Đồ án nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng điện hướng tới việc sử dụng hiệu quả, tiết kiệm tại bệnh viện đa khoa

Vấn đề năng lượng hiện nay là một trong những lĩnh vực được Đảng, Nhà nước và các công ty công nghệ đặc biệt quan tâm và t trọng. Nặng lượng cụ thể là điện năng được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau nhưng để khai thác và sử dụng hiệu quả luôn là vấn đề nóng cần được xử lý. Đặc biệt là trong ngành y tế, điện năng đóng vai trò quan trọng để vận hành các trang thiết bị phục vụ cho công tác khám chữa bệnh của công dân. Hiện nay theo thống kê mới nhất năm 2021 thì các cơ sở ý tế, bênh viện, các phòng khám đa khoa có mức tiêu thụ điện năng rất lớn. Theo Báo HÀ NỘI, thời gian cao điểm mức tiêu thụ điện tại Bệnh viện đa khoa Vinh lên đến 140.000kwhtháng, Bệnh viện đa khoa Hà Tĩnh 133.000kwhtháng, đây là một con số không hề nhỏ và chưa kể trong một tỉnh thành phố không chỉ có một mà có nhiều phòng khám như vậy. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến việc tiêu thụ điện năng luôn ở mức cao ở các cơ sở y tế đó là: Do nhu cầu khám chữa bệnh ngày càng cao, bệnh viện làm việc 2424. Do số lượng các trạng thiết bị sử dụng nhiều, liên tục và quản lý điện năng chưa tốt. Do thói quen sử dụng các thiết bị chiếu sáng, điều hoà, … không đúng mục đích. Với mức tiêu thụ điện năng cao như vậy sẽ tác động rất xấu tới chất lượng môi trường sống, kinh tế và xã hội. Khi điện năng tạo ra không đủ để duy trì hoạt động sinh hoạt, sản xuất, kinh doanh cho các doanh nghiệp, cơ sở sản xuất đồng thời gián tiếp làm ô nhiễm không khí, từ các nhà máy nhiệt điện và làm gia tăng hiệu ứng nhà kính. Vậy câu hỏi đặt ra là: “Tại sao chúng ta không tối ưu, sử dụng hiệu quả điện năng bằng cách áp dụng công nghệ để tiết kiệm điện năng?” Vì vậy trong nghiên cứu lần này tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng điện hướng tới việc sử dụng hiệu quả, tiết kiệm tại bệnh viện đa khoa.”

BỘ LAO ĐỘNG – THƯƠNG BINH & XÃ HỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HÀ NỘI

NGUYỄN VĂN HÀ

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁTTIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN HƯỚNG TỚI

VIỆC SỬ DỤNG HIỆU QUẢ, TIẾT KIỆM TẠIBỆNH VIỆN ĐA KHOA

HÀ NỘI – NĂM 2022

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

BỘ LAO ĐỘNG – THƯƠNG BINH & XÃ HỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HÀ NỘI

NGUYỄN VĂN HÀ

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁMSÁT TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN HƯỚNGTỚI VIỆC SỬ DỤNG HIỆU QUẢ, TIẾT KIỆM

TẠI BỆNH VIỆN ĐA KHOA

1.1.1 Định nghĩa và phân loại 10

1.1.2 Các khái niệm liên quan 12

1.1.3 Tiêu chuẩn chiếu sáng trong nhà 13

1.2 Thiết bị khám chữa bệnh 13

1.2.1 Máy móc và các phụ tải điện dùng trong chẩn đoán 13

1.2.2 Máy móc và phụ tải điện sử dụng lâu dài 15

1.2.3 Máy móc và các phụ tải điện dùng trong điều trị 16

1.2.4 Máy móc và các phụ tải điện sử dụng trong phòng thí nghiệm y tế 16

1.3 Nhóm thiết bị sưởi, thông gió, điều hòa 17

1.3.1 Định nghĩa 17

1.3.2 Các tác dụng của nhóm thiết bị sưởi, thông gió, điều hòa 18

1.3.3 Các tiêu chuẩn thiết kế hệ thống thông gió, điều hòa không khí trong bệnh viện 19 1.4 Kết luận chương 21

CHƯƠNG II 22

HỆ THỐNG GIÁM SÁT, QUẢN LÝ VÀ ĐIỀU HÀNH THIẾT BỊ ĐIỆN THÔNG MINH CHO MÔI TRƯỜNG BỆNH VIỆN SỬ DỤNG KẾT NỐI KNX 22

2.1 Một số giải pháp quản lý toà nhà hiện nay 22

2.1.1 Hệ thống quản lý toàn nhà BMS 22

2.1.2 Hệ thống KNX - giải pháp tối ưu, tiết kiệm cho quản lý và điều khiển toà nhà 29 2.2 Hệ thống KNX và nguyên tắc hoạt động 30

2.2.2 Đường truyền Bus KNX 31

2.2.3 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống KNX 33

2.3 Hệ sinh thái KNX và Khả năng tích hợp vào các kiểu công trình 33

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT, QUẢN LÝ VÀ TỐI ƯU HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TẠI CÁC BỆNH VIỆN, ĐA KHOA 36

