thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng sử dụng lora

Nội dung nghiên cứu trình bày dưới dạng đề cương nghiên cứu chi tiết Nội dung 1: Nghiên cứu về các đề tài liên quan Nội dung 2: Đánh giá thực trạng chiếu sáng tại khuôn viện đại học Th

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Đặt vấn đề

Hiện nay, bóng đèn truyền thống sẽ hoạt động không thông, minh dù có người hay không thì bóng đèn vẫn sẽ sáng một mức độ nhất định và làm tiêu tốn rất nhiều năng lượng điện khiến cho hao hụt rất nhiều chi phí và sẽ không đảm bảo về tiêu chuẩn chiếu sáng về lâu dài, mức độ thuận tiện trong quản lý cũng rất khó khăn việc giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng hiện nay thường gặp phải một số khó khăn và thách thức Tuy nhiên, Một trong những thách thức lớn nhất là việc truyền dữ liệu giữa các thiết bị chiếu sáng và trung tâm điều khiển một cách nhanh chóng, chính xác và ổn định Điều này đòi hỏi một giải pháp truyền thông hiệu quả và đáng tin cậy Vì thế để đảm bảo cái tiêu chí về chi phí năng lượng, đảm bảo tiêu chuẩn chiếu sáng, mức độ thuận tiện trong quản lý Với những lý do trên chúng tôi đề xuất đề tài “Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng sử dụng LORA” nhằm khám phá và tận dụng tiềm năng của công nghệ LoRa trong việc giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng

Chiếu sáng thông minh ngày càng được quan tâm không chỉ trong nước mà còn ở tầm quốc tế Tại đại học Thủ Dầu Một, hệ thống chiếu sáng bao gồm chiếu sáng giảng đường, các khu vực tự học, thư viện, văn phòng và chiếu sáng công viên, đang được vận hành theo phương thức truyền thống Điều này dẫn đến không hiệu quả về 03 khía cạnh:

1 Về chi phí năng lượng

2 Về đảm bào tiêu chuẩn chiếu sáng theo TCVN

3 Về mức độ thuận tiện trong quản lý

Do đó, việc nghiên cứu và triển khai chiếu sáng thông minh ở qui mô nhỏ tại trường Thủ Dầu Một, nhằm đánh giá, rút kinh nghiệm khi triển khai ở qui mô lớn là cần thiết Đây cũng chính là lý do nhóm sinh viên lựa chọn đề tài này “Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng sử dụng LORA” Ưu điểm LoRa với các kỹ thuật truyền thông khác

- Cảm biến công suất thấp và vùng phủ sóng rộng được đo bằng Km

- Hoạt động trên tần số miễn phí (không có license), không có chi phí cấp phép trả trước để sử dụng công nghệ

- Thiết bị gateway LoRa đơn được thiết kế để chăm sóc hàng ngàn thiết bị đầu cuối hoặc node

- Dễ dàng để triển khai do kiến trúc đơn giản của nó

- Nó được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng M2M / IoT

- Kích thước tải trọng tốt hơn (100 byte), so với SigFox là 12 byte

- Ứng dụng tầm xa cho phép các giải pháp như ứng dụng thành phố thông minh

- Băng thông thấp làm cho nó lý tưởng cho việc triển khai IoT thực tế với ít dữ liệu hơn và / hoặc với việc truyền dữ liệu không đổi

- Chi phí hoạt động thấp

- Không dây, dễ cài đặt và triển khai nhanh

- Giao tiếp hai chiều đầy đủ

Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế

LoRa là một công nghệ không dây được phát triển để cho phép truyền tốc độ dữ liệu thấp trên một khoảng cách lớn bởi các cảm biến và IoT cũng như các ứng dụng IoT LoRa hướng tới các kết nối ở khoảng cách lớn Nó có thể hỗ trợ liên lạc ở khoảng cách lên tới 15 – 20 km, với hàng triệu node mạng Nó có thể hoạt động trên băng tần không phải cấp phép, với tốc độ thấp từ 0,3kbps đến khoảng 30kbps

