Sự phát triển và ứng dụng của hệ thống đèn đường thông minh sử dụng năng lượng mặt trời có tầm quang trọng rất lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống của chúng ta trong hiện tại và tương lai. Chúng ta cùng điểm qua một số ưu điểm nổi bật của hệ thống như: • Đèn đường sử dụng năng lượng mặt trời độc lập với lưới điện. Do đó, chi phí hoạt động được giảm thiểu. • Đèn đường sử dụng năng lượng mặt trời đòi hỏi bảo trì ít hơn nhiều so với đèn đường thông thường. • Vì dây bên ngoài được loại bỏ, nguy cơ tai nạn được giảm thiểu. • Sử dụng nguồn điện không gây ô nhiễm. • Các bộ phận riêng biệt của hệ thống có thể dễ dàng mang đến các vùng sâu vùng xa. • Đèn đường sử dụng năng lượng mặt trời cho phép tiết kiệm năng lượng và giảm các chi phí.
GIỚI THIỆU CHUNG
Đặt vấn đề
a) Bối Cảnh và Lý Do Lựa Chọn Đề Tài
- Sự Cần Thiết của hệ thống chiếu sáng đô thị
Chúng ta biết rằng, hệ thống chiếu sáng đô thị là một phần không thể thiếu của cấu trúc đô thị ngày nay, nó có vai trò quan trọng đối với đời sống con người Chiếu sáng đô thị không chỉ đáp ứng nhu cầu an toàn giao thông, an ninh trật tự, mà còn tạo ra sự hấp dẫn của không gian đô thị về đêm, khuyến khích người dân hăng hái tham gia mở rộng nhiều hoạt động kinh tế nhằm khai thác tiềm năng lợi thế đặc trưng của từng đô thị Ánh sáng tác động tích cực đến tổng thể kiến trúc của các thành phố, cũng cố các nguyên tắc thiết kế đô thị, nâng cao giao tiếp văn hóa, khuyến khích giao tiếp xã hội, cải thiện hình ảnh đô thị, làm thay đổi sâu sắc tập quán sinh hoạt của người dân xi
Hình 1 1 Hệ thống chiếu sáng đô thị
- Thực trạng hệ thống đèn đường hiện nay
Hệ thống đèn đường truyền thống thường không linh hoạt và không thể thích ứng với các biến động của đô thị, dẫn đến lãng phí năng lượng và tăng nguy cơ ô nhiễm ánh sáng Đồng thời, việc duy trì và quản lý hệ thống trở nên phức tạp hơn do yêu cầu ngày càng cao về hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.
Hình 1.2 dưới đây là điển hình của thực trạng hệ thống đèn đường hiện nay
- Tầm quan trọng của hệ thống đèn đường thông minh
Trong bối cảnh đô thị ngày càng phát triển, việc tích hợp giải pháp giám sát thông minh IoT vào đèn đường năng lượng mặt trời trở nên quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và quản lý một cách hiệu quả Đèn đường chiếu sáng bằng năng lượng mặt trời là một ví dụ xuất sắc về sự kết hợp giữa công nghệ và hiệu suất vượt trội.
Hệ thống đèn đường thông minh đang được ứng ụng và phát triển tại một số quốc gia phát triển Hệ thống có rất nhiều vai trò quan trọng như:
Hệ thống điều khiển giao thông thông minh xử lý dữ liệu thông tin thu thập được từ các nút mạng IoT để phân tích phân loại và tối ưu hóa lưu lượng giao thông của cả phương tiện và người đi bộ Dựa vào báo cáo thời gian thực của các cảm biến giao thông của đèn giao thông và của các thiết bị khác hệ thống sẽ tự điều chỉnh ánh sáng giao thông phù hợp với mức độ tắc nghẽn, điều kiện thời tiết, tai nạn hoặc các sự kiện khác có thể ảnh hưởng đến luồng giao thông.
Quản lý đỗ xe thông minh
Cảm biến vị trí đỗ xe được gắn trên cột đèn thông minh sẽ theo dõi việc sử dụng chỗ đỗ xe và thông báo cho trung tâm điều khiển, nó cũng có thiết bị điều khiển để hướng người lái xe dễ tìm ra chỗ đỗ còn trống Công nghệ này cũng có thể được sử dụng để giám sát các xe vi phạm khi đỗ xe và lập hóa đơn cho người lái xe về thời gian đỗ.
Cảm biến môi trường giám sát những thay đổi về chất lượng không khí, điều kiện khí quyển, điều kiện thời tiết và nhiệt độ Các thiết bị này gửi dữ liệu thu thập về trung tâm qua nền tảng IoT và từ đó trung tâm có thể đưa ra cảnh báo thời tiết bất lợi để cảnh báo mọi người về khí hậu bất thường hoặc các mối nguy tiềm ẩn như lốc xoáy di chuyển nhanh hoặc chất lượng không khí
Ngăn ngừa tội phạm Đèn đường được trang bị camera IP và máy ghi âm cho phép cơ quan an ninh ghi lại, xem xét và giám sát các hoạt động tại các khu vực dễ xảy ra tai nạn và các khu phố tội xiii phạm cao Trí tuệ nhân tạo có thể phân tích hành vi để đưa ra cách cảnh báo sớm tới hiện trường nhằm ngăn ngừa được tội phạm có thể xẩy ra.
Tin nhắn công cộng / biển báo kỹ thuật số
Mạng lưới chiếu sáng đường phố có thể được sử dụng như một mạng lưới thông tin công cộng bằng cách kết hợp các bảng quảng cáo kỹ thuật số và loa phát thanh cho các mục đích thông báo và quảng cáo.
Cơ sở hạ tầng truyền thông
Các điểm truy cập không dây và các trạm gốc di động nhỏ có thể được gắn trên các cột đèn đường để cải thiện kết nối băng thông rộng và hỗ trợ mạng 5G.
Hình 1.3 dưới đây là hệ thống đèn đường truyền thống đang được sử dụng phổ biến ở nhiều nơi
Hình 1 3 Hệ thống đèn đường truyền thống b) Các Nghiên Cứu Về Ứng Dụng Công Nghệ IoT Trong Quản Lý Đèn Đường
Các nghiên cứu gần đây về sự kết hợp giữa công nghệ IoT và quản lý đèn đường đã tập trung vào việc phát triển các hệ thống thông minh Những hệ thống này thường sử dụng cảm biến ánh sáng để đánh giá mức độ sáng tự nhiên và điều chỉnh độ sáng của đèn đường một cách tự động.
Tích hợp cảm biến chuyển động giúp nhận diện sự xuất hiện của người đi bộ hoặc phương tiện giao thông, từ đó tối ưu hóa ánh sáng tại những vùng có nhu cầu sử dụng cao Tuy nhiên, mặc dù đã có sự tiến bộ, nhưng hiệu suất thực tế và khả năng tích hợp chưa đạt được như mong đợi.
- Cơ Hội và Thách Thức Của Công Nghệ IoT Trong Quản Lý Đèn Đường
Công nghệ Internet of Things (IoT) mở ra một loạt các cơ hội mới để cải thiện quản lý đèn đường Việc kết nối các đèn đường với mạng IoT giúp chúng trở nên "thông minh," có khả năng thu thập và chia sẻ dữ liệu thời gian thực Điều này mang lại khả năng điều khiển linh hoạt hơn, tối ưu hóa năng lượng và giảm lượng ánh sáng không cần thiết.
Tích hợp cảm biến ánh sáng và cảm biến chuyển động vào hệ thống giúp định lượng môi trường xung quanh Tuy nhiên, để triển khai hiệu quả, cần có một phương hướng thiết kế toàn diện và có hiểu biết sâu rộng về cả thế giới đèn đường và công nghệ IoT. c) Hệ thống đèn đường sử dụng điện năng lượng mặt trời Điện năng lượng mặt trời đang dần được phát triển tại Việt Nam, ở Việt Nam điện năng lượng mặt trời chỉ mới dừng lại ở việc phục vụ nhu cầu sinh hoạt trong gia đình hoặc 1 số dự án lớn Nhưng ở một số nước phát triển hệ thống điện năng lượng mặt trời đã hầu như phủ sóng khắp đất nước, ứng dụng sử dụng đèn đường bằng điện năng lượng mặt trời là một điển hình như vậy.
Hệ thống đèn đường sử dụng điện năng lượng mặt trời là một hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) thông qua tấm pin mặt trời tạo ra nguồn điện nhằm cung cấp cho đèn chiếu sáng ngoài trời, vì vậy hệ thống được gọi là hệ thống đèn đường sử xv dụng điện năng lượng mặt trời,các loại đèn đường thường sử dụng là đèn huỳnh quang hoặc đèn LED Trên hình 1.4 là hình ảnh đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời
Yêu cầu đề tài
- Thiết kế chiếu sáng cho đường lê Trọng Tấn và xây dựng mô hình hệ thống chiếu sáng đường phố dùng năng lượng mặt trời
- Một trong những nội dung chính của đề tài là nghiên cứu và phát triển hệ thống chiếu sáng tự động cho đèn đường sử dụng nguồn năng lượng mặt trời Sử dụng cảm biến ánh sáng để liên tục đo lường mức độ ánh sáng tự nhiên và đồng thời sử dụng cảm biến hồng ngoại để phát hiện vật chuyển động trên đường từ đó xác định mức độ sáng cần thiết.
- Điều khiển, giám sát hệ thống đèn, từng đèn thông quan giao tiếp không dây
- Tăng thời gian sử dụng bóng LED nhờ vào chế độ Dimming, giảm cường độ sáng của đèn
- Tiết kiệm chi phí sử dụng từ 40%-50% sao với đèn đường truyền thống
- Tiết kiệm chi phí vận hành cho hệ thống đèn chiếu sáng thông minh Và giảm chi phí nhân công vận hành.