3.1 Cấu trúc hệ thống 36

3.2 Chi tiết các thiết bị phần cứng 37

3.2.1 Bộ điều khiển Logic Machine 5 37

3.2.2 Nguồn 24VDC Mealwell 37

3.2.3 Nguồn Bus – Choke N120/2 Siemen 37

3.2.4 Bộ Switching Actuator Siemen 37

3.2.5 Bộ Binary Input Siemen 37

3.4.1 Mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống 44

3.4.2 Xây dựng hệ thống trên phần mềm ETS 5 46

3.4.3 Thiết kế giao diện Web Server 49

3.4.4 Thuật toán lập trình cho đối tượng trên Logic Machine 5 51

3 3.5 Chạy thực nghiệm và đánh giá kết quả 53

Hình 3.28: Giao diện điều khiển các phòng 55

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình1.1: Đèn sợi đốt 12

Hình 1.2: Đèn huỳnh quang 12

Hình 1.3: Đèn LED âm trần 13

Hình 1.4: Máy móc và các thiết bị dùng trong chẩn đoán y tế 15

Hình 1.5: Máy móc và các thiết bị có tuổi thọ sử dụng lâu dài 16

Hình 1.6: Thiết bị phẫu thuật LASIK 17

Hình 1.7: Máy phân tích huyết học 18

Hình 1.8: Hệ thống thông gió trong một phòng bệnh 19

Hình 3.1: Cấu trúc hệ thống của đề tài.[6] 38

Hình 3.2: Bộ điều khiển Logic Machine 5.[7] 39

Hình 3.3: Giao diện thiết kế Logic Machine 5[7] 40

Hình 3.4: Nguồn 24VDC Mealwell 41

Hình 3.5: Nguồn bus 41

Hình 3.6: Sơ đồ kết nối bus 42

Hình 3.7: Switching Actuator Siemen 43

Hình 3.8: Bộ Binary Input Siemen 44

Hình 3.9: Cảm biến KNX 45

Hình 3.10: Cảm biến chuyển động the ben 46

Hình 3.11: Phần mềm ETS5 47

Hình 3.12: Ngôn ngữ lập trình LUA 49

Hình 3.13: Mô hình đề tài trong thực tế 51

Hình 3.14: Điều khiển hệ thống IP 53

Hình 3.21: Thiết kế giao diện WebServer (Ảnh 1) 58

Hình 3.22: Thiết kế giao diện WebServer (Ảnh 2) 58

Hình 3.23: Thiết kế giao diện WebServer (Ảnh 3) 59

Hình 3.24: Thiết kế giao diện WebServer (Ảnh 4) 59

Hình 3.25: Thuật toán quét phím 60

Hình 3.26: Thuật toán đọc trạng thái đầu vào 61

Hình 3.27: Giao diện lựa chọn phòng điều khiển 63

Hình 3.28: Giao diện điều khiển các phòng… ……… …….59

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Các hệ thống thông minh trong BMS 26

DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

KNX : KONNEX – Một tiêu chuẩn cho tự động hóa trong tòa nhà IoT : Internet of Things – Vạn vật kết nối Internet.

BMS : Building Management System –Hệ thống quản lý tòa nhà VAV : Variable Air Volume – Hệ thống biến đổi lưu lượng gió.

PLC : Programmable Logic Controller – Bộ điều khiển logic khả trình PAC : Programmable Automation Controller – Bộ điều khiển tự động hóa DDC : Direct Digital Control – Bộ điều khiển kỹ thuật số trực tiếp.

HMI : Human Machine Interface – Giao diện người và máy.

HVAC: Heating, Venrilating and Air Conditioning – Hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí.

TP : Twisted Pair – Dây xoắn đôi.

RFID : Radio Frequency Indentification – Nhận dạng qua tần số vô tuyến NFC : Near-Field Communications – Công nghệ kết nối không dây tầm ngắn.

QR : Quick Response code – Mã vạch ma trận.

AUV : Unmanned Aerial Vehicle – Máy bay không người lái CNTT : Công nghệ thông tin.

CSDL : Cơ sở dữ liệu.

MỞ ĐẦU

 Lý do chọn đề tài

Vấn đề năng lượng hiện nay là một trong những lĩnh vực được Đảng, Nhà nước và các công ty công nghệ đặc biệt quan tâm và t trọng Nặng lượng cụ thể là điện năng được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau nhưng để khai thác và sử dụng hiệu quả luôn là vấn đề nóng cần được xử lý Đặc biệt là trong ngành y tế, điện năng đóng vai trò quan trọng để vận hành các trang thiết bị phục vụ cho công tác khám chữa bệnh của công dân

Hiện nay theo thống kê mới nhất năm 2021 thì các cơ sở ý tế, bênh viện, các phòng khám đa khoa có mức tiêu thụ điện năng rất lớn Theo Báo HÀ NỘI, thời gian cao điểm mức tiêu thụ điện tại Bệnh viện đa khoa Vinh lên đến 140.000kwh/tháng, Bệnh viện đa khoa Hà Tĩnh 133.000kwh/tháng, đây là một con số không hề nhỏ và chưa kể trong một tỉnh thành phố không chỉ có một mà có nhiều phòng khám như vậy.

Có nhiều nguyên nhân dẫn đến việc tiêu thụ điện năng luôn ở mức cao ở các cơ sở y tế đó là:

- Do nhu cầu khám chữa bệnh ngày càng cao, bệnh viện làm việc 24/24.

- Do số lượng các trạng thiết bị sử dụng nhiều, liên tục và quản lý điện năng chưa tốt.

- Do thói quen sử dụng các thiết bị chiếu sáng, điều hoà, … không đúng mục đích.

Với mức tiêu thụ điện năng cao như vậy sẽ tác động rất xấu tới chất lượng môi trường sống, kinh tế và xã hội Khi điện năng tạo ra không đủ để duy trì hoạt động sinh hoạt, sản xuất, kinh doanh cho các doanh nghiệp, cơ sở sản xuất đồng thời gián tiếp làm ô nhiễm không khí, từ các nhà máy nhiệt điện và làm gia tăng hiệu ứng nhà kính.

