thức TCP/IP, trong đó thiết bị đóng vai trò Server còn phần mềm đóng vai trò Client

• Sử dụng song song chuẩn giao tiếp RS-485 và truyền thông không dây LoRa

để nâng cao ổn định hệ thống Băng tần miễn phí cấp phép được khuyến nghị dùng trong mạng LPWAN là 433MHz đối với khu vực Châu á [5]

• Thiết bị được yêu cầu hoạt động liên tục, ổn định 24/7

• Thiết bị có chức năng thời gian thực để điều khiển theo kịch bản được chính xác

17

Thiết b đi u khi n trung tâm có cị ề ể ấu trúc cơ bản như Hình 2-3:

Hình 2-3: Sơ đồ ấ c u trúc chức năng của thi t b ế ị điều khi n trung tâm ể

Như trình ở trên, thi t b bao g m 5 kh i v i các ch c năng khác nhau: ế ị ồ ố ớ ứ

• Giao tiếp Ethernet: thực hiện giao tiếp TCP/IP với phần mềm

• Giao tiếp RS 485: chuyển mức tín hiệu 5V- -TTL sang RS-485 và ngược lại

• Truyền thông không dây LoRa

• Khối điều khiển trung tâm: thực hiện truyền nhận dữ liệu với cả ba phương thức giao tiếp Ethernet, RS-485 và LoRa

• Khối thời gian thực: có chức năng đảm bảo thời gian điều khiển theo kịch bản được lưu trên thiết bị trong chế độ hoạt động độc lập Ngoài ra mỗi khi kết thúc một ngày hoặc có phần mềm kết nối, thời gian sẽ được thiết lập lại theo thời gian trên máy tính

2.2.3.1 Khối giao tiếp Ethernet

Để ế ố k t n i gi a thi t b trung tâm v i ph n m m đi u khiữ ế ị ớ ầ ề ề ển, chip W5100 được

l a ch n b i kh ự ọ ở ả năng hoạt động ổn định, hi u su t cao, phù h p cho các ệ ấ ợ ứng d ng ụnhúng

Chip W5100 được s n xu t bả ấ ởi hãng WIZnet được thi t k th c hi n k t n i ế ế ự ệ ế ốInternet mà không c n h ầ ệ điều hành W5100 có 80 chân, hoạt đọng tốc độ truy xuất trên cổng đạ ớt t i 10/100Mbps, b ộ đệm RX/TX bên trong lên đến 16 Kbyte Ngoài ra W5100 tuân theo tiêu chuẩn IEE 802.3 10BASE-T và 802.3u 100BASE-TX Ngoài giao thức TCP chip cũng như hộ trợ nhi u lo i giao thề ạ ức khác nhau như: UDP, PPPoE, IPv4 ARP, thông qua các thanh ghi Socket TCP

18

Hình 2-4: Hình nh thả ực tế và sơ đồ chân c a chip W5100 ủ [6]

Sơ đồ nguyên lý

Hình 2-5: Sơ đồ nguyên lý kh i giao ti p Ethernet ố ế

2.2.3.2 Khối giao tiếp RS -485

Mạng đường truyền RS485 được thi t k theo ki u bán song công, s d ng mế ế ể ử ụ ột

cặp dây để truy n nh n d ề ậ ữliệu như mô tả trong Hình 2-6

19

Hình 2-6: Sơ đồ ế k t nối đườ ng truy n RS-485 ề [7]

Để th c hi n giao ti p RS-485 gi a các thi t b trong m ng, thi t b s IC ự ệ ế ữ ế ị ạ ế ị ửchuyể đổn i tín hi u TTL sang RS-485 Chip SN65HVD82 c a hãng Texas ệ ủInstruments do tính ổn định cao thường s d ng nhi u trong công nghi p, giá c ử ụ ề ệ ả

và nhi u thông s phù h p khác ề ố ợ

SN65HVD82 hoạt động v i ngu n c p 4,5- 5V, ở ớ ồ ấ thực hi n giao ti p RS-485 ệ ếtheo kiểu bán song công (half-duplex) v i tớ ốc độ uy n nhtr ề ận lên đến 250-kbps