Phương hướng thiết kế
Dựa trên những gì tìm hiểu được về thực tiễn cũng như yêu cầu của đề tài thì em đưa ra phương án thiết kế tổng quát của hệ thống như sau:
Hình 1.5 là hình ảnh hệ thống bao gồm 1 trạm điều khiển trung tâm và 2 trạm đèn hoạt động độc lập. xvii
Hình 1 5 Phương hướng thiết kế a) Phần mềm
- Thiết kế phần mềm theo dõi trạng thái hoạt động của đèn
- Điều khiển hoạt động của đèn qua phương thức truyền thông không dây qua ứng dụng trên điện thoại thông minh
- Có thể điều khiển trạm đèn ở mode “manual” ( chế độ thủ công) hoặc cho các trạm đèn hoạt động ở mode “auto”( chế độ tự động)
+ Ở mode auto: Ban ngày- đèn tắt, ban đêm- đèn sáng 30% độ sáng Cảm biến hồng ngoài phát hiện vật di chuyển trên đường thì đèn sáng 100% độ sáng. Trạm sử dụng pin năng lượng mặt trời để sạc vào pin lưu trữ Hệ thống sử dụng năng lượng từ pin lưu trữ để hệ thống vận hành Gửi bản tin về trạng thái hoạt động của đèn và các cảm biến về trạm trung tâm.
+ Ở mode manual: cập nhật trạng thái hoạt động của đèn và thay đổi trạng thái của đèn khi có yêu cầu được gửi đến từ trạm trung tâm.
- Lập trình logic cho các vi điều khiển tại trạm đèn và trạm trung tâm. b) Phần cứng
- Trạm đèn bao gồm: Vi điều khiển, mạch giao tiếp không giây, tấm pin năng lượng mặt trời, pin lưu trữ, mạch sạc pin, cảm biến hồng ngoại, cảm biến ánh sáng như hình 1.6
Hình 1 6 Đèn đường sử dụng năng lượng mặt trời
- Trạm trung tâm bao gồm: vi điều khiển có thể kết nối internet, mạch giao tiếp không dây
+ Là trung tâm cầu nối giữa trạm đèn và người sử dụng Cập nhật các yêu cầu của người dùng qua Firebase và gửi nó đến các trạm đèn Đồng thời cũng nhận phản hồi của các trạm đèn và update lên trên Firebase.
Kết luận
Sự phát triển và ứng dụng của hệ thống đèn đường thông minh sử dụng năng lượng mặt trời có tầm quang trọng rất lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống của chúng ta trong hiện tại và tương lai Chúng ta cùng điểm qua một số ưu điểm nổi bật của hệ thống như:
Đèn đường sử dụng năng lượng mặt trời độc lập với lưới điện Do đó, chi phí hoạt động được giảm thiểu.
Đèn đường sử dụng năng lượng mặt trời đòi hỏi bảo trì ít hơn nhiều so với đèn đường thông thường.
Vì dây bên ngoài được loại bỏ, nguy cơ tai nạn được giảm thiểu. xix
Sử dụng nguồn điện không gây ô nhiễm.
Các bộ phận riêng biệt của hệ thống có thể dễ dàng mang đến các vùng sâu vùng xa.
Đèn đường sử dụng năng lượng mặt trời cho phép tiết kiệm năng lượng và giảm các chi phí.
CHIẾU SÁNG ĐƯỜNG LÊ TRỌNG TẤN
Thực trạng về hệ thống chiếu sáng đô thị hiện nay
Thông tin về quy mô hệ thống chiếu sáng công cộng của Thủ đô, Sở Xây dựng Hà Nội cho biết, hiện lưới điện chiếu sáng của thành phố có tổng chiều dài 5.584km (khu vực nội thành là 4.008km), 229.272 bộ đèn chiếu sáng (khu vực nội thành có 169.790 bộ) Hệ thống này được vận hành tự động thông qua 2.794 tủ điều khiển chiếu sáng (khu vực nội thành có 1.970 tủ) và 1 trung tâm điều khiển và giám sát chiếu sáng công cộng.
Tại 12 quận, hệ thống chiếu sáng các tuyến đường, phố cơ bản được đầu tư kết nối đồ ng bộ với trung tâm điều khiển chiếu sáng, giúp việc vận hành hệ thống chiếu sáng linh hoạt theo thời tiết, nhu cầu từng khu vực; các sự cố được thông tin kịp thời, thuận lợi cho quá trình kiểm soát, khắc phục Trong đó có 1.336/1.970 tủ điều khiển chiếu sáng được kết nối với trung tâm điều khiển chiếu sáng (đạt tỷ lệ 70,3%) Các tủ chiếu sáng còn lại chủ yếu tại các dự án được tiếp nhận quản lý sau đầu tư trong năm 2020 và tại khu vực ngõ, xóm được vận hành đóng/cắt thông qua điều khiển cục bộ bằng đồng hồ hẹn giờ đặt tại tủ.
Tuy nhiên, nhìn chung hệ thống chiếu sáng khu vực nội thành mới chỉ bảo đảm phục vụ nhu cầu an sinh xã hội ở mức tối thiểu; tỷ lệ bóng đèn chiếu sáng LED tiết kiệm điện năng còn thấp (chiếm khoảng 14%) Đa số đã được đầu tư lắp đặt từ lâu, các bộ đèn bị suy giảm khả năng chiếu sáng, nhiều tuyến ngõ, xóm sử dụng công nghệ cũ, khoảng cách các cột quá xa, vướng cây xanh
Khu vực ngoại thành, hệ thống chiếu sáng được đầu tư không đồng bộ, còn nhiều bất cập trong công tác quản lý duy tu, duy trì Hiện có 562/824 tủ đã được kết nối với trung tâm điều khiển chiếu sáng (đạt 68,2%), còn lại là điều khiển bằng đồng hồ hẹn giờ Trong khi đó, hệ thống chiếu sáng trang trí kiến trúc đa số cũng được đầu tư từ năm 2010 nên đã xuống cấp xxi
Mặc dù có nhiều thuận lợi, nhưng việc quản lý hệ thống chiếu sáng đô thị còn nhiều khó khăn thách thức, ảnh hưởng đến sự phát triển của hệ thống chiếu sáng đô thị, trong đó có nhiều nguyên nhân khách quan, chủ quan
Tình hình chung cả nước hiện nay đa phần chưa lập quy hoạch chiếu sáng đô thị được duyệt, chỉ có khoảng 3 đô thị (Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ) lập quy hoạch chiếu sáng hoặc chỉ có nội dung quy hoạch chiếu sáng trong đồ án quy hoạch đô thị. Cũng chính vì như vậy nên không có kế hoạch đầu tư trung hạn, dài hạn để có danh mục đầu tư, nguồn vốn đầu tư mà chỉ có kế hoạch hàng năm, vì thế không chủ động được triển khai thực hiện các công trình chiếu sáng công cộng, chỉ giải quyết được yêu cầu sử dụng tạm thời, chưa mang tính chiến lược, lâu dài và bền vững
Cơ chế chính sách còn nhiều bất cập, chưa thống nhất, không đồng bộ, đầu tư phát triển lĩnh vực chiếu sáng đô thị còn manh mún và thực tế nhiều dự án, công trình chiếu sáng đô thị chủ yếu vẫn chỉ được đầu tư từ nguồn vốn ngân sách Nhà nước Có một số nơi đã thực hiện thu hút các tổ chức, cá nhân và các thành phần kinh tế tham gia để tham gia đầu tư lĩnh vực chiếu sáng đô thị nhưng chưa hiệu quả, chưa đồng bộ,thiếu tính thẩm mỹ, thiếu kiểm soát có nguy cơ ô nhiễm ánh sáng.
Sự cần thiết của phát triển hệ thống chiếu sáng đô thị tại Hà Nội
Thành phố Hà Nội với đặc thù là thủ đô của Việt Nam, là trung tâm chính trị, kinh tế, văn hóa, khoa học kỹ thuật, dịch vụ du lịch,… là thành phố đang được sự quan tâm của nhiều nhà đầu tư trong và ngoài nước Hệ thống chiếu sáng đô thị được các cấp chính quyền thành phố quan tâm đầu tư với yêu cầu kỹ thuật, quản lý, kinh tế đặt ra là hiện đại, tiên tiến, chính xác, nhanh chóng, ổn định, an toàn và hiệu quả…
Hệ thống chiếu sáng đô thị hiện nay chỉ mới đáp ứng cơ bản về đảm bảo an toàn giao thông Chiếu sáng đô thị còn phải đảm bảo an ninh trật tự xã hội, còn phải mang tính nghệ thuật cao Chiếu sáng đô thị phải được bố trí phù hợp khiến người dân cảm thấy an tâm, an toàn khi đi lại khi trời tối Nó kích thích mọi người rời khỏi nhà để hoạt động cộng đồng ngoài trời hoặc sử dụng phương tiện công cộng vào ban đêm,một tiềm năng rất lớn để phát triển thương mại, du lịch cho thành phố
Nhận thấy tầm quan trọng của chiếu sáng đô thị đối với cuộc sống con người và sự phát triển của thành phố, chính quyền Thành phố, các ngành chức năng nghiên cứu và phân tích những vấn đề căn cơ cần giải quyết, đề xuất các giải pháp đột phá về thu hút các nguồn lực xã hội tham gia vào việc đầu tư, duy trì và phát triển hệ thống chiếu sáng đô thị một cách có chiến lược, góp phần nâng cao chất lượng sống cửa người dân
Do đó, Thành phố Hà Nội xây dựng Chương trình phát triển hệ thống chiếu sáng đô thị Thành phố Hà Nội giai đoạn từ 2020 - 2030, để định hướng phát triển hệ thống chiếu sáng đô thị của Thành phố, góp phần cải thiện môi trường đầu tư kinh doanh, phát triển kinh tế xã hội của Thành phố
Hình 2 1 Sự cần thiết của chiếu sáng đô thị tại Hà Nội
Định hướng phát triển
Xây dựng hệ thống chiếu sáng đô thị thông minh, hoạt động, chiếu sáng đô thị đảm bảo đầy đủ các yêu cầu định lượng, chất lượng chiếu sáng và có thể điều khiển được, ngoài ra còn được kết nối với các hệ thống thông minh khác nhằm đảm bảo một số yêu cầu đặt ra của không gian được chiếu sáng, đảm bảo cho đô thị sử dụng năng xxiii lượng tiết kiệm, hiệu quả và phát triển bền vững Đảm bảo cung cấp chất lượng ánh sáng tốt hơn, an toàn giao thông được cải thiện mà còn tiết kiệm chi phí điện năng, giảm thải khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường, xây dựng đô thị văn minh, hiện đại Hệ thống chiếu sáng đô thị hiện hữu và xây dựng mới phải được cải tạo và xây dựng theo hướng chiếu sáng thông minh được quản lý và điều hành từ Trung tâm điều khiển chiếu sáng đô thị Thành phố Chiếu sáng thông minh của thành phố phải có những tính năng chủ yếu sau: Có khả năng kết nối đồng bộ để quản lý, giám sát, điều khiển từ xa tất cả các thiết bị chiếu sáng như Chiếu sáng các công trình giao thông đô thị, Chiếu sáng không gian công cộng trong đô thị, Chiếu sáng mặt ngoài các công trình trong đô thị, Chiếu sáng khuôn viên công trình do các tổ chức, cá nhân sở hữu, quản lý và sử dụng, Chiếu sáng trang trí và chiếu sáng khu vực phục vụ lễ hội khi có yêu cầu của thành phố Có khả năng tích hợp các cảm biến liên quan đến chiếu sáng và các lĩnh vực khác để thu thập các thông tin trong thành phố Có khả năng tương tác với các nền tảng thông minh khác của đô thị thông minh. Đảm bảo vận hành ổn định, hiệu quả trong quản lý, tiết giảm năng lượng,đảm bảo cung cấp ánh sáng đúng, đủ cho địa điểm và thời gian phù hợp, làm tăng mức độ an toàn cho người dân thành phố Giúp người dân cảm thấy an toàn và tự hào khi được sống trong lòng thành phố.