Vậy câu hỏi đặt ra là: “Tại sao chúng ta không tối ưu, sử dụng hiệu quả điện năng bằng cách áp dụng công nghệ để tiết kiệm điện năng?”

Vì vậy trong nghiên cứu lần này tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng

hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng điện hướng tới việc sử dụng hiệu quả, tiếtkiệm tại bệnh viện đa khoa.”

 Mục tiêu của đề tài

Tìm hiểu và nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng điện hướng tới việc sử dụng hiệu quả, tiết kiệm tại bệnh viện đa khoa, đồng thời thiết kế phần cứng và giao diện điều khiển trên nền tảng hệ thống KNX; thiết kế giao diện điều khiển cho Smartphone.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Trong đề tài này với đối tượng là: Hệ thống giám sát phụ tải tiêu thụ điện hướng tới tiết kiệm, hiệu quả;

- Phạm vi nghiên cứu là: các bệnh viện đa khoa, thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển thông minh các thiết bị điện với mục đích quản lý và tiết kiệm năng lượng.

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

Hiện nay các cơ sở y tế đặc biệt là các bệnh viện đa khoa có mức tiếu thụ điện năng rất lớn, hiểu được tầm quan trọng của năng lượng ảnh hưởng tới đời sống xã hội, môi trường tôi mong muốn xây dựng được một hệ thống để giải quyết những khó khăn trên đồng thời phát triển và áp dụng hệ thống tới nhiều công trình, giúp cải thiện chất lượng dịch vụ và nâng cao giá trị cuộc sống.

- Ý nghĩa khoa học: Xây dựng hệ thống giám sát tiêu thụ điện năng đảm bảo vận hành tiết kiệm điện năng cho các bệnh viện đa khoa

- Ý nghĩa thực tiễn: Có tính khả thi khi áp dụng vào thực tế các bệnh viện và có khả năng phát triển cho các nhà máy xí nghiệp công nghiệp khác.

 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu, khảo sát đặc điểm hệ thống thực tế để đặt các yêu cầu cho bài toán; Phân tích công nghệ và lựa chọn giải pháp cần giải quyết; thiết kế thực thi hệ thống trên nền tảng đề mô hệ thống thực để kiểm nghiệm.

 Nội dung cơ bản của đề tài

Đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng điện

hướng tới việc sử dụng hiệu quả, tiết kiệm tại bệnh viện đa khoa”, ngoài phần mở

đầu và kết luận thì luận văn được chia thành 3 chương với các nội dung như sau:  Chương 1: Tổng quan về phụ tải dùng điện trong hệ thống bệnh viện đa

 Chương 2: Hệ thống giám sát, quản lý và điều hành thiết bị điện thông minh cho môi trường bệnh viện sử dụng kết nối KNX.

 Chương 3: Thiết kế hệ thống giám sát, quản lý và tối ưu hoạt động của các thiết bị điện tại các bệnh viện, đa khoa.

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ PHỤ TẢI DÙNG ĐIỆN TRONG HỆ THỐNGBỆNH VIỆN ĐA KHOA

Cùng với sự tiến bộ vượt bậc của nền y tế hiện đại ngày nay, không khó khăn để bắt gặp các loại máy móc và thiết bị trong lĩnh vực y tế hiện đại trong bệnh viện để phục vụ công tác chữa trị và chuẩn đoán cho người bệnh Về cơ bản, có rất nhiều loại thiết bị được dùng trong bệnh viện và các phòng khám tùy theo nhu cầu và mục đích sử dụng

Phụ tải điện là bất kỳ thiết bị nào tiêu thụ năng lượng điện và biến nó thành một dạng khác Các thiết bị này sẽ tiêu thụ năng lượng điện dưới dạng dòng điện và biến đổi thành dạng khác Năng lượng điện thường được biến đổi thành các dạng như ánh sáng, chuyển động hoặc nhiệt điện.

Bệnh viện đa khoa gồm nhiều khu để thực hiện các chức năng khác nhau: - Khu hành chính

- Khu điều trị - Khu kỹ thuật - Khu điều trị nội trú - Khu điều trị ngoại trú - Khu cận lâm sàng - Khu giặt là

- Khu xử lý chất thải

Với mỗi khu vực các loại phụ tải và lượng điện năng tiêu thụ là khác nhau vì vậy cần có sự giám sát và điều khiển để sử dụng điện năng hiệu quả.

1.1.Thiết bị chiếu sáng1.1.1 Định nghĩa và phân loại

Là những thiết bị có khả năng chuyển hóa năng lượng điện tiêu thụ thành năng lượng ánh sáng Theo nguyên lí hoạt động ta có thể phân chia các đèn chiếu sáng thành ba nhóm lớn:

- Đèn nóng sáng là loại đèn được phát sáng khi đốt nóng: điện năng chuyển thành nhiệt năng rồi lại chuyển tiếp thành quang năng Trong đèn sợi đốt có hai loại là đèn sợi đốt thông thường và đèn sợi đốt có bổ sung khí halogen.

Hình1.1: Đèn sợi đốt

- Đèn phóng điện là loại đèn sử dụng phương pháp phóng điện hồ quang để chiếu sáng Các loại đèn phóng điện trong chất khí gồm các nhóm: đèn huỳnh quang, đèn cao áp thủy ngân, đèn natri và đèn halogen kim loại.