Sơ đồ chân c a SN65HVD82 lo i 8 chân SOIC: ủ ạ

B ng chả ức năng các chân

Tên Ký hiệu

A 6 Bus I/O Truyền và nh n tín hi u (dây B) ậ ệ

B 7 Bus I/O Truyền và nh n tín hi u (dây B) ậ ệ

D 4 Đầu vào s Đầố u vào d liữ ệu điều khi n n i v i ể ố ớ

20

Sơ đồ ạ m ch nguyên lý

Hình 2-8 : Sơ đồ ạ m ch nguyên lý khối chức năng RS -485

Hiện nay v i s bùng n cách m ng công nghi p 4.0 cùng v i s phát tri n ớ ự ổ ạ ệ ớ ự ểnhanh chóng c a Internet v n vủ ạ ật (IoT) đã có rất nhi u gi i pháp công ngh truy n ề ả ệ ề

d ữ liệu không dây được ứng dụng như Bluetooth, Zigbee, Z-ware, Neul, Lipi, Theo nghiên c u c a nhóm tác gi Kais Mekki v các m ng di n rứ ủ ả ề ạ ệ ộng năng lượng thấp LPWAN quy mô l n thì Sigfox, LoRa và NB-IoT là ba công ngh ớ ệ được ứng

d ng ph bi n nh t vì nhụ ổ ế ấ ững ưu điểm v tuổề i th pin, ọ dung lượng và giá thành [9]

B ng so sánh chi t ba công ngh ả tiế ệ được thể hiện trong B ng 2-3 ả

Qua b ng so sánh trên công ngh ả ệ LoRa đượ ực l a ch n vì ọ mang đến ba y u t ế ốquan tr ng phù h p vọ ợ ới thự ế đó là c t kho ng cách ả truyền phát xa, kháng nhi u t ễ ốt,

và t l khung b n tin truyỉ ệ ả ền,…

M ch thu phát Ra-02 s d ng giao ti p SPI, có thi t k nh g n d ng module ạ ử ụ ế ế ế ỏ ọ ạgiúp d dàng tích h p trong các thi t k m ch, mễ ợ ế ế ạ ạch được thi t k ế ế và đo đạc chu n ẩ

để có th t công su t và kho ng cách truy n xa nh t, ngoài ra m ch còn có ch t ể đạ ấ ả ề ấ ạ ấlượng linh ki n và gia công tệ ốt cho nên có độ ề b n cao và kh ả năng hoạt động n ổđịnh

Hình 2-9: Sơ đồ chân mạch Lora Ra-2 [10]

Thông số ỹ k thu t của module: ậ

22

Hình 2-10: Sơ đồ nguyên lý kh i truy n thông Lora ố ề

Khố ửi x trung tâm slý ử ụng vi điề d u khiển Atmega2560, đây là một vi điều khi n có hiể ệu năng mạnh, thích h p cho vi c k t n i và x lý thông ợ ệ ế ố ử tin theo như yêu c u c a thiầ ủ ết bị

Atmega2560 là một chíp vi đi u khiề ển được sản xu t bờấ i hãng Atmel thuộc họ MegaAVR có s c mứ ạnh hơn hẳn các dòng Atmega cũ trước nó Atmega2560 là

m t b ộ ộ vi điều khi n 8 bit d a trên ki n trúc RISC, b nh ể ự ế ộ ớ chương trình 64KB ISP flash có th ghi xóa hàng nghìn l n, chíp có 4KB EEPROM, 2KB SRAM mể ầ – ột

b nh RAM l n trong nhóm vi x lý 8 bit ộ ớ ớ ử

Hình 2-11: Hình nh thả ực tế ủ c a chip Atmega 2560 [11]