Chuyển đổi sang bộ đèn chiếu sáng thông minh để tiết giảm năng lượng, nâng cao chất lượng chiếu sáng, đảm bảo an toàn giao thông, mỹ quan đô thị Ưu tiên cho các tuyến đường trục chính đô thị, khu vực
Chỉnh trang hạ ngầm lưới đèn chiếu sáng đồng bộ với các hạ tầng khác để đảm bảo mỹ quan đô thị
Chuyển đổi hệ thống chiếu sáng ngõ hẻm theo chuẩn chung của thành phố để đảm bảo đảm an ninh, trật tự, văn minh tại khu vực dân cư
Bảo đảm các chức năng về chiếu sáng, định vị, dẫn hướng cho các đối tượng tham gia giao thông hoạt động an toàn về ban đêm, các chỉ tiêu định lượng, chất lượng chiếu sáng bảo đảm quy chuẩn kỹ thuật về chiếu sáng đô thị quy định cho từng loại công trình giao thông.Xây dựng mới, nâng cấp, cải tạo các công trình giao thông phải được xây dựng đồng bộ với các công trình chiếu sáng đô thị.Phù hợp yêu cầu của quy hoạch đô thị, quy hoạch chiếu sáng đô thị, có tính thẩm mỹ, phù hợp với không gian kiến trúc và cảnh quan môi trường xung quanh.Bảo đảm quy chuẩn kỹ thuật, đáp ứng yêu cầu chỉ dẫn và khả năng phát hiện kịp thời chướng ngại vật trong hầm, bảo đảm an toàn, phòng, chống cháy nổ và có nguồn sáng dự phòng Điều khiển thông minh tiết giảm ánh sáng theo lưu lượng hoặc theo nhu cầu để giảm mức tiêu thụ năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm ánh sáng vào ban đêm ảnh hưởng đến sức khỏe con người, đặc biệt là ánh sáng chiếu trực tiếp vào nhà dân (Light trespass) và độ chói lóa (Direct glare).
Cơ sở chiếu sáng đường Lê Trọng Tấn
2.4.1 Đôi nét về đường Lê Trọng Tấn Đường Lê Trọng Tấn, quân Thanh Xuân, thành phố Hà Nội có tổng chiều dài là 1700km, mặt cắt ngang tuyến đường gần 30m.
Hiện trên đường Lê Trọng Tấn có rất nhiều cơ quan, đơn vị, doanh nghiệp xây dựng và hoạt động như:
Ban Quản lý Tòa nhà Bộ CHQS Hà Nội và Ngân hàng Quân đội (số nhà 86);
Xí nghiệp Xây lắp 244 Quân chủng Phòng không – Không quân (số nhà 164);
Tổng Công ty Thành An (hay còn gọi là Binh đoàn 11), Công ty Xây dựng công trình
Trường THPT Nhân dân “Ngô Gia Tự” (số nhà 82);
Công ty TNHH Thương mại – Dịch vụ Việt Thủy (số nhà 238);
Công ty Cổ phần Kỹ thuật – Thương mại Tam Sơn (số nhà 306);
Công ty Cổ phần Kỹ thuật Nền móng (Số nhà 310). xxv
Hình 2.2 là hình ảnh đường Lê Trọng Tấn và hệ thống đèn đường đang được dử dụng hiện nay
Hình 2 2 Đường Lê Trọng Tấn
Hình 2.3 là hình ảnh đường Lê Trọng Tấn được trích xuất từ Google Map
Hình 2 3 Đường Lê Trọng Tấn ( map)
Hình 2.4 là loại đèn LED trong hệ thống chiếu sáng đang được sử dụng tại đường Lê Trọng Tấn
Hình 2 4 Loại đèn LED đang được sử dụng xxvii
– Ánh sáng : Trắng ( 6000K) – Trung tính ( 4000K)- Vàng (3000K)
– Chipled: COB TF / COB Philips inside 3030
– Sản xuất tại Việt Nam
Hình 2.5 là hình ảnh cột đèn trong hệ thống chiếu sáng đang được sử dụng tại đường
Hình 2 5 Cột đèn trên đường Lê Trọng Tấn
- Khoảng cách giữa các cột đèn: 25m-30m
Là đường phố cấp II, cấp chiếu sáng A sẽ có một số yêu cầu kỹ thuật vào chiếu sáng đường phố như sau: xxix
Đường phân bố cường độ sáng của đèn điện chiếu sáng đường phố phải có dạng bán rộng như hình 1.
Cường độ ánh sáng tính theo bóng đèn có quang thông quy ước là 10001m trong vùng α = 75 ÷ 90o so với phương thẳng đứng ở mặt phẳng cắt ngang đèn không được lớn hơn giá trị cho trong bảng 2.1.
Hình 2 6 Sự phân bố độ sáng Bảng 2.1 Quy ước cường độ ánh sáng α , 0 Cường độ sáng, cd, không lớn hơn
Hệ số sử dụng quang thông theo độ rọi không được nhỏ hơn 0,2 và hệ số khuếch đại của đèn điện không được nhỏ hơn 1,8.
Hệ số hiệu dụng của đèn điện không được nhỏ hơn 70% Đối với đèn có hai bóng trở lên cho phép giảm đi 5%.
Tấm phản quang có hệ số phản quang không nhỏ hơn 0,8.
Tấm bảo vệ có hệ số khúc xạ không nhỏ hơn 0,85.
2.4.3 Yêu cầu về kết cấu
Đèn điện được chế tạo theo cấp bảo vệ IP 23.
Kết cấu kẹp giữ của đèn điện phải đảm bảo giữ đèn chắc chắn ở vị trí làm việc các vít và mối ghép bằng vít, bu lông phải đảm bảo chống tự tháo lỏng.
Đui để lắp bóng đèn phải phù hợp với TCVN 1835 : 1976
Các chi tiết bằng kim loại phải được bảo vệ chống gỉ Tấm phản quang phải đảm bảo độ bền của lớp mạ, sau khi thử sương muối 72h tấm phản quang không được có vết gỉ.
Đèn điện phải chịu lực tác động của mưa nhân tạo với lưu lượng 5mm/phút.
Dây dẫn bên trong đèn phải có mặt cắt phù hợp với công suất của bóng đèn nhưng không được nhỏ hơn 0,5mm2.
2.4.4 Yêu về an toàn điện
Đên cần được chế tạo theo cấp bảo vệ chống điện giật 01.
Vít để nối đất phải đảm bảo nối đất chắc chắn và có đường kính không nhỏ hơn 4mm và phải có kí hiệu nối đất.
Chiều dài đường rò và khe hở không khí giữa các chi tiết không nhỏ hơn giá trị cho trong bảng 2.
2.4.5 Yêu cầu về lưới điện của hệ thống chiếu sáng
Yêu cầu 1: Sử dụng thống nhất hệ thống lưới điện 3 pha có trung tính nối đất 380/200v để cấp nguồn.
Yêu cầu 2: Phương pháp lắp đặt: Theo tiêu chuẩn 11 TCN 19-84 quy phạm trang bị – hệ thống đường dân dẫn điện.
Yêu cầu 3: Lựa chọn tiết diện dây dẫn điện theo 03 yếu tố: công suất đèn, vị trí trạm cấp nguồn, tổn hao điện áp không lớn hơn 5% đối với đèn có vị trí xa nhất.
2.4.6 Yêu cầu về điều khiển hệ thống chiếu sáng
Ra lệnh đóng cắt hệ thống chiếu sáng.
Điều khiển chiếu sáng (tắt bớt một số đèn).
Có khả năng điều khiển bằng tay. xxxi
CÁC CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG CHO THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Mở đầu
Đèn đường chiếu sáng bằng năng lượng mặt trời là một trong những giải pháp chiếu sáng thông minh, tiết kiệm và thân thiện với môi trường được ứng dụng rộng rãi hiện nay Để mang lại hiệu quả chiếu sáng tối ưu, đèn đường được tích hợp nhiều công nghệ tiên tiến
Các yêu cầu đặt ra như: giá thành, tiết kiệm điện năng, hiệu suất cao, thân thiện với môi trường, độ bền cao, dễ dàng lắp đặt, an toàn, tiện lợi, thẩm mỹ,… Cho thấy việc lựa chọn công nghệ và thiết bị có tầm quan trọng rất lớn đến toàn hệ thống.
Một số giao thức truyền thông không dây
- WiFi (Wireless Fidelity) có nghĩa là truyền tín hiệu bằng sóng vô tuyến thông qua kết nối không dây.
- WiFi hoạt động dựa trên bộ định tuyến (router hay bộ phát WiFi), router có tác dụng chuyển kết nối hữu tuyến sang tín hiệu vô tuyến và gửi tín hiệu đi Sau đó, adapter (bộ chuyển tín hiệu không dây) được cài đặt sẵn trên các thiết bị thông minh sẽ nhận tín hiệu này, giải mã và cho phép người dùng truy cập Internet Sóng WiFi được truyền tải qua các kênh tần số không dây, được chia thành các băng tần khác nhau, chẳng hạn như 2,4 GHz và 5 GHz Nhiều router WiFi hiện nay cung cấp cả hai băng tần để tăng tốc độ và phạm vi của mạng.