Hình 1.2: Đèn huỳnh quang

- Đèn LED ( lighting emitting diode): đi ốt phát quang khi có dòng điện 1 chiều chạy qua, chuyển từ điện năng sang quang năng.

Hình 1.3: Đèn LED âm trần

1.1.2 Các khái niệm liên quan

- Quang thông (đơn vị lumen) là giá trị đo tổng lượng ánh sáng phát ra từ một đèn.

- Độ rọi (đơn vị lux) là lượng quang thông chiếu tới một đơn vị diện tích bề mặt

- Cường độ sáng (đơn vị candela) là giá trị đo độ sáng của đèn chiếu sáng (cũng như bộ phản xạ) theo một phương nhất định (biểu thị chùm tia sáng).

- Độ chói (cd/m2) là cường độ sáng phát ra từ bề mặt nguồn sáng hoặc bề mặt phản xạ theo một hướng xác định, gây nên cảm giác sáng đối với mắt, giúp nhận biết vật

- Độ đồng đều là tỷ số giữa giá trị tối thiểu và giá trị trung bình của độ rọi Nó thể hiện tỉ lệ đồng đều của ánh sáng trên bề mặt chiếu sáng thông qua tỉ số của độ rọi.

- Chỉ số chói lóa mặt tiện nghi đặc trưng mức độ gây ra cảm giác khó chịu khi các phần của trường nhìn quá chói so với độ chói xung quanh mà mắt đẵ thích nghi.

- Nhiệt độ màu là đại lượng đặc trưng của ánh sáng, cho biết ánh sáng phát ra có màu gì và thuộc ánh sáng ấm hay lạnh Đơn vị đo nhiệt độ màu là Kevin (viết tắt là K) Kelvin dao động trong khoảng 1000K -10,000K tương ứng các gam màu từ ấm đến lạnh.

- Chỉ số hoàn màu được ký hiệu là CRI (color rendering index) phản ánh độ trung thực màu sắc của vật khi được nguồn sáng chiếu tới.

1.1.3 Tiêu chuẩn chiếu sáng trong nhà

Khu vực chiếu sáng Tiêu chuẩn độ rọi (lux)

Theo ước tính, tiêu thụ năng lượng của việc chiếu sáng chiếm khoảng 20 – 45% tổng tiêu thụ năng lượng của một toà nhà thương mại và khoảng 3 – 10% trong tổng tiêu thụ năng lượng của một nhà máy công nghiệp Trong bệnh viện gần như toàn bộ khu vực đều cần thiết bị chiếu sáng vì vậy việc quản lý để tiến hành tiết kiệm năng lượng là rất cần thiết.

1.2.Thiết bị khám chữa bệnh

1.2.1 Máy móc và các phụ tải điện dùng trong chẩn đoán

Thiết bị chẩn đoán có thể là bất kỳ thiết bị hay dụng cụ y tế nào được sử dụng trong các cơ sở y tế, phòng khám với mục đích duy nhất là chẩn đoán tình trạng của bệnh nhân Dựa trên các triệu chứng được bệnh nhân mô tả, bác sĩ sẽ thực hiện những xét nghiệm chẩn đoán bằng cách sử dụng những dụng cụ y tế thích hợp để đánh giá nội bộ bệnh nhân Các bác sĩ hay kỹ thuật viên sẽ tìm kiếm bất kỳ sự bất

thường nào trong các cơ quan hoặc bộ phận bị ảnh hưởng trong cơ thể gây ra các biểu hiện triệu chứng

Dưới đây là một số loại thiết bị và dụng cụ y tế chẩn đoán được sử dụng phổ biến nhất trong các cơ sở y tế, phòng khám, bệnh viện:

Máy đọc hình ảnh dùng trong y tế – Là một sản phẩm được ứng dụng công nghệ, được sử dụng để tạo ra hình ảnh hiển thị bên trong cơ thể con người Hình ảnh trực quan do thiết bị tạo ra được sử dụng để phân tích lâm sàng và can thiệp y tế Có rất nhiều thiết bị trong chẩn đoán hình ảnh, chẳng hạn như X-quang (máy X-quang), chụp cắt lớp vi tính (CT scan), chụp cộng hưởng từ (chụp MRI), máy siêu âm và siêu âm tim

Ngoài các loại máy dùng trong chẩn đoán hình ảnh y tế còn có các loại thiết bị khác được sử dụng để chẩn đoán tình trạng người bệnh Một trong số đó còn bao gồm cân, ống nghe, doppler và máy đo oxy xung

Hình 1.4: Máy móc và các thiết bị dùng trong chẩn đoán y tế

1.2.2 Máy móc và phụ tải điện sử dụng lâu dài

Loại thiết bị y tế này được sử dụng chủ yếu nhằm cung cấp các lợi ích trong điều trị cho một số tình trạng hoặc bệnh tật Việc sử dụng những thiết bị này phải có chỉ định của bác sĩ, được thiết kế để phục vụ cho mục đích y tế

Những thiết bị này được sử dụng trong thời gian dài và có thể tái sử dụng trong bệnh viện hoặc tại nhà để chăm sóc bệnh nhân Một số loại thiết bị có tuổi thọ sử dụng lâu bên như:

- Xe lăn tay hoặc lăn điện - Máy phun sương

- Thang máy dành cho bệnh nhân - Máy chạy thận

- Bình oxy cố định hoặc di động - Máy thở oxy

Hình 1.5: Máy móc và các thiết bị có tuổi thọ sử dụng lâu dài

Thuật ngữ “lâu bền” bắt nguồn từ việc các loại máy móc thiết bị thường xuyên được kiểm tra chất lượng hoạt động Các thiết bị này được thiết kế để cung cấp cho

người bệnh sự an toàn và thoải mái Ngoài ra, những thiết bị này còn bao gồm tính năng chống trượt và độ chịu lực bền bỉ.