Với những ưu điểm vượt trội LoRa mang lại, trên thế giới đã ứng dụng chuẩn không dây LoRa mới này thay thế cho chuẩn không dây cũ vào rất nhiều ứng dụng outdoor hoặc indoor trước đó như Smart Campus, Smart Home và Smart Parking

Với lĩnh vực chiếu sáng thông minh và tiết kiệm năng lượng, hiện nay cũng được quan tâm và nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học [1-3] Chiếu sáng thông minh ngoài việc mang đến người sữ dụng sự tiện nghi, bảo vệ sức khỏe, còn mang đến sự tiết kiệm năng lượng Nhóm tác giả trong bài báo [1] đã xây dựng thành công hệ thống smart street lighting tại đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh Trong đề tài này, tần số sử dụng để truyền thông dùng LoRa với tần số dưới 1GHz Trong đề tài [2], hệ thống smart street lighting được phát triển ở de Mbour, Thies, Senegal Hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và được điều khiển từ xa thông qua LoRa Đề tài còn phát triển mô phỏng phân tích hiệu suất truyền thông tin giữa các nodes ứng với các số lượng gateway khác nhau Kết quả khẳng định việc thi công nhiều gateway sẽ mang lại hiệu suất truyền thông tốt hơn Đề tài [3] định hướng vào tiết kiệm năng lượng trong street

14 lighting Nhóm tác giả thực hiện đánh tổng quát các giả pháp khác nhau và đã đề xuất một mạng truyền thông để giám sát -điều khiển dựa trên LoRa

Hiện tại, tỉnh Bình Dương nói chung và đại học Thủ Dầu Một nói riêng, rất quan tâm về phát triển chiếu sáng thông minh Trên thực tế, trong khuôn viên trường hiện tại dùng nhiều loại đèn khác nhau, điều khiển bằng phương pháp truyền thống (công tắc cơ học), chưa mang lại sự tiện nghi và tiết kiệm năng lượng, do phải bật sáng cùng cường độ suốt đêm

Trong đề tài này, nhóm tác giả đề xuất ứng dụng LoRa để xây dựng một mô hình chiếu sáng thông minh trong khuôn viên đại học.

Mục tiêu và tổng quan đề tài

Triển khai hệ thống chiếu sáng thông minh với qui mô nhỏ Từ kết quả thực tiển, đề xuất giải pháp xây dựng chiếu sáng thông minh cho cấp độ toàn trường đại học Thủ Dầu Một Đây cũng là một trong các giải pháp nhằm hướng đến phát triển bền vững

Thiết kế và thi công đề tài “Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng sử dụng LORA”

+ Giải quyết được vấn đề đặc ra:

- Hệ thống giám sát chiếu sáng từ xa bằng LoRa

- Điều khiển hệ thống chiếu sáng từ xa

- Thu thập các số liệu từ môi trường thông qua các cảm biến được tích hợp trên hệ thống

Mô tả sơ bộ hệ thống:

Hệ thống được bố trí trong khuôn viên Trường đại học Thủ Dầu Một Đây là 1 chuỗi các module và 1 gateway làm trung tâm sử lý chính để qua đó dữ liệu từ người dùng và gateway sẽ được giao tiếp 2 chiều thông qua smart phone và LCD được lắp đặt ở vị trí trung tâm

• Gateway trung tâm được sử dụng vi điều khiển chính STM32 kết hợp với module Lora để nhận và gửi dữ liệu giao tiếp 2 chiều đến các module khách

• Module khách được tích hợp nhiều các cảm biến khác nhau dùng để thu thập dữ liệu cần thiết và trả về người dùng Đồng thời các module khách cũng đảm nhiệm việc xử lý ánh sáng thông qua dữ liệu nhận từ gateway của người dùng