- Một vài ưu nhược điểm của mạng WiFi Ưu điểm:
Sự tiện lợi: Mạng không dây cũng như hệ thống mạng thông thường Nó cho phép người dùng truy xuất tài nguyên mạng ở bất kỳ nơi đâu trong khu vực được triển khai (nhà hay văn phòng) Với sự gia tăng số người sử dụng máy tính xách tay và thiết bị thông minh thì đó là một sự thuận lợi
Khả năng di động: Với sự phát triển của các mạng không dây công cộng, người dùng có thể truy câp Internet không dây miễn phí
Hiệu quả: Người dùng có thể duy trì kết nối mạng khi họ đi từ nơi này đến nơi khác
Triển khai: Việc thiết lập hệ thống mạng không dây ban đầu chỉ cần ít nhất 1 access point Với mạng dùng cáp, phải tốn thêm chi phí và có thể gặp khó khăn trong việc triển khai hệ thống cáp ở nhiều nơi trong tòa nhà.
Khả năng mở rộng: Mạng không dây có thể đáp ứng tức thì khi gia tăng số lượng người dùng Với hệ thống mạng dùng cáp cần phải gắn thêm cáp
Bảo mật: Môi trường kết nối không dây là không khí nên khả năng bị tấn công của người dùng là rất cao
Phạm vi: Phù hợp trong 1 căn nhà, nhưng với một tòa nhà lớn thì không đáp ứng được nhu cầu
Độ tin cậy: Vì sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông nên việc bị nhiễu, tín hiệu bị giảm do tác động của các thiết bị khác (lò vi sóng,…) là không tránh khỏi
Tốc độ: Tốc độ của mạng không dây chậm hơn so với mạng sử dụng cáp.
- Các chế độ hoạt động
Chế độ station (STA): Là chế độ khi một thiết bị kết nối vào mạng WiFi, khi đó được gọi là station (trạm) Việc kết nối vào mạng WiFi được hỗ trợ bởi một access point (AP) Khi thiết bị kết nối thành công vào mạng WiFi thì nó cần khởi động DHCP client (mặc định) để xin cấp phát địa chỉ IP trước khi bắt đầu xxxiii các kết nối IP Do đó, nếu như vì bất kỳ lý do gì mà access point không có DHCP server để cấp phát IP thì phải cấu hình IP tĩnh cho thiết bị kết nối vào.
Chế độ điểm truy cập (access point): Là chế độ mà một thiết bị tạo ra một mạng không dây cục bộ Một điểm truy cập access point là một trạm truyền và nhận dữ liệu Có thể gọi chúng là bộ thu phát WiFi Một điểm truy cập access point kết nối người dùng với những người dùng khác trong cùng một mạng Trong một khu vực mạng được xác định thì mỗi điểm truy cập mạng có thể phục vụ nhiều người dùng.
Hình 3 1 Chế độ Access Point và Station
Bluetooth là một tiêu chuẩn được sử dụng trong các liên kết vô tuyến có phạm vi ngắn, nhằm thay thế các kết nối có dây giữa các thiết bị điện tử như điện thoại di động… Công nghệ Bluetooth có thể được sử dụng ở nhà, trong văn phòng, trên xe hơi Công nghệ này cho phép người dùng kết nối tức thời âm thanh và thông tin giữa nhiều thiết bị trong thời gian thực Cách thức truyền tải được sử dụng đảm bảo bảo vệ chống lại sự can thiệp và an toàn trong việc gửi thông tin Đặc điểm chính độ phức tạp thấp, tiêu thụ thấp và chi phí thấp Bluetooth là một vi mạch nhỏ hoạt động trong một dải tần cho phép trên khắp thế giới Truyền thông P-MP IEEE 802.15.1 Hình 3.2 là hình ảnh về quá trình phát triển của công nghệ Bluetooth.
Hình 3 2 Quá trình phát triển của công nghệ Bluetooth
Về tầm phủ sóng, bluetooth có 3 class: class 1 với tầm phủ sóng gần 100m; class 2 tầm phủ sóng khoảng 10m và class 3 chỉ khoảng 5m Nhìn chung kết nối bluetooth thường tốn nhiều năng lượng hơn kết nối Wifi, nhưng các chuẩn mới dần đã cải thiện được điều này Tốc độ truyền dữ liệu cũng khác nhau theo từng phiên bản, từ khi ra đời vào năm 1994 đến nay Bluetooth đã trải qua khoảng 7 phiên bản chính Ngoài phiên bản 2.1 là phiên bản đầu tiên hỗ trợ kết nối nhiều thiết bị cùng lúc, hiện nay trên thị trường chủ yếu tồn tại các biến thể của hai phiên bản mới nhất là 3.0 và 4.0
Bluetooth 3.1 hay Bluetooth 3.0 + HS (High Speed) được giới thiệu vào năm 2009 cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ lên tới 24Mbps trên nền mạng không dây (Wi- Fi) 802.11 (Bluetooth chỉ sử dụng để thiết lập kết nối giữa các thiết bị) Đối với những thiết bị bluetooth 3.0 nhưng không có +HS sẽ không đạt được tốc độ trên Tuy tốc độ không cao nhưng vẫn đủ hỗ trợ các nhu cầu như chia sẻ file nhanh, kết nối với loa, tai nghe…
Bluetooth phiên bản 4.0 là sự kết hợp của “classic Bluetooth” (Bluetooth 2.1 và 3.0), “Bluetooth high speed” (Bluetooth 3.0 +HS) và “Bluetooth low energy – Bluetooth năng lượng thấp” (Bluetooth Smart Ready/Bluetooth Smart) Mỗi chuẩn thiết bị khác nhau đều có sự tương thích khác nhau, chúng ta có thể xem thông tin xxxv tương thích của các thiết bị với từng chuẩn bluetooth trong bảng sau Bluetooth 4.1 đã đem đến sự cải thiện trong chất lượng âm thanh và khả năng kết nối đồng thời với nhiều thiết bị Điều này được mở rộng trong phiên bản 4.2, nơi tính bảo mật được tăng cường và hỗ trợ cho Internet of Things (IoT) trở nên đặc biệt quan trọng.
Với Bluetooth 5.0, tốc độ truyền dữ liệu được tăng lên đến 2 Mbps, và phạm vi kết nối được mở rộng lên tới 4 lần so với Bluetooth 4.2 Điều này giúp nâng cao hiệu suất cho các ứng dụng IoT và thiết bị có nhu cầu năng lượng thấp Bluetooth 5.1 cung cấp khả năng định vị chính xác thông qua công nghệ Direction Finding và tăng cường tính bảo mật.
Cuối cùng, Bluetooth 5.2 tiếp tục nâng cao cả về hiệu suất lẫn tính linh hoạt Tính năng Isochronous Channels hỗ trợ việc truyền dữ liệu chính xác cho các ứng dụng như tai nghe Tính linh hoạt của giao thức được cải thiện, đồng thời tích hợp các tính năng cho các ứng dụng mở rộng, đặc biệt là trong lĩnh vực Internet of Things (IoT) Tất cả những cải tiến này đánh dấu sự phát triển liên tục của Bluetooth, tối ưu hóa trải nghiệm kết nối không dây cho người dùng và hỗ trợ rộng rãi cho nhiều loại thiết bị.
Zigbee, giống như Bluetooth, là một loại truyền thông trong khoảng cách ngắn, hiện được sử dụng với số lượng lớn và thường được sử dụng trong công nghiệp Điển hình, Zigbee Pro và Zigbee remote control (RF4CE) được thiết kế trên nền tảng giao thức IEEE802.15.4 – là một chuẩn giao thức truyền thông vật lý trong công nghiệp hoạt động ở 2.4Ghz thường được sử dụng trong các ứng dụng khoảng cách ngắn và dữ liệu truyền tin ít nhưng thường xuyên, được đánh giá phù hợp với các ứng dụng trong smarthome hoặc trong một khu vực đô thị/khu chung cư Hình 3.3 là hình ảnh về mức độ phổ biến của công nghệ Zingbee trong đời sống
Zigbee / RF4CE có một lợi thế đáng kể trong các hệ thống phức tạp cần các điều kiện: tiêu thụ công suất thấp, tính bảo mật cao, khả năng mở rộng số lượng các node cao… ví dụ như yêu cầu của các ứng dụng M2M và IoT là điển hình Phiên bản mới nhất của Zigbee là 3.0, trong đó điểm nổi bật là sự hợp nhất của các tiêu chuẩn Zigbee khác nhau thành một tiêu chuẩn duy nhất Ví dụ, sản phẩm và kit phát triển của Zigbee của
TI là CC2538SF53RTQT Zigbee System-On-Chip T và CC2538 Zigbee Development Kit.
Băng tần Zigbee, có kiến trúc nhiều tầng như chuẩn 802.15.4 hoạt động ở 1 trong 3 dải tần sau:
- 915MHz cho khu vực Bắc Mỹ.
- 2.4GHz cho các nước khác.
Cảm biến
Quang trở còn có những tên gọi khác như là điện trở quang, photoresistor, photocell Quang trở (LDR) là một điện trở được làm bằng chất quang dẫn Nó có thể thay đổi giá trị theo cường độ ánh sáng Hay nói cách khác, quang điện trở là một linh kiện được tạo bằng chất đặt biệt, có thể biến đổi khi có ánh sáng chiếu vào Khi cường độ ánh sáng tăng lên sẽ làm các electron tự do tăng theo Điều này mang ý nghĩa là độ tăng của quang điện trở càng cao thì sẽ làm giảm mức điện trở của vật liệu xuống.