1.2.3 Máy móc và các phụ tải điện dùng trong điều trị

Thiết bị điều trị dùng trong y tế là bất kỳ loại thiết bị hoặc dụng cụ y tế nào được thiết kế để điều trị một tình trạng bệnh lý cụ thể Các máy móc thiết bị này được ứng dụng công nghệ hiện đại để giải quyết bất kỳ bất thường nào nhằm phục hồi chức năng của các cơ quan hoặc mô bị ảnh hưởng trong cơ thể người bệnh Điều này được bao gồm các vật tư phẫu thuật được thiết kế để điều trị một số tình trạng cần can thiệp phẫu thuật.

- Thiết bị phẫu thuật LASIK: Việc sử dụng công nghệ LASIK chủ yếu để điều trị các bệnh về mắt Thiết bị này được thiết kế để sử dụng cho những bệnh nhân có vấn đề về mắt như cận thị, viễn thị hoặc loạn thị

Hình 1.6: Thiết bị phẫu thuật LASIK

- Thiết bị Laser y tế: Là một thiết bị mang tính cách mạng về công nghệ, sử dụng trong lĩnh vực y tế để điều trị các loại bệnh lý khác nhau Đây là loại thiết bị có thể phát ra bước sóng bức xạ điện từ cho các ứng dụng về lâm sàng Các bước sóng này sẽ thay đổi khi đạt mức năng lượng và thời lượng xung.

1.2.4 Máy móc và các phụ tải điện sử dụng trong phòng thí nghiệm y tế

Những loại thiết bị này được sử dụng nhằm phân tích nhóm máu, nước tiểu, gen và các vật liệu sinh học khác

Một số ví dụ phổ biến nhất về phụ tải phòng thí nghiệm được sử dụng trong lĩnh vực y tế:

- Máy phân tích khí máu - Máy phân tích hóa học - Máy phân tích điện giải - Bộ đếm vi sai

- Máy phân tích thử nghiệm thuốc - Máy phân tích đông máu

- Máy phân tích huyết học - Máy phân tích nước tiểu

Hình 1.7: Máy phân tích huyết học

1.3 Nhóm thiết bị sưởi, thông gió, điều hòa.1.3.1 Định nghĩa

Là các thiết bị đảm nhiệm kiểm soát về độ ẩm, nhiệt độ, chất lượng không khí trong bệnh viện Có thể kể đến một vài thiết bị ở đây như: điều hòa, quạt treo tường, hệ thống thông gió,

Hình 1.8: Hệ thống thông gió trong một phòng bệnh.

Mục tiêu của nhóm thiết bị này là phải đảm bảo cho không khí trong lành, sạch các mầm mống bệnh cũng như tạo một nhiệt độ thích hợp cho quá trình hồi phục của bệnh nhân, do đó việc điều khiển nhóm thiết bị này là vô cùng phức tạp và có nhiều tiêu chuẩn.

1.3.2 Các tác dụng của nhóm thiết bị sưởi, thông gió, điều hòa

Ngoài việc đảm chất lượng không khí, hệ thống các thiết bị trên còn có các tác dụng khác như:

không khí và nhiệt độ và độ ẩm trong tất cả các bệnh viện là giải pháp để giữ an toàn cho bệnh nhân, và trong một số trường hợp, thậm chí còn là một phần trong việc điều trị của họ Các hệ thống thông gió trong bệnh viện sẽ được thiết kế sao cho việc chăm sóc bệnh nhân được tốt nhất, kiểm soát chính xác các yêu cầu về không khí, nhiệt độ và độ ẩm tại từng khu vực khác nhau trong bệnh viện Đồng thời đóng vai tròn làm hạn chế sự di chuyển và lây lan của khí độc, vi khuẩn, các chất gây ô nhiễm khác trong không khí.

còn có tác dụng trong việc loại bỏ các chất gây ô nhiễm, thanh lọc

không khí, và hạn chế các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn như MRSA, bệnh lao mycobacterium, legionella pneumophila (bệnh legionnaire) hay nhiễm virus như cúm, sởi, nấm mốc… Đây đều là những bệnh gây nguy hiểm như nhau nếu bị nhiễm.

người khác: Đối với những bệnh nhân mắc các bệnh gây suy giảm miễn

dịch như ung thư (đặc biệt là ung thư liên quan đến tủy xương và tế bào máu), HIV và những người đang điều trị bằng thuốc hóa trị liệu cấy ghép thì cần hạn chế tối đa việc lây nhiễm bệnh từ các nguồn khác để đảm bảo sức khỏe cho bệnh nhân Vì thế, việc cung cấp không khí sạch, trong lành và không bị ô nhiễm được ưu tiên hàng đầu trong các bệnh viện và cơ sở chăm sóc bệnh nhân.

cơ sở chăm sóc sức khỏe cần có thiết kế phòng chăm sóc đặc biệt cho những người mắc bệnh truyền nhiễm, để đảm bảo vi khuẩn, vi-rút… không lây lan ra toàn bộ không gian của bệnh viện Hệ thống thông gió tốt sẽ cách ly nguồn không khí ô nhiễm thông qua việc lọc không khí, giúp bảo vệ bệnh nhân, người chăm sóc, nhân viên bệnh viện và các khách đến thăm khỏi những nguồn bệnh lây nhiễm.