• Các module khách sẽ được bố trí đồng thời trên các bóng đèn 220V được bố trí trong khuôn viên trường

Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu nhu cầu thực tiễn và vấn đề cần giải quyết đặt ra

- Tìm hiểu về mạng LoRa

- Tìm hiểu cách thiết kế và chế tạo ra mạch điện, khung trụ đáp ứng được các chức năng của nhu cầu cần được sử dụng

- Tìm hiểu về các phương pháp thống kê số liệu thô

- Tìm hiểu về các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của môi trường

- Tìm hiểu về các kỹ thuật lập trình vi xử lý, vi điều khiển và điều khiển từ xa

+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các lý thuyết liên quan

- Phân tích thi công hệ thống

- Chạy kiểm tra, điều chỉnh và phân tích hiệu quả

PID là sự kết hợp của 3 bộ điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân, có khả năng điều chỉnh sai số thấp nhất có thể, tăng tốc độ đáp ứng, giảm độ vọt lố, hạn chế sự dao động

Bộ điều khiển PID hay chỉ đơn giản là PID là một kỹ thuật điều khiển quá trình tham gia vào các hành động xử lý về “tỉ lệ, tích phân và vi phân“ Nghĩa là các tín hiệu sai sốxảy ra sẽ được làm giảm đến mức tối thiểu nhất bởi ảnh hưởng của tác động tỉ lệ, ảnh hưởng của tác động tích phân và được làm rõ bởi một tốc độ đạt được với tác động vi phân số liệu trước đó Điều khiển PID là một kiểu điều khiển có hồi tiếp vòng kín được sử dụng rộng rải trong hệ thống điện, tự động hóa, điện tử,…

16 Hình 1 Hình Lý giải về PID Một cách đơn giản nhất để hiểu về PID như sau:

• P: là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu

• I: là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu Điều khiển tích phân là phương pháp điều chỉnh để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch giảm về 0 Từ đó cho ta biết tổng sai số tức thời theo thời gian hay sai số tích lũy trong quá khứ Khi thời gian càng nhỏ thể hiện tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, tương ứng với độ lệch càng nhỏ

• D: là vi phân của sai lệch Điều khiển vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào Thời gian càng lớn thì phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh, tương ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vào càng nhanh

TỈ LỆ TÍCH PHÂN ĐẠO HÀM

TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Hệ thống TCVN cho chiếu sáng công viên

Hệ thống đèn chiếu sáng công viên hiện hữu tại đại học Thủ Dầu Một

Nguyên lý điều khiển và truyền thông chuẩn LoRa

Mô hình có khả năng ứng dụng dạy học cho các môn về vi điều khiển, hệ thống nhúng

Khuôn viên Trường đại học Thủ Dầu Một – Tp Thủ Dầu Một

Các quy chuẩn về chiếu sáng khuôn viên ở Việt Nam

Các thuật toán điều khiển độ sáng tối ưu nhất fuzzy logic, PID

Các nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống chiếu sáng liên quan, ưu và nhược điểm

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN

3.1 Nội dung nghiên cứu (trình bày dưới dạng đề cương nghiên cứu chi tiết)

Nội dung 1: Nghiên cứu về các đề tài liên quan

Nội dung 2: Đánh giá thực trạng chiếu sáng tại khuôn viện đại học Thủ Dầu Một

Nội dung 3: Nghiên cứu bộ TCVN về chiếu sáng công viên

Nội dung 4: Xây dựng mô hình và chạy mô phỏng

Nội dung 5: Thiết kế và thi công phần cứng cho hệ thống

- Hệ thống bao gồm 4 trụ đèn Led (4 nodes)