Quang trở là một linh kiện điện tử được sử dụng để cảm nhận và điều khiển cường độ ánh sáng Nó được thiết kế gồm hai màng kim loại được đấu nối với nhau thông qua các đầu cực, tạo ra diện tích tiếp xúc tối đa để cảm nhận sự thay đổi của ánh sáng
Ký hiệu về quang trở trong điện tử được thể hiện dưới hình 3.5:
Hình 3 5 Kí hiệu quang trở trong điện tử
Bên trong quang trở, thành phần chính để tạo nên tính năng quang dẫn của quang điện trở chính là Cadmium Sulphide (CdS) Khi không có ánh sáng chiếu vào, CdS thường không chứa hoặc chỉ có rất ít các hạt electron Tuy nhiên, khi có ánh sáng chiếu vào, CdS sẽ hấp thụ năng lượng ánh sáng và giải phóng các electron, tạo ra sự khác biệt trong cường độ dòng điện giữa hai màng kim loại, và từ đó giúp cảm nhận được sự thay đổi của ánh sáng. xli Để bảo vệ và giúp tiếp xúc được với ánh sáng, quang trở thường được đặt trong một hộp nhựa Với tính năng cảm biến ánh sáng, quang trở được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như điều khiển đèn chiếu sáng, cảm biến ánh sáng tự động trong máy ảnh hoặc các thiết bị điện tử khác Cấu tạo của quang trở như hình 3.6 sau:
Hình 3 6 Cấu tạo của quang trở
Quang trở được tạo thành từ chất bán dẫn có trở kháng rất cao và không có tiếp giáp nào Trong điều kiện không ánh sáng, quang trở có điện trở lên vài MΩ Tuy nhiên, khi ánh sáng chiếu vào, giá trị điện trở có thể giảm xuống chỉ còn vài trăm Ω.
Nguyên lý hoạt động của quang trở dựa trên hiệu ứng quang điện trong vật chất Khi photon có năng lượng đủ lớn đập vào, các electron sẽ được kích thích bật ra khỏi phân tử và trở thành electron tự do trong vật chất, từ đó chất bán dẫn sẽ chuyển từ trở kháng thành dẫn điện Độ dẫn điện của quang trở phụ thuộc vào số lượng photon được hấp thụ.
Khi ánh sáng chiếu vào quang trở, các electron sẽ được giải phóng và độ dẫn điện của quang trở sẽ tăng lên Tuy nhiên, phản ứng của các quang trở với các loại sóng photon khác nhau phụ thuộc vào chất bán dẫn sử dụng Nguyên lý hoạt động của quang trở được thể hiện dưới hình 3.7 như sau:
Hình 3 7 Nguyên lý hoạt động của quang trở
Cảm biến vật cản hồng ngoại hay còn được gọi là IR Sensor, là thiết bị điện tử có khả năng đo và phát hiện được bức xạ hồng ngoại ở môi trường xung quanh Ngoài ra, cảm biến vật cản hồng ngoại có tên tiếng Anh là Passive Infrared (viết tắt là PIR), nếu dịch sát nghĩa là “hồng ngoại thụ động”.
Cảm biến hồng ngoại phát ra những tia vô hình đối mắt với người, bởi vì bước sóng của nó dài hơn ánh sáng khả kiến (dù rằng nó vẫn nằm trong cùng một phổ điện từ). Bất kỳ thứ gì phát ra nhiệt (tất cả mọi thứ có nhiệt độ trên 5 độ Kelvin) đều phát ra bức xạ hồng ngoại.
Cấu tạo của cảm biến hồng ngoại như sau:
- Đèn led hồng ngoại: Đây là thiết bị được phát ra từ nguồn sáng hồng ngoại
- Máy dò hồng ngoại: Là thiết bị nhận tín hiệu và phát hiện ra bức xạ hồng ngoại phản xạ trở lại xliii
- Điện trở: Là thiết bị có tác dụng đi cường độ dòng điện quá lớn chạy quá đèn led làm cho hệ thống chập cháy
- Dây điện: Tác dụng chính là kết nối các chi tiết để tạo nên cảm biến hoạt động ổn định
Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại được thể hiện qua hình 3.8 như sau:
Hình 3 8 Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản
Led phát hồng ngoại luôn luôn phát ra sóng ánh sáng có bước sóng hồng ngoại, led thu bình thường có nội trở lớn, khi led thu nhận tia hồng ngoại chiếu vào đủ lớn thì nội trở giảm xuống
Hình 3.9 là sơ đồ mạch điện của cảm biến hồng ngoại.
Hình 3 9 Sơ đồ mạch cảm biến hồng ngoại
Trường hợp khi có vật cản phía trước thì những chùm tia hồng ngoại đập vào vật cản và phản xạ lại led thu làm cho nó thay đổi giá trị nội trở và dẫn đến thay đổi mức điện áp ở phái đầu vào của op amp Khi khoảng cách càng gần thì sự thay đổi sẽ càng lớn.
Và khi đó điện áp đầu vào không đảo được đánh giá với giá trị điện áp sẽ không đổi ghim trên biến trở R3.
Nếu như giá trị điện áp đầu vào không đảo lớn hơn đầu vào đảo, op amp xuất ra mức
1, nếu như áp đầu vào không đảo nhỏ hơn đầu vào đảo, op amp sẽ xuất ra mức 0 Khi đấy điện trở R1, R2, R4 sẽ được sử dụng để đảm bảo dòng điện tối thiểu mA đi qua các thiết bị LED IR như Photodiode, đèn Led thông thường Biến trở R3 sẽ dùng để điều chỉnh độ nhạy của mạch.
Một số dòng vi điều khiển phổ biến
ESP32 là một vi điều khiển giá rẻ, năng lượng thấp có hỗ trợ WiFi và dual-mode Bluetooth (tạm dịch: Bluetooth chế độ kép) Dòng ESP32 sử dụng bộ vi xử lý Tensilica Xtensa LX6 ở cả hai biến thể lõi kép và lõi đơn, và bao gồm các công tắc xlv antenna tích hợp, RF balun, bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại thu nhiễu thấp, bộ lọc và module quản lý năng lượng.
ESP32 được chế tạo và phát triển bởi Espressif Systems, một công ty Trung Quốc có trụ sở tại Thượng Hải, và được sản xuất bởi TSMC bằng cách sử dụng công nghệ 40 nm ESP32 là sản phẩm kế thừa từ vi điều khiển ESP8266
Hình 3.10 là hình ảnh của module ESP32
- Hình 3.11 là cấu trúc CPU của module ESP 32
+ CPU: Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor.
+ Tốc độ xử lý 160MHZ up to 240 MHz
+ Tốc độ xung nhịp đọc flash chip 40mhz > 80mhz (tùy chỉnh khi lập trình) + RAM: 520 KByte SRAM
+ 520 KB SRAM liền chip –(trong đó 8 KB RAM RTC tốc độ cao – 8 KB RAM RTC tốc độ thấp (dùng ở chế độ DeepSleep).
- Ngoại vi của module ESP 32 được thể hiện dưới hình 3.12 như sau:
Hình 3 12 Các ngoại vi trên các chân của Kit ESP32
+ 8-bit DACs( digital to analog) 2 cổng
+ SPI – 3 cổng (1 cổng cho chip FLASH )
+ SD card /SDIO/MMC host
+ Ethernet MAC interface with dedicated DMA and IEEE 1588 support
+ Băm xung PWM (tất cả các chân )
- Cảm biến tích hợp trên chip esp32
+ 1 cảm biến Hall (cảm biến từ trường)
+ 1 cảm biến đo nhiệt độ
+ Cảm biến chạm (điện dung) với 10 đầu vào khác nhau.
+ IEEE 802.11 standard security features all supported, including WFA, WPA/WPA2 and WAPI
+ 1024-bit OTP, up to 768-bit for customers
+ Cryptographic hardware acceleration: AES, SHA-2, RSA, elliptic curve cryptography (ECC), random number generator (RNG)
- Điểm mạnh của ESP32 so với các dòng khác
+ Có thể nói ESP32 là sự nâng cấp hoàn hảo của ESP8266, với ESP8266 phù hợp với các dự án nhỏ và tiết kiệm chi phí ESP32 lại phù hợp với các dự án phức tạp hơn, tốc độ xử lý cao hơn và tích hợp nhiều ngoại vi mạnh mẽ hơn.
+ ESP8266 là 17 chân GPIO, ADC độ phân giải 10 bit, 8 kênh PWM mềm trong khi đó ESP 32 có tới 30/36 chân GPIO, 18 kênh ADC độ phân giải 12-bit, 16 kênh PWM mềm, Touch Sensor, Hall Effect Sensor, Ethernet MAC Interface, Cảm biến nhiệt độ được tích hợp sẵn.
+ Về bộ nhớ ESP32 có thêm 4MB External Flash và 520KB SRAM (static random access memory) trong đó 8 KB RAM RTC tốc độ cao – 8 KB RAM RTC tốc độ thấp (dùng ở chế độ DeepSleep).
+ ESP32 hỗ trợ Bluetooth 4.2 và BLE (Bluetooth Low Energy) Việc hỗ trợ cả bluetooth khiến ESP32 có thể tương tác với các thiết bị như là bàn phím, chuột,
+ Ultra Low Power giải quyết vấn đề năng lượng cho ESP bởi vì sử dụng Wi-Fi sẽ rất ngốn điện đặc biệt khi chúng ta sử dụng pin phải tính toán rất kĩ.
- Môi trường lập trình (IDE)
ESP32 có thể lập trình trong các môi trường khác nhau nhứ:
+ Espressif IDF (IoT Deverlopment Framework chính thức của espressif)
Arduino Nano là một bảng vi điều khiển thân thiện, nhỏ gọn, đầy đủ Arduino Nano nặng khoảng 7g với kích thước từ 1,8cm - 4,5cm.
Arduino Nano USB Mini là board mạch sử dụng vi điều khiển ATmega328P hoặc ATmega168 tích hợp các chân I/O đơn giản nhỏ gọn dựa trên mã nguồn mở được phát triển bởi Arduino.cc, có lợi thế lớn về kích thước so với phiên bản Arduino Uno và Arduino Mega Arduino Nano có thể hoạt động độc lập và tương tác hiệu quả với các thiết bị điện tử, cũng có thể giúp những người mới tìm hiểu về Arduino có thể kết nối với PC, phối hợp với Flash, Xử lý, Max / Msp, PD, và các phần mềm khác một cách dễ dàng Điều này giúp Arduino Nano là sự lựa chọn ưa thích khi muốn thực hiện một projects mà yêu cầu kết nối với các thiết bị ngoại vi ít và đơn giản.
Các chức năng rất giống với phiên bản Arduino Uno nhưng kích thước nhỏ gọn hơn. Arduino Nano hoạt động với điện áp 5V Tuy nhiên nguồn cấp điện áp đầu vào có thể thay đổi từ 7 đến 12V Arduino Nano bo gồm tất cả 14 chân Digital, 8 chân Analog, 2 chân Reset và 6 chân Nguồn Mỗi chân Digital và Analog có thể thực hiện với nhiều chức năng khác nhau nhưng chức năng chính vẫn là được mặc định cấu hình làm đầu vào (Input) hoặc đầu ra (Output) Khi giao tiếp với cảm biến các chân Digital/Analog đóng vai trò chân Input, Và khi sử dụng để điều khiển động cơ, tạo xung, kích dẫn relay, thiết bị chuyển mạch thì các chân Digital / Anologs đóng vai trò Output.