1.3.3 Các tiêu chuẩn thiết kế hệ thống thông gió, điều hòa không khí trong bệnhviện.

Yêu cầu thiết kế hệ thống thông gió - điều hòa không khí của bệnh viện đa khoa được quy định tại Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 4470:2012 Bệnh viện Đa khoa -Tiêu chuẩn thiết kế:

Khi thiết kế hệ thống thông gió và điều hòa không khí cho bệnh viện cần có các giải pháp công nghệ, giải pháp kiến trúc và kết cấu một cách hợp lý đảm bảo yêu cầu vệ sinh, tuân thủ các quy định trong TCVN 5687 : 2010 và đảm bảo công trình xây dựng sử dụng năng lượng có hiệu quả.

Cần thiết kế thông gió cơ khí cho các phòng thí nghiệm có sản sinh ra hơi độc, hỗn hợp bụi khí có nguy hiểm về cháy nổ hoặc có lò đốt.

Ngoài ra cần chú ý:

Đối với các phòng thí nghiệm có thải hơi độc thì bố trí hút hơi tại chỗ bằng các tủ hút hơi Nơi thoát hơi độc phải bố trí ở chỗ thoáng không ảnh hưởng tới người làm việc hay sinh hoạt.

Số lần trao đổi không khí của phòng được tính toán theo nồng độ cho phép của hơi độc trong phòng và lượng nhiệt thừa tỏa ra.

Phải thiết kế hệ thống quạt trần, thông gió cơ khí cho các khoa, phòng trong bệnh viện.

Sảnh đợi, đón tiếp, nơi đăng ký, nơi đăng ký lấy số và nhận/trả kết quả, khu phụ trợ và hành lang nên sử dụng cả phương pháp thông gió tự nhiên và thông gió nhân tạo.

Khu vực bố trí điều hòa không khí cần phân bố theo điều kiện và có thời gian vận hành thích hợp tùy chức năng của từng phòng.

Nhiệt độ và độ ẩm trong bệnh viện được quy định trong sau.

Bảng 1.1: Quy định về nhiệt độ, độ ẩm và luân chuyển không khí trong bệnh viện.

hành lang vô khuẩn 21 – 24 60 –70 15 – 20 Tiền mê, hành lang sạch 21 – 26 70 5 – 15

Khu vực sạch 21 – 26 70 1 -2 Khoa xét nghiệm

1.4 Kết luận chương

Từ việc nêu ra các phụ tải trong bệnh viện, em thấy rằng ngoại trừ nhóm thiết bị khám chữa bệnh chúng ta không thể can thiệp được về phần cứng, các nhóm thiết bị chiếu sáng và thiết bị sưởi, thông gió, điều hòa hoàn toàn có thể được phát triển thành các hệ thống IoT giúp bệnh viện quản lý điện năng thông minh hơn cũng như

kiểm soát được hệ thống điện từ xa một cách hiệu quả Việc phát triển và xây dựng hệ thống sẽ được em trình bày cụ thể ở chương 3 thông qua hệ thống KNX mà em trình bày ở chương 2.

CHƯƠNG II

HỆ THỐNG GIÁM SÁT, QUẢN LÝ VÀ ĐIỀU HÀNH THIẾTBỊ ĐIỆN THÔNG MINH CHO MÔI TRƯỜNG BỆNH VIỆN SỬ

DỤNG KẾT NỐI KNX

2.1 Một số giải pháp quản lý toà nhà hiện nay2.1.1 Hệ thống quản lý toàn nhà BMS

BMS là một hệ thống giám sát và điều khiển toàn bộ hệ thống kỹ thuật trong tòa nhà BMS có thể kiểm soát hệ thống điện, hệ thống cung cấp nước sinh hoạt, điều hòa, an ninh, …Với mục đích đảm bảo công việc vận hành các thiết bị trong tòa nhà được chính xác, nhanh chóng.

Hình 2.9: Hệ thống BMS.

2.1.1.1 Cấu trúc của hệ thống BMS

Trong một hệ thống BMS gồm 4 cấp được sắp xếp từ trên xuống dưới như sau: cấp quản lý, cấp điều khiển hệ thống, cấp điều khiển khu vực, cấp chấp hành Trong đó:

 Cấp chấp hành: Bao gồm các thiết bị đầu vào là hệ thống cảm biến như: đầu đo áp suất, nhiệt độ, cảm biến CO, CO2; các camera, đầu thẻ… và đầu ra là các cơ cấu chấp hành như quạt, điều hòa, đèn, còi, chuông, loa, máy bơm, van, động cơ… Cấp chấp hành có chức năng chính là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu Hiện nay các thiết bị cảm biến cũng được tích hợp phần điều khiển riêng để đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi truyền thông tin lên cấp trên điều khiển khu vực.

 Cấp điều khiển khu vực: Hay còn được gọi là cấp trường, gồm các bộ điều khiển sử dụng bộ vi xử lý, cung cấp chức năng điều khiển số trực tiếp cho các thiết bị ở từng khu vực, bao gồm các hệ thống như: bơm nhiệt, các bộ VAV, các bộ điều hoà không khí cục bộ… Hệ thống phần mềm quản lý năng lượng cũng được tích hợp trong các bộ điều khiển cấp khu vực Ở cấp này, các cảm biến và cơ cấu chấp hành giao tiếp trực tiếp với các thiết bị điều khiển Các bộ điều khiển cấp khu vực sẽ được nối với nhau trên một đường bus, do vậy có thể chia sẻ thông tin cho nhau và với các bộ điều khiển cấp hệ thống.