Vi điều khi n Atmega2560 v i 54 chân hoể ớ ạt động trong m t dộ ải điện áp r ng ộ(1.8V – 5.5V), có th s d ng cho các k t n i vào ho c ra I/O, 32 thanh ghi, 4 b ể ử ụ ế ố ặ ộtimer/counter có thể l p trình, có các ng t n i và ngo i (2 l nh trên m t b 52 vector ậ ắ ộ ạ ệ ộ ị

ngắt) Giao th c truy n thông c a chip bap g m: USART, SPI, I2C Ngoài ra IC ứ ề ủ ồcòn s d ng b ử ụ ộbiến đổ ối s - tương tự 10 bit (ADC/DAC) m r ng t i 8 kênh, kh ở ộ ớ ảnăng lập trình được watchdog timer, hoạt động v i 5 ch ngu n, có th s d ng ớ ế độ ồ ể ử ụ

tới 6 kênh điều ch r ng xung (PWM), h bootloader ế độ ộ ỗtrợ

23

Thông số ỹ k thu t ậ

B ng 2-4: B ng thông s k ả ả ố ỹthuậ t Atmega 2560

Điện áp vào (gi i h n) ớ ạ 6 - 20V Phạm vi nhi t đ hoệ ộ ạt động -400C đến 800C

S ngõ vào/ra d ng tín hi n s ố ạ ệ ố 54

Dòng điện DC trong m i chân vào/ra s ỗ ố 40mA

24

2.2.3.5 Khối thời gian thực

Hình 2-13: Sơ đồ chân DS1307 loại 8 -pin

Trong bài toán này, IC th i gian thờ ực đượ ực l a ch n là DS1307ọ Đây là một IC tích h p cho th i gian b i vì tính chính xác v ợ ờ ở ề thời gian DS1307 là ch t o bế ạ ởi Dallas Chip này có 7 thanh ghi 8 bit mỗi thanh ghi này ch a : Th , ngày, tháng, ứ ứnăm, giờ , phút, giây Ngoài ra DS1307 còn chứa 1 thanh ghi điều khi n ngõ ra ể

ph và 56 thanh ghi tr ng các thanh ghi này có th ụ ố ể dùng như là RAM DS1307 được đọc thông qua chu n truyẩ ền thông I2C nên do đó để đọc được và ghi t ừDS1307 thông qua chu n truyẩ ền thông này Do nó được giao ti p chu n I2C nên ế ẩ

c u t o bên ngoài nó rấ ạ ất đơn ảgi n Hình 2-13 và Hình 2-14 thể ện sơ đồ chân hi và

sơ đồ kh i c a DS1307 ố ủ

Hình 2-14: Sơ đồkhố ủ i c a DS 1307 [12]

cung c p c a kh i th i gian th c là ngu n 5ấ ủ ố ờ ự ồ VDC Để duy trì hoạt động liên tục

c a kh i th i gian th c ta s d ng ngu n pin d phòng CR2032-3V ủ ố ờ ự ử ụ ồ ự Khi DS1307

hoạ ột đ ng b ng ngu n d phòng, nó s không còn kh ằ ồ ự ẽ ả năng ghi/đọc các thanh ghi

n a, ngu n Pin này ch ữ ồ ỉ được dùng cung c p cho b ấ ộ dao động bên trong chip ch y ạ

25

Hình 2-15: Sơ đồ nguyên lý kh i thố ời gian thự c

M ch s d ng th ch anh ngoài 32,768kHz là ngu n tạ ử ụ ạ ồ ạo dao động cho IC Các chân s d ng trong giao ti p giử ụ ế ữa DS1307 với vi điều khi n ể đượ ử ụng điệc s d n tr ởkéo lên (10k) theo đúng khuyến cáo c a chu n giao ti p Iủ ẩ ế 2C nối và được v i nguớ ồn cung c p ch không n i v i ngu n d phòng S d ng t Bypass nh C34 = 100nF ấ ứ ố ớ ồ ự ử ụ ụ ỏ

để ự th c hi n l c nhi u cao t n cho ngu n cung c p IC ệ ọ ễ ầ ồ ấ

Hình 2-16 là b n v 3D và m ch in thi t k l p Top và Bottom c a thi t b ả ẽ ạ ế ế ớ ủ ế ị điều khi n trung tâm ể

26

Hình 2-16: B n v 3D và m ch in thiả ẽ ạ ết bị điề u khi n trung tâm ể

2.3. Thiết kế thiết bị điều khiển On/Off

Thiế ị đượt b c ch t o v i mế ạ ớ ục đích điều khi n các thi t b ể ế ị đèn hai trạng thái Ngoài ra, thiết bị có ch c phát hiứ ện dòng điện trên t ng nhánh và gừ ửi tr thông tin ả

ph n hả ồi về trạng thái đèn về ộ điề b u khi n trung tâm mể ỗi khi có thay đổi

T ừ đó đặt ra một số yêu c u cho thiầ ết bị:

• Thiết bị có khả năng đo các thông số điện cơ bản như đòng điện, điện áp, công suất

• Thiết bị có khả năng phát hiện dòng điện trên từng nhánh

• Sử dụng song song cả đường truyền vật lý RS-485 và đường truyền không dây LoRa

• Thiết bị được yêu cầu hoạt động liên tục, ổn định, có khả năng chống ẩm tốt

Hình 2-17: Sơ đồ các khối chức năng củ a thi t b ế ị điều khi n On/Off ể

Thiết bị điều khi n ch p hành gể ấ ồm các khối chính như sau:

• Khối vi điều khiển: Đảm nhận chức năng điều khiển các rơ-le, đọc tín hiệu từ biến dòng Ngoài ra còn thực hiện giao tiếp với thiết bị và các module bên ngoài

27

• Khối nguồn nuôi: có ba mức điện áp yêu cầu là 12V, 5V và 3.3V Điện áp 12V dùng để điều khiển đóng cắt rơ le Điện áp 5V và 3.3V để cung cấp điện áp -hoạt động cho vi điều khiển và các IC khác có trong mạch

• Khối truyền thông RS-485: Thực hiện truyền nhận bản tin với thiết bị điều khiển trung tâm

• Khối điều khiển rơ-le: có chức năng đóng cắt dòng điện cung cấp cho đèn, phát hiện dòng điện trên từng nhánh, phục vụ cho điều khiển, đồng thời giúp phát hiện cháy bóng

• Khối module đo điện áp, dòng điện và công suất tổng trên các cụm đèn trên thiết bị

Để đo các thông số điện năng AC tác gi ả đã lựa ch n ọ module PZEM 004T đáp ứng được yêu cầu đặt ra

PZEM-004T là module đo điện AC đa năng đượ ử ụng để đo và theo dõi c s dcác thông s v ố ề điện năng AC của mạch điện như điện áp hoạt động, dòng tiêu thụ, công suất và năng lượng tiêu th Module s d ng giao ti p UART d dàng k t nụ ử ụ ế ễ ế ối truyền d ệ ới vi điềữli u t u ki n ể

Thông s k ố ỹthuật :

• Điện áp đo và hoạt động: 80 ~ 260VAC / 50 60Hz, sai s 0.01 – ố

• Dòng điện đo và hoạ ột đ ng: 0 ~ 100A, sai s 0.01 ố

• Công suất đo và hoạ ột đ ng: 0 ~ 26000W

• Năng lượng đo và hoạt động: 0 ~ 9999kWh

28

• Giao tiếp UART m c logic TTL 5VDC baudrate m c nh 9600, 8, 1 ứ ặ đị

• Có opto cách ly an toàn giữa mạch đo và mạch nh n tín hi u UART ậ ệ

• Lưu giữ thông s ố năng lượng tiêu th trong b nh ụ ộ ớ

• Có nút Reset, nhấn gi ữ 5 giây để xóa các thông s v 0 ố ề

Trong bài toán này, Relay được dùng để điều khiển đèn chiếu sáng LED công suấ ừt t vài chục wat đến vài trăm Wat Do đó, tác gi l a ch n thi t b ch p hành ả ự ọ ế ị ấRơle JQC-3FF-12VDC-1ZS có kh ả năng đóng cắt dòng 10A (Hình 2-20 S) ơ đồnguyên lý của khối ch p hành ấ thể ệ hi n trong nh 2-21 Hì

l n trong m t kho ng th i gian dài lên t i 500mA vớ ộ ả ờ ớ ới biên độ đỉnh lên t i 600mA ớ

Hình 2-22: sơ đồ chân linh ki n UNL 2803 ệThông số ỹ k thu t ậ

- Điện áp Vcc max: 50V

- Điện áp đầu vào: <5V

- Dòng điện chân C: 500mA

- Tổng dòng điện ch y chân âm: -2.5A ạ