Các hàm cơ bản như pinMode() và digitalWrite() được sử dụng để điều khiển hoạt động của các chân Digital trong khi analogRead() được sử dụng để điều khiển các chân Analog Các chân Analog có độ phân giải 10 bit, giá trị thay đổi từ 0V đến 5V. xlix
Arduino Nano tích hợp Thạch anh dao động với tần số 16 MHz Nếu sử dụng Arduino Nano để thực hiện một projects liên quan đến đồng hồ số thì độ chính xác trong dao động tần số rất cao
Có một hạn chế khi sử dụng Arduino Nano đó là không đi kèm giắc nguồn DC, có nghĩa là không thể cung cấp nguồn điện bên ngoài thông qua các chân Arduino Nano như các phiên bản Arduino Uno và Arduino Mega Phải cắm trực tiếp thông qua cổng USB Mini
Board mạch Arduino Nano không sử dụng cổng USB chuẩn thường dùng để kết nối với máy tính, thay vào đó Arduino Nano chỉ hỗ trở cổng USB Mini để kết nối Với Kích thước nhỏ gọn và các tính năng giống với phiên bản Arduino Uno nên Arduino Nano trở thành một lựa chọn lý tưởng cho hầu hết các ứng dụng thực hiện các projects trong đó kích thước của các thành phần điện tử được tối ưu.
Bộ nhớ flash là 16KB hoặc 32KB, phụ thuộc vào Vi điều khiển Atmega, tức là Atmega168 đi có bộ nhớ flash 16KB trong khi Atmega328 đi có bộ nhớ flash là 32KB Bộ nhớ flash được sử dụng để lưu trữ mã hóa dữ liệu Bộ nhớ 2KB trong tổng số bộ nhớ flash được sử dụng cho chương trình khởi động gọi là Bootloader Bộ nhớ SRAM có thể thay đổi từ 1KB hoặc 2KB và EEPROM tương ứng là 512 byte hoặc 1KB đối với Atmega168 và Atmega328.
Sử dụng phần mềm IDE để lập trình với cáp USB Mini giao tiếp với máy tính
Hình 3.13 là hình ảnh của Arduino nano và cáp kết nối
Hình 3 13 Arduino nano và cáp kết nối
Sơ đồ chân và thông số kỹ thuật Arduino Nano sử dụng Vi điều khiển ATmega328P:
- Các chân I/O: 14 chân (Bao gồm 6 chân PWM)
- Tần số dao động : 16Mhz li
Sơ đồ chân của Arduino nano được trình bày qua hình 3.14 như sau:
Hình 3 14 Sơ đồ các chân của arduino nano
Mỗi chân trên mạch Arduino Nano có chức năng cụ thể trên các chân đó Chẳng hạn như các chân Analog có thể sử dụng như một bộ chuyển đổi Analog sang Digital trong đó các chân A4 và A5 cũng có thể được sử dụng cho vấn đề giao tiếp I2C Tương tự, có 14 chân Digital, trong đó có 6 chân được sử dụng để tạo ra xung PWM.
- Chân Vin: Đây là chân cung cấp điện áp đầu vào cho mạch Arduino nano khi sử dụng nguồn ngoài từ 7VDC đến 12VDC.
- Chân 5V: Là mức điện áp cung cấp quy định của Arduino được sử dụng để cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển và các bộ phận linh kiện khác trên board Arduino.
- Chân 3,3V: Đây là một mức điện áp tối thiểu được tạo ra bởi bộ điều chỉnh điện áp trên board ( sử dụng Lm1117 - 3.3V)
- Chân GND: Chân mass cho Arduino, có nhiều chân GND trên board Arduino cho mục đích dễ dàng kết nối với thiết bị ngoại vi sử dụng dây testboard
Tổng quan về Firebase
Sử dụng Firebase để giao tiếp giữa ESP32 và App Android, ta có thể dễ dàng lấy các giá trị cảm biến từ ESP32 và gửi lên Firebase và dễ dàng điều khiển các thiết bị bằng App Android thông qua Firebase.
Giao diện người dùng chính của Firebase như hình 3.18
Hình 3 18 Giao diện chính của Firebase 1.1.2 Khái niệm Firebase
Firebase là một dịch vụ cơ sở dữ liệu thời gian thực hoạt động trên nền tảng đám mây được cung cấp bởi Google nhằm giúp các lập trình phát triển nhanh các ứng dụng bằng cách đơn giản hóa các thao tác với cơ sở dữ liệu
FireBase có thể rất mạnh mẽ đối với ứng dụng backend, nó bao gồm việc lưu trữ dữ liệu, xác thực người dùng, static hosting……Nên lập trình viên chỉ cần chú tâm đến việc nâng cao trải nghiệm người dùng.
+ Firebase lưu trữ dữ liệu database dưới dạng JSON và thực hiện đồng bộ database tới tất cả các client theo thời gian thực lix
+ Tự động tính toán quy mô ứng dụng, dễ dàng khi cần nâng cấp hay mở rộng dịch vụ
+ Cho phép phân quyền một cách đơn giản bằng cú pháp tương tự như javascript.
- Các tính năng bảo mật: Firebase hoạt động dựa trên nền tảng cloud và thực hiện kết nối thông qua giao thức bảo mật SSL Không chỉ có vậy, việc cho phép phân quyền người dùng database bằng cú pháp javascipt cũng nâng cao hơn nhiều độ bảo mật cho ứng dụng, bởi chỉ những user khi được cấp phép mới có thể có quyền chỉnh sửa cơ sở dữ liệu.
- Làm việc offline: Ứng dụng Firebase sẽ duy trì tương tác bất chấp một số các vấn đề về internet xảy ra Trước khi bất kỳ dữ liệu được ghi đến server thì tất cả dữ liệu lập tức sẽ được viết vào một cơ sử dữ liệu Firebase ở local Ngay khi có thể kết nối lại, client đó sẽ nhận bất kỳ thay đổi mà nó thiếu và đồng bộ hoá nó với trạng thái hiện tại server.
- Xác thực người dùng: Với Firebase, ta có thể dễ dàng xác thực người dùng từ ứng dụng trên Android, iOS và JavaScript SDKs chỉ với một vài đoạn mã. Firebase đã xây dựng chức năng cho việc xác thực người dùng với Email, Facebook, Twitter, GitHub, Google, và xác thực nặc danh Các ứng dụng sử dụng chức năng xác thực của FireBase có thể giải quyết được vấn đề khi người dùng đăng nhập, nó sẽ tiết kiện thời gian và rất nhiều các vấn đề phức tạp về phần backend Hơn nữa ta có thể tích hợp xác thực người dùng với các chức năng backend đã có sẵn dùng custom auth tokens.
- Sự ổn định: Firebase hoạt động dựa trên nền tảng Cloud đến từ Google vì vậy ta không bao giờ phải lo lắng về việc sập server, tấn công mạng như DDOS, tốc độ kết nối lúc nhanh lúc chậm, … nữa.
Tổng quan về MIT App Inventor
MIT App Inventor dành cho Android là một ứng dụng web nguồn mở ban đầu được cung cấp bởi Google và hiện tại được duy trì bởi Viện Công nghệ Massachusetts(MIT).
Nền tảng cho phép nhà lập trình tạo ra các ứng dụng phần mềm cho hệ điều hành Android (OS) Bằng cách sử dụng giao diện đồ họa, nền tảng cho phép người dùng kéo và thả các khối mã (blocks) để tạo ra các ứng dụng có thể chạy trên thiết bị Android.
- Cho phép xây dựng nhanh chóng những thành phần cơ bản (components) của một ứng dụng Android: Nút bấm, nút lựa chọn, chọn ngày giờ, ảnh, văn bản, thông báo, kéo trượt, trình duyệt web.
- Sử dụng nhiều tính năng trên điện thoại: Chụp ảnh, quay phim, chọn ảnh, bật video hoặc audio, thu âm, nhận diện giọng nói, chuyển lời thoại thành văn bản, dịch.
- Hỗ trợ xây dựng game bằng các components: Ball, Canvas, ImageSprite.
- Cảm biến: đo gia tốc (AccelerometerSensor), đọc mã vạch, tính giờ, con quay hồi chuyển (gyroscopeSensor), xác định địa điểm (locationSensor), NFC, đo tốc độ (pedometer), đo khoảng cách xa gần với vật thể (proximitySensor).
- Kết nối: Danh bạ, email, gọi điện, chia sẻ thông qua các ứng dụng mạng xã hội khác trên thiết bị, nhắn tin, sử dụng twitter qua API, bật ứng dụng khác, bluetooth, bật trình duyệt.
- Lưu trữ: đọc hoặc lưu tệp txt, csv, sử dụng FusiontablesControl, tạo cơ sở dữ liệu đơn giản trên điện thoại hoặc trên đám mây thông qua server tự tạo hoặc Firebase.
- Điều khiển robot thông qua LegoMindstorms.
- Mua bán trong ứng dụng, Floating button, Báo thức, cảm biến ánh sáng, kết nối dữ liệu Sqlite…
- Nhược điểm của app Inventor là:
- Lập trình viên chưa thể sử dụng mọi tính năng của Android và việc này phụ thuộc vào khi nào mở rộng mới có tính năng ta cần có được tạo ra Khuyết điểm này chỉ có thể khắc phục bằng cách tự xây dựng mở rộng cho App Inventor.
- Do ứng dụng được phát triển trên server của MIT, giới hạn dung lượng của mỗi project chỉ là 5mb.
Mặc dù có những nhược điểm như vậy, nhưng MIT App Iventor vẫn là một nền tảng mạnh mẽ giúp những ai mới bắt đầu lập trình trên Android có thể tạo ra được những ứng dụng hoàn thiện Những ưu điểm trên của MIT app hoàn toàn phù hợp với đề tài. lxi
Tổng quan về phần mềm Arduino IDE
Arduino IDE là một phần mềm mã nguồn mở chủ yếu được sử dụng để viết và biên dịch mã vào module Arduino. Đây là một phần mềm Arduino chính thức, giúp cho việc biên dịch mã trở nên dễ dàng mà ngay cả một người bình thường không có kiến thức kỹ thuật cũng có thể làm được.