 Cấp điều khiển hệ thống: Thường là các bộ điều khiển PLC (Program Logic Controler), PAC (Programmable Automation Controller), DDC (Direct Digital Control) … được áp dụng cho các hệ thống lớn như hệ thống điều hòa trung tâm, hệ thống chiếu sáng toà nhà, Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển hệ thống là nhận thông tin từ các bộ điều khiển cấp trường thông qua cáp bus hoặc ethernet tiêu chuẩn, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống Bên cạnh đó cấp điều khiển hệ thống được kết nối với cấp quản lý qua giao thức BACnet/IP nhằm mục đích truyền dữ liệu lên máy chủ  Cấp quản lý: Bao gồm máy chủ (Main Server) và các máy tính hoặc

HMI (giao diện người máy) được tích hợp các giao diện đồ họa giúp người vận hành có thể theo dõi và điều khiển các thiết bị của tòa nhà

ngay trực tiếp từ phòng điều khiển trung tâm Máy chủ có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các lên hệ thống iBMS và chia sẻ dữ liệu Một cấp quản lý được tích hợp các phần mềm ứng dụng như: an toàn hệ thống, truy cập hệ thống, định dạng dữ liệu, lập báo cáo, tích hợp hệ thống, quản lý bảo trì bảo dưỡng và quản lý năng lượng tài nguyên.

Hình 2.10: Cấu trúc tổng quan hệ thống BMS.

Việc phân cấp điều khiển như trên, hệ thống BMS cung cấp cho người dùng sự trực quan trên màn hình đồ hoạ, có thể lập trình linh hoạt dựa theo nhu cầu của người sử dụng, đáp ứng các nhu cầu của người cư ngụ và phản ứng với các sự cố nhanh và hiệu quả hơn, giảm lượng điện năng tiêu thụ thông qua khả năng điều khiển quản lý tập trung Có thể thấy ứng dụng hệ thống quản lý toà nhà thông minh đã thể hiện được những ưu thế vượt trội so với các phương pháp quản lý truyền thống Tuy nhiên ở Việt Nam, các toà nhà thông minh chiếm tỉ trọng khá thấp Vì vậy, việc mở rộng và phát triển hệ thống BMS sẽ là xu thế tất yếu nhất là trong bối cảnh Việt Nam đang thực hiện cuộc Cách mạng 4.0.

2.1.1.2 CÁC HỆ THỐNG THÔNG MINH TRONG BMS

Bảng 2.1: Các hệ thống thông minh trong BMS. người được ủy quyền giữ liên lạc giám sát thang máy.

Cảm biến thang máy và bộ nhận diện, dựa trên bộ điều khiển

+Điều khiển giám sát dựa trên trí tuệ nhân tạo và ổ đĩa

Bộ điều khiển chữa cháy thông minh, có

+Bộ điều khiển lối vào thông minh năng tạo ra giám sát và điều khiển xây

- Quản lý tốt hơn các thiết bị thông minh trong tòa nhà Nhờ vào hệ thống lưu trữ dữ liệu, chương trình bảo trì bảo dưỡng và hệ thống tự động báo.

- Giảm sự cố, kịp thời phản ứng với những sự cố phát sinh Đưa ra phương án khắc phục cho những yêu cầu của khách hàng.

- Quản lý tập trung, điều khiển và quản lý năng lượng để giảm chi phí - Giảm chi phí nhân công và thời gian đào tạo nhân viên BMS cài đặt nhanh chóng, sử dụng dễ dàng Mô hình quản lý thể hiện trực quan nên giảm tối đa chi phí đào tạo nhân sự

- Dễ dàng nâng cấp, vận hành, mở rộng Linh hoạt trong việc lập trình theo yêu cầu đề ra.

 Nhược điểm

- Chi phí vận hành và lắp đặt là điều đầu tiên nói đến Đôi khi tốn hàng trăm nghìn đô la để lắp đặt và duy trì hoạt động.

- Dữ liệu được cung cấp là dữ liệu báo cáo để đánh giá Nên đôi khi

không giúp tiết kiệm năng lượng tối đa và hiệu quả hoạt động.

- BMS là tập hợp các hệ thống thiết bị khác nhau Hạn chế tối đa khả

năng hoạt động cộng tác.

- BMS là một hệ thống cực kỳ phức tạp, không phải ai cũng có thể

hiểu Chính vì vậy, người điều hành phải có trình độ chuyên môn cao.

Với những ưu điểm mà hệ thống BMS đem lại chúng ta không thể phủ nhận sự hiệu quả khi sử dụng hệ thống BMS Tuy nhiên song song với những ưu điểm vẫn còn những nhược điểm mà hệ thống này đến nay vẫn khó có thể cải thiện và tối ưu hơn nữa

Hình 2.11: Một cấu trúc khác của hệ thống BMS.

2.1.2 Hệ thống KNX - giải pháp tối ưu, tiết kiệm cho quản lý và điều khiển toà nhà.

Trong thời kỳ phát triển công nghệ, kỷ nguyên 4.0 Internet of Thing ngoài những giải pháp mới thì những giải pháp công nghệ ra đời từ trước đó có tính thực tế, đem lại hiệu quả cao khi sử dụng, đã được chứng minh qua nhiều thập kỷ vẫn đang được liên tục phát triển dựa trên những nền tảng cở sở có sẵn trước đó Hệ thống KNX – Hệ thống điểu khiển và giám sát toà nhà là một trong những hệ thống vào những năm 1990 với mục đích giúp ngôi nhà trở nên thông minh và hiện đại hơn cho đến nay hệ thống KNX luôn được cập nhật tối ưu từ cả phần cứng và phần mềm.