Nó có các phiên bản cho các hệ điều hành như MAC, Windows, Linux và chạy trên nền tảng Java đi kèm với các chức năng và lệnh có sẵn đóng vai trò quan trọng để gỡ lỗi, chỉnh sửa và biên dịch mã trong môi trường.
Có rất nhiều các module Arduino như Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino Leonardo, Arduino Micro và nhiều module khác.
Mỗi module chứa một bộ vi điều khiển trên bo mạch được lập trình và chấp nhận thông tin dưới dạng mã.
Mã chính, còn được gọi là sketch, được tạo trên nền tảng IDE sẽ tạo ra một file Hex, sau đó được chuyển và tải lên trong bộ điều khiển trên bo.
Môi trường IDE chủ yếu chứa hai phần cơ bản: Trình chỉnh sửa và Trình biên dịch, phần đầu sử dụng để viết mã được yêu cầu và phần sau được sử dụng để biên dịch và tải mã lên module Arduino.
Môi trường này hỗ trợ cả ngôn ngữ C và C ++.
Khi người dùng viết mã và biên dịch, IDE sẽ tạo file Hex cho mã File Hex là các file thập phân Hexa được Arduino hiểu và sau đó được gửi đến bo mạch bằng cáp USB.Mỗi bo Arduino đều được tích hợp một bộ vi điều khiển, bộ vi điều khiển sẽ nhận file hex và chạy theo mã được viết.
Bảng 3 19 Giao diện chính của phần mềm Arduino IDE
Kết luận chương
Qua chương 3, giúp chúng ta có thêm kiến thức về một số công nghệ, thiết bị và vi điều khiển phổ biến thường được ứng dụng vào trong hệ thống đèn đường thông minh dùng năng lượng mặt trời
Qua đó chúng ta sẽ có những lựa chọn được công nghệ, thiết bị và vi điều khiển phù hợp nhất Từ đó sẽ đưa ra được những hướng làm đề tài sao cho hợp lý nhất và đáp ứng được yêu cầu đặt ra. lxiii
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Mở đầu
4.1.1 Sơ đồ chức năng hệ thống
Sơ đồ chức năng của toan bộ hệ thống chiếu sang thông minh dùng năng lượng mặt trời như hình 4.1
Hình 4 1 Sơ đồ chức năng của hệ thống
Hình 4.2 dưới đây là sơ đồ chức năng của trạm trung tâm
Hình 4 2 Sơ đồ chức năng trạm trung tâm
Nguyên lý hoạt động trạm trung tâm:
- Sau khi người dùng thay đổi thông tin trên app hiển thị thì làm thay đổi data trên Firebase Khối xử lý trung tâm sẽ lấy data trên Firebase và xác nhận yêu cầu từ người dùng rồi tiến hành xử lý thông tin và đóng gói thành một bản tin hoàn chỉnh để gửi đến khối truyền thông để truyền đi đến các trạm đèn Khối nguồn có vai trò cung cấp năng lượng cho các linh kiện trong trạm trung tâm. Hình 4.3 dưới đây là sơ đồ chức năng của từng trạm đèn
Hình 4 3 Sơ đồ chức năng trạm đèn
Nguyên lý hoạt động: lxv
Khối truyền thông sẽ có vai trò truyền và nhận thông tin từ trạm trung tâm Khi trạm trung tâm gửi yêu cầu đến trạm đèn khối truyền thông sẽ tiếp nhận đầu tiên và đẩy thông tin sang khối xử lý trung tâm Tại đây khối xử lý trung tâm sẽ thực hiện theo yêu cầu mà được lập trình logic sẵn sau khi xử lý dữ liệu nhận được Sau đó nó sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến khối đèn Ngược lại khối xử lý trung tâm cũng đọc dữ liệu của cảm biến xử lý để bật tắt đèn và gửi bản tin dữ liệu này đến khối truyền thông để phản hồi trạm trung tâm.
- Lưu đồ thuật toán trạm trung tâm như hình 4.4
Hình 4 4 Lưu đồ thuật toán trạm trung tâm
Sau khi được cấp điện, trạm trung tâm sẽ kết nối tới WiFi , nếu không kết nối được thì trạm sẽ tiếp tục cố gắng đến khi nào kết nối được.
Sau khi đã kết nối được WiFi, trạm tiến hành cập nhật dữ liệu trên Firebase xuống và đối chiếu với dữ liệu cũ nếu có sự thay đổi ví dụ “mode: auto -> manual” thì trạm sẽ gửi một bản tin như sau: lxvii
{SenderAddress:0, DestinationAddress:1, Mode:"auto", Data:"off"}
Sau khi gửi xong thì trạm sẽ chờ phản hồi từ trạm đèn, nếu phản hồi đúng thì trạm sẽ quay về ban đầu và tiếp tục vòng lặp Nếu phản hồi sai hoặc thiếu, trạm sẽ ngay lập tức gửi tiếp một bản tin mới đến trạm đèn.
Trong quá trình này nếu sau 10s mà trạm đèn chưa phản hồi, trạm trung tâm sẽ gửi lại bản tin yêu cầu.
Hệ thống sẽ cập nhật trạng thái trạm đèn lên Firebase 1 phút một lần.
- Lưu đồ thuật toán trạm đèn như hình 4.5 dưới đây
Hình 4 5 Lưu đồ thuật toán trạm đè
Lập trình hệ thống
4.2.1 Lập trình trên phần mềm Arduino IDE
Tiến hành nạp code vào module WiFi ESP32 và vi điều khiển Arduino Nano trên mỗi trạm đèn qua phần mềm Arduino IDE
Các đoạn code này được trình bày đầy đủ ở phần phụ lục bên dưới
Hình 4.6 và 4.7 dưới là 2 đoạn code được nạp vào module WiFi ESP32 ở trạm trung tâm và 2 vi điều khiển Arduino Nano trong mạch đèn của 2 trạm đèn
Hình 4 6 Tiến hành nạp code vào module WiFi ESP32 của trạm trung tâm lxix
Hình 4 7 Dùng Arduino IDE để nạp code vào các bo Arduino Nano trong trạm
4.2.2 Lập trình phần mềm điều khiển từ xa
Sử dụng MIT App Inventor 2 để xây dựng hệ thống điều khiển giảm sát hệ thống có giao diện tối giản và dễ sử dụng như hình bên dưới
Phần mềm chỉ phù hợp với người dùng sử dụng điện thoại thông minh với hệ điều hành android
Khi điện thoại được kết nối với Internet, chúng ta có thể thực hiện các thao tác cơ bản như bật/tắt đèn ở chế độ manual (thủ công), chuyển đèn từ chế độ auto sang manual và ngược lại.
Phần mềm có thể giám sát được trạng thái của các đèn Led, từ đó giúp người dùng có thể điều khiển hoặc xử lý khi có hư hỏng xảy ra
Hình 4 8 Giao diện phần mềm điều khiển và giám sát lxxi
Xây dựng mô hình và kiểm nghiệm
Xây dựng mô hình gồm 1 trạm điều khiển trung tâm, 2 trạm đèn hoạt động độc lập.
Trạm trung tâm được kết nối WiFi sẽ nhận dữ liệu từ Firebase khi người dùng điều qua điện thoại thông minh
Trạm trung tâm sẽ điều khiển 2 trạm đèn qua giao thức truyền thông không giây bằng module Lora
Ngược lại, các trạm đèn cũng sẽ gửi về các tín hiệu thu được từ cảm biến đến người dùng, từ đó có thể đưa ra được những trạng thái hoạt động phù hợp
Trạm trung tâm là trung gian giữa việc điều khiển của người dùng đối với các trạm đèn nên sẽ luôn luôn kết nối với nguồn điện để có thể cập nhật liên tục các dữ liệu từ Người dùng -> Trạm trung tâm - > Trạm đèn, và ngược lại Ngay cả khi trạm trung tâm không hoạt động, thì các trạm đèn sẽ vẫn luôn hoạt động theo trạng thái mà người dùng đã điều khiển từ trước.
Các trạm đèn sẽ hoạt động độc lập, sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời để cung cấm điện áp cho trạm hoạt động Mỗi trạm đèn sẽ đầy đủ cảm biến hồng ngoại và cảm biến quang để có thể xác định chính xác các yếu tố ngoại cảnh từ đó hệ thống có thể điều khiển đèn hoạt động ở trạng thái phù hợp.
4.3.2 Lựa chọn các linh kiện a) Khối truyền thông:
Với khối truyền thông đóng vai trò quan trọng trong việc giao tiếp giữa các trạm đèn với trạm trung tâm Sau những lý thuyết đã tìm hiểu ở chương trước thì em nghĩ việc chọn giao tiếp Lora cho các trạm là hoàn toàn hợp lý.
Hiện nay có nhiều loại chip và module lora trên thị trường nhưng qua quá trình tìm hiểu của em thì đa số đều sử dụng chip Lora SX1278 Việc thiết kế mạch với con chipLora SX1278 đòi hỏi một lượng kiến thức lớn về vẽ mạch, chống nhiễu, … mà em không thể có đủ thời gian để hoàn thiện nên em sẽ sử dụng module lora có sẵn trên thị trường cho đồ án của mình Với mục tiêu là xây dựng một mô hình tương đối mô phỏng hoạt động cho hệ thống trong thực tế cũng như là đảm bảo giá thành rẻ nhất cho hệ thống em sử dụng module Mạch Thu Phát RF UART Lora SX1278 433Mhz 3000m
Hình 4.6 là hình ảnh chip thu phát Lora sẽ được sử dụng trong đề tài
IC chính: SX1278 từ SEMTECH.
Điện áp hoạt đông: 2.3 - 5.5 VDC
Điện áp giao tiếp: TTL-3.3V
Giao tiếp UART Data bits 8, Stop bits 1, Parity none, tốc độ từ 1200 - 115200.
Khoảng cách truyền tối đa trong điều kiện lý tưởng: 3000m lxxiii
Tốc độ truyền: 0.3 - 19.2 Kbps ( mặc định 2.4 Kbps)
Hỗ trợ 65536 địa chỉ cấu hình.
- Chân M0,M1 nối GND để truyền nhận bình thường hoặt nối với GPIO của vi điều khiển để thay đổi các Mode.