Cho đến nay ngoài mục đích ban đầu làm cho ngôi nhà trở nên thông minh hiện đại hơn thì Hệ thống KNX mang lại được nhiều hơn thế:

Ưu điểm của kết nối KNX

- Hoạt động dựa trên nguyên tắc phi tập chung – tức là các thiết bị trong hệ thống hoạt động độc lập, nếu một thiết bị trong hệ thống bị lỗi các thiết bị khác vẫn hoạt động bình thường

- Dễ dàng kết nối, trao đổi dữ liệu với các tiêu chuẩn khác như Sóng RF, Zeebe, Modbus, TCP/IP bằng các thiết bị Gateway tích hợp trong hệ sinh thái KNX.

- Độ ổn định, tin cậy cao: Hệ sinh thái thiết bị KNX đã được hàng trăm nhà sản xuất uy tín phát triển sản phẩm như SEIMEN, schneider, jung, Zenio - Thời gian phản hồi nhanh, linh hoạt: tốc độ phản hồi của các thiết bị là

ngay lập tức, các tính năng của hệ thống có thể dễ dàng thay đổi mục đích sử dụng

- Dễ dàng tích hợp và quản lý một lượng lớn thiết bị, theo lý thuyết có thể lên tới 50000 thiết bị trong một hệ thống Đây là điểm mạnh của hệ thống KNX so với các thiết bị giao tiếp không dây.

- Là một hệ thống kết nối có dây, tuy nhiên vẫn có thể giao tiếp kết nối với các thiết bị không dây

- Hệ thống thông minh, điểu khiển đơn giản, linh hoạt và hiện đại - Kết nối đa dạng các thiết bị IOT.

- Giám sát, quản lý hiệu quả các thiết bị điện trong hệ thống - Theo dõi môi trường, nâng cao chất lượng cuộc sống - Tiết kiệm năng lượng, an toàn cho người sử dụng - Bảo vệ, an ninh toà nhà.

- Thư giãn, giải trí tích hợp đồng bộ trong hệ thống.

Hình 2.12: Hệ thống KNX.

Từ những ưu điểm mang lại của hệ thống KNX Thấy đây là 1 hệ thống tối ưu đáp ứng được yêu cầu đặt ra là xây dựng một hệ thống giám sát và điều khiển thông

minh tiết kiệm năng lượng cho các cở sở bệnh viên đa khoa Chi tiết về hệ thống sẽ được trình bày trong Chương 2.

2.2 Hệ thống KNX và nguyên tắc hoạt động.2.2.1 Giao thức KNX

KNX là tiêu chuẩn smarthome được xây dựng từ năm 1990 tại Châu Âu Khi mà người ta còn đang ngỡ ngàng với máy tính cá nhân thì ở Châu Âu đã có tiêu chuẩn về nhà và tòa nhà thông minh Tiêu chuẩn này độc lập với phần cứng và phần mềm, nghĩa là cho dù công nghệ có phát triển đến đâu thì tiêu chuẩn là không thay đổi Nó đảm bảo rằng các thiết bị KNX từ năm 1990 vẫn có thể giao tiếp và làm việc cùng với thiết bị KNX mới sản xuất ngày hôm qua và không có gì lỗi thời cả Để làm được điều đó, KNX quy định chuẩn giao tiếp giữa các thiết bị thông qua các telegram, chỉ cần tuân thủ tiêu chuẩn, các thiết bị của các hãng khác nhau có thể giao tiếp và điều khiển trên cùng một hệ thống.

Các đặc điểm của hệ thống KNX:

- KNX là một giao thức truyền thông độc lập với nhà sản xuất, được sử dụng trong tự động hóa nhà và tòa nhà

- Là một chuẩn kết nối được quốc tế công nhận là chuẩn kết nối duy nhất cho toà nhà thông minh.

- Được ISO/IEC chứng nhận công nghệ KNX đạt tiêu chuẩn quốc tế ISO/IEC 14543-3 vào năm 2006.

- Được CENELEC chứng nhận công nghệ KNX đạt tiêu chuẩn Châu Âu EN 50090 năm 2003.

- Được CEN chứng nhận công nghệ KNX đạt tiêu chuẩn EN 13321-1(EN 50090) và EN1332-2 (KNXnet/IP) vào năm 2006.

- Được SAC chứng nhận công nghệ KNX đạt tiêu chuẩn của Trung Quốc GB/T 20965 trong năm 2007.

- Được ANSI/ASHRAE chứng nhận công nghệ KNX đạt tiêu chuẩn Mỹ ANSI/ASHRAE 135 vào năm 2005.

Hình 2.13: Tổng quan về giao thức KNX.

2.2.2 Đường truyền Bus KNX

Tiêu chuẩn đường truyền KNX được thiết kế rất linh hoạt Về cơ bản bạn có thể lắp đặt các đường truyền với mọi loại công trình xây dựng và trong các điều kiện môi trường khác nhau: trong nhà, ngoài trời, ẩm, ướt

Đối với các công trình xây mới, thông thường các kỹ sư hệ thống sẽ thiết lập đường truyền bus KNX bằng cáp TP (Twisted Pair), nhưng đối với các công trình đã có sẵn, việc đi lại hệ thống dây truyền dẫn không phải lúc nào cũng khả thi

Hình 2.14: Dây kết nối trong giao thức KNX.