- Nếu dùng với mạch có mức logic trên 3.3V, có thể mua thêm mạch chuyển mức logic để bảo vệ chân. b) Khối xử lý trung tâm trạm trung tâm
Với yêu cầu cần giao tiếp với Firebase để có thể thu nhận những yêu cầu từ người dùng từ xa thì ta cần chọn một dòng vi điều khiển có khả năng kết nối với Wifi.Trong bối cảnh đó ESP32 và ESP8266 nổi lên như là một sự lựa chọn hoàn hảo Cả hai đều được phát triển bới công ty Espressif với mục đích phát triển các sản phẩmIoT giá rẻ Sau đây là bản so sánh hai dòng chip trên.
Bảng 4 1 So sánh ESP32 và ESP8266
Tần số đồng hồ 160 hoặc 240 Hz 80 Hz
Giao diện camera Không Không
Cảm biến nhiệt độ Có Không
Cảm biến cảm ứng 10 Không
Bảo mật Mã hóa flash khởi động bảo mật OTP 1024-bit Không
Tiêu thụ công suất thấp Cảm biến sâu 10uA 20 uA
Nhiệt độ Có Không Đồng xử lý ULP Không
Mã hóa RSA, RNG, ECC, SHA-2,
Vi điều khiển LX6 Xtensa 32-bit lõi đơn hoặc lõi kép
ESP8266 có giá thành rẻ hơn ESP32 và cũng hỗ trơ đầy đủ các giao tiếp ngoại vi như I2C, ADC, … nhưng nó lại có một nhược điểm là khi kết nối với Wifi thì rất nhiều chân không thể sử dụng hoặc bị ảnh hưởng điều này có thể gây ra lỗi không đáng có trong quá trình truyền tin đi xa Do đó em quyết định sử dụng dòng ESP32 như hình 4.7 làm vi điều khiển cho hệ thống. lxxv
Hình 4 10 Module WiFi ESP32 c) Khối xử lý trung tâm trạm đèn
Trạm đèn không cần kết nối trực tiếp đến internet nên ta có thể lựa chọn các dòng chip khác sao cho trạm có thể hoạt động ổn định và giá thành rẻ Dựa theo những tìm hiểu và phân tích từ mục 2.4 thì em thấy rằng Arduino nano đáp ứng hoàn toàn được các chức năng kết nối uart với khối truyền thông cũng như đọc cảm biến và điều khiển độ sáng của đèn Hơn nữa arduino có một cộng đồng hỗ trợ rộng lớn để em có thể dễ dàng học tập và tìm hiểu Cùng với đó giá thành của Arduino nano cũng rất rẻ Hình 4.8 là hình ảnh Arduino nano sẽ được sử dụng.
Thiết kế chuẩn kích thước, chân Arduino Nano.
IC nạp và giao tiếp UART: CH340.
Điện áp cấp: 5VDC cổng USB hoặc 7- 12VDC chân Vin.
Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDC.
Số chân Digital: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM.
Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Uno 2 chân).
Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader). lxxvii
Tích hợp Led báo nguồn, led chân D13, LED RX, TX.
Tích hợp IC chuyển điện áp 5V LM1117.
Kích thước: 18.542 x 43.18mm d) Khối thiết bị Để mô phỏng hoạt động của hệ thống chiếu sáng thông minh sử dụng năng lượng mặt trời em sử dụng bóng đèn led 5V như hình 4.9.
Điện áp hoạt động : 3.7-5VDC
Dòng tiêu thụ : 100mA~180mA
Số bóng led : 6 Màu sắc : trắng ấm (5000k-5500k)
Tuổi thọ : trung bình 25000 giờ
Số lượng đèn: 2 e) Khối cảm biến
Tương tự với khối cảm biến em cũng sẽ sử dụng các module sẵn có trên thị trường để tiện lợi trong quá trình kết nối các module.
- Cảm biến ánh sáng: chức năng là đo cường độ sáng và chuyển đổi thành tín hiệu analog để gửi về cho khối xử lý trung tâm trạm đèn.
Cảm biến ánh sáng quang trở có tích hợp sẵn opamp và biến trở so sánh mức tín hiệu giúp cho việc nhận biết tín hiệu trở nên dễ dàng, sử dụng để nhận biết hay bật tắt thiết bị theo cường độ ánh sáng môi trường Hình 4.10 là hình ảnh của cảm biến quang.
Hình 4 13 Cảm biến ánh sáng
Sử dụng quang trở CDS.
Kích thước nhỏ gọn: 36x16mm
- Cảm biến phát hiện vật cản hồng ngoại: chức năng là phát hiện có vật đi qua để tăng cường độ sáng của đèn. lxxix
Cảm biến có khả năng thích nghi với môi trường, có một cặp truyền và nhận tia hồng ngoại.
Tia hồng ngoại phát ra một tần số nhất định, khi phát hiện hướng truyền có vật cản (mặt phản xạ), phản xạ vào đèn thu hồng ngoại, sau khi so sánh, đèn màu xanh sẽ sáng lên, đồng thời đầu cho tín hiệu số đầu ra (một tín hiệu bậc thấp).
Khoảng cách làm việc hiệu quả 2 ~ 5cm, điện áp làm việc là 3.3 V đến 5V Độ nhạy sáng của cảm biến được điều chỉnh bằng chiết áp, cảm biến dễ lắp ráp, dễ sử dụng,
Bộ so sánh sử dụng LM393, làm việc ổn định
Điện áp làm việc: 3.3V - 5V DC.
Khi bật nguồn, đèn báo nguồn màu đỏ sáng.
Lỗ vít 3 mm, dễ dàng cố định, lắp đặt
Hình 4.11 là hình ảnh ngoại vi của cảm biến hồng ngoại được sử dụng trong đề tài
Hình 4 14 Cảm biến hồng ngoại f) Khối nguồn
Khối nguồn: cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống các thiết bị hoạt động. Để tiện lợi về dễ dàng sử dụng nên em sử dụng pin18650 để làm nguồn nuôi cho mạch
Các linh kiện trên mạch trạm đèn như arduino nano, cảm biến ánh sáng, cảm biến hồng ngoại hay module lora và đèn led đều sử dụng điện áp ở mức 5V mà 1 quả pin
18650 chỉ có mức điện áp khi đầy là 4,2V nên ta cẩn mắc 2 quả pin 18650 nối tiếp để đủ cung cấp đủ điện áp cho mạch hoạt động.
Khi hai quả pin 18650 như hình 4.12 mắc nối tiếp thì điện áp thu được là 7,4 – 8,4V. Khi đó ta có thể cấp nguồn vào chân Vin của arduino nano có thể chịu được điện áp từ
7 -12V rồi sau đó sử dụng chân 5V của arduino nano để cấp nguồn cho các linh kiện khác.
Số lượng pin: 4 ( 2 pin mắc nối tiếp cho mỗi trạm đèn) lxxxi
Kết luận chương
Sau khi hoàn thiện mạch và thử nghiệm trên sản phẩm thật thì em rút ra được một số nhận xét như sau:
- Hệ thống trạm đèn hoạt động với mức điện áp cung cấp từ pin.
- Tỉ lệ bản tin lỗi tương đối ít giữa các lần truyền nhận của trạm trung tâm và trạm đèn (5%).
- Trạm đèn hoạt động đúng theo yêu cầu ban đầu đặt ra:
+ Ở chế độ “auto”: ban ngày tắt đèn, buổi tối bật đèn sáng 30% Nếu có xe đi qua thì bật sáng 100%.
+ Ở chế độ “manual”: người dùng có thể điều khiển trạng thái đèn thông qua app điều khiển.
- Trạm trung tâm: hoạt động ổn định, kết nối tốt với trạm đèn và firebase.
- App đơn giản dễ sử dụng với người dùng.
- Khoảng cách truyền tải giữa trạm trung tâm và trạm đèn lên tới 100m.
- Bên cạnh đó hệ thống cũng tồn tại một số hạn chế như:
+ Hệ thống mới dùng ở mức mô phỏng ghép nối các module để tiến hành Cần thiết kế mạch phần cứng nhỏ gọn và hoạt động ổn định hơn.
+ Thiết kế app theo dõi để có thể theo dõi và vận hành một hệ thống lớn hơn.
Trong thời gian nghiên cứu và thiết kế sản phẩm với sự hỗ trợ từ GS TSKH. Thân Ngọc Hoàn Em đã hoàn thành mô hình hệ thống điều khiển đèn đường trên cơ sở IOT Mô hình hệ thống bao gồm một trạm trung tâm và hai trạm đèn Trạm trung tâm có chức năng trao đổi và giao tiếp giữa người sử dụng và các trạm đèn Thông qua trạm trung tâm người sử dụng có thể cài đặt chế độ hoạt động “auto” hay “manual” đến các trạm đèn Trạm đèn gồm: 1 đèn led sử dụng năng lượng mặt trời, cảm biến hồng ngoại, mạch giao tiếp với trạm trung tâm Cảm biến ánh sáng xác định cường độ ánh sáng Ban ngày- đèn tắt, ban đêm- đèn sáng 30% độ sáng Cảm biến hồng ngoài phát hiện vật di chuyển trên đường Nếu phát hiện vật – đèn sáng 100% độ sáng
Trong thời gian nghiên cứu đồ án, em đã có cơ hội áp dụng kiến thức mà mình đã học được trong quá khứ để giải quyết vấn đề trong thực tế cũng như mài giũa khả năng sáng tạo và kỹ năng giải quyết vấn đề Bên cạnh đó, em cũng đã có cơ hội tích luỹ thêm kiến thức về cách tìm kiếm, đọc hiểu tài liệu tiếng anh và cách sử dụng phần mềm thiết kế, lập trình.
Tuy nhiên, do kiến thức có hạn của bản thân nên trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện đồ án,em không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được những đóng góp quý báu của thầy để sản phẩm ngày càng hoàn thiện hơn.
- Phát triển thêm phần mềm quản lý tối ưu, hiệu quả, đơn giản và dễ vận hành hơn
- Thêm tính năng thống kê để theo dõi lịch sử sử dụng và hiệu suất của hệ thống chiếu sáng.
- Mở rộng qui mô của mô hình.
- Tích hợp thêm các cảm biến thời tiết để điều chỉnh cho phù hợp
- Tối ưu hóa nguồn điện và hiệu suất của hệ thống xci