- Mạng các cảm biến ánh sáng, chuyển động, nhiệt độ…

- Các nodes sẽ thông tin lên trung tâm thông qua 1 gateway

- Hệ thống có chức năng tự điều chỉnh cường độ sáng phù hợp với TCVN

- Hệ thống có chức năng tiết kiệm điện theo lịch Ví dụ: sau 10h tối hoặc không có người thì đèn chỉ chiếu sáng ở mức 20%

- Hệ thống có cảm biến đo và ghi năng lượng tiêu thụ

Nội dung 6: Thiết kế và thi công phần mềm

Nội dung 7: Lắp đặt, thử nghiệm, cải tiến

-Bảng 1 1 : Tiến độ thực hiện

STT Các nội dung, công việc thực hiện

1 -Tìm hiểu những vấn đề liên quan đến đề tài

-Đưa ra hướng nghiên cứu

-Viết đề cương Đề cương nghiên cứu

-Phân tích và thiết kế

Sơ đồ nguyên lý Mạch điện của hệ thống

Thiên,Bảo,Sơn, Huy,Triết

3 -Tiến hành làm phần cứng của hệ thống

-Lắp đặt các module cho mạch

Phần cứng của hệ thống Giá đỡ

Thiên,Bảo,Sơn, Huy,Triết

4 -Lập trình hệ thống và các chức năng của hệ thống

Thiên,Bảo,Sơn, Huy,Triết

5 -Viết báo cáo Báo cáo 07/2022 –

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN SÁNG ĐÔ THỊ

PHẦN 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN SÁNG ĐÔ THỊ 1.1 Sự cần thiết của các hệ thống đèn chiếu sáng công cộng

Nếu như trước đây chiếu sáng chỉ đẩy lùi bóng tối thì giờ đây với sự phát triển vượt bậc của cách mạng khoa học kỹ thuật, đời sống vật chất của con người được cải thiện đáng kể, chức năng chiếu sáng ngoài việc đảm bảo điều kiện cho sinh hoạt con người thì còn phải nâng cao giá trị thẩm mỹ công trình

Hiện nay ở Việt Nam điện năng cho chiếu sáng khoảng 35% tổng điện năng tiêu thụ Trong đó hệ thống chiếu sáng công cộng đang là lĩnh vực cần phải tiết kiệm năng lượng do thiết kế lắp đặt thiết bị chiếu sáng chưa hiệu quả và sử dụng điện trong chiếu sáng còn lãng phí

Theo thông tin từ trung tâm tiết kiệm năng lượng TP.HCM (ECC HCMC), hiện tại các thành phố lớn của Việt Nam chủ yếu dung đèn thủy ngân cao áp cho hệ thống chiếu sáng Trong đó đơn của như Hà Nội 52%, Bắc Giang 65%, Hội An 60%,…Loại đèn này tiêu thụ nhiều điện năng, tuổi thọ trung bình chỉ đạt 6.000- 18.000 giờ Hệ thống các trạm điều khiển đèn vẫn chỉ được điều khiển bằng tủ cục bộ và hầu như điều khiển thủ

Hình 1 1Đèn cao áp tiêu tốn nhiều năng lượng

21 Hiện nay nhà nước luôn kêu gọi tiết kiệm năng lượng điện, trong khi hệ thống chiếu sáng công cộng lại vô cùng cần thiết với chức năng đảm bảo an toàn giao thông, trật tự an ninh xã hội, làm đẹp cảnh quan đô thị Khi hệ thống chiếu sáng công cộng được đầu tư xây dựng nghiêm túc chính là dấu hiệu để hình thành nên những khu dân cư tập trung và làm tiền đề cho sự phát triển của đô thị mới Thách thức cho các địa phương liên quan đến mạng lưới công cộng là phải gia tang chất lượng chiếu sáng nhưng lại giảm điện năng tiêu thụ Do đó, đây là một bài toán cần lời giải cho chính quyền các thành phố

1.2 Yêu cầu chung đối với hệ thống chiếu sáng đô thị

Yêu cầu chung đối với hệ thống chiếu sáng đô thị hiện nay:

• Đảm bảo độ chiếu sáng cho từng vị trí trên đường

• Đảm bảo an ninh cho người đi bộ, đi xe đạp, đi xe máy lưu thông trên đường

• Làm sáng rõ các biển chỉ dẫn giao thông

• Làm đẹp cảnh quan đô thị vào ban đêm

• Với sự phát triển về kỹ thuật công nghệ các hệ thống chiếu sáng còn phải đáp ứng được các mục đích tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường và có một hệ thống giám sát từ xa nhằm giúp tiết kiệm chi phí cũng như nhân công lao động cho con người

Hình 1 2Đèn chiếu sáng trong thành phố

1.3 Hệ thống chiếu sáng tại Việt Nam hiện nay

Tại Việt Nam hiện nay các hệ thống chiếu sáng hầu hết vẫn thiết kế theo mô hình điều khiển tập trung qua các tủ động lực Một hệ thống cơ bản sẽ bao gồm một trạm biến áp, hạ áp từ nguồn điện trung thế cung cấp điện cho các tủ động lực Một tủ động lực sẽ điều khiển trực tiếp toàn bộ hệ thống các cột đèn trên cả một tuyết đường

Hình 1 3 Trạm biến áp cấp cho tủ điều khiển Với những hệ thống chiếu sáng cổ điển và việc điều khiển hệ thống hoàn toàn theo phương thức thủ công sẽ khiến cho hệ thống khá cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích để xây dựng trạm biến áp và tủ điều khiển Việc giám sát và bảo dưỡng luôn được thực hiện theo chu kì với việc đi rà soát toàn bộ hệ thống để kiểm tra và khắc phục sự cố

23 Hình 1 4 Hệ thống chiếu sáng với tủ động lực điều khiển cả hệ thống

1.3.2 Những hệ thống và giải pháp chiếu sáng hiện nay

Theo [1], trong những năm qua, nhu cầu tiêu thụ năng lượng ở nước ta đang gia tăng mạnh mẽ, đáng chú ý là khu công nghệ xi măng và chiếu sáng công cộng Do đó, việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả đang là một trong những việc làm hết sức cần thiết và cấp bách trong thời điểm hiện nay Tại hội thảo tiết kiệm năng lượng gắn với kinh tế xanh trong ngành công nghiệp chiếu sáng diễn ra sáng 22/4 tại Hà Nội, các đại biểu đã tập trung thảo luận về các giải pháp tiết kiệm điện năng trong chiếu sáng

Việc thiết kế một hệ thống chiếu sáng ở Việt Nam hiện nay cũng không nằm ngoài xu hướng tiết kiệm năng lượng Sau đây là những giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các hệ thống chiều sáng và đang được vẫn tiết kiệm năng lượng cho các hệ thống chiều sáng và đang được vẫn hành thực tế hoặc thí điểm ở Việt Nam Các phương án thiết kế tiết kiệm năng lượng có thể là một hoặc kết hợp các giải pháp dưới đây:

• Giải pháp 1: Sử dụng công nghệ chiếu sáng LED thay thế cho những hệ thống chiếu sáng sử dụng bóng đèn cao áp, sợi đốt, huỳnh quang với những ưu điểm vượt trội Đèn LED có hiệu suất phát sáng cao hơn so với sợi đốt lên đến 90% Theo PGS.TS Dương Ngọc Huyền – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đèn LED và chiếu sáng rắn đang được xem là lời giải cho chiếu sáng tương lai Xét về ứng dụng, chiếu sáng LED có thể thay thế

24 tất cả các nguồn truyền thống trong vòng 10- 15 năm tới Xét về hiệu quả kinh tế, đây là thiết bị phát sáng có hiệu suất cao nhất do con người tạo ra do đó mang lại hiệu quả cao Còn xét về công nghệ, đèn LED hiệu quả hơn trong việc chuyển điện thành ánh sáng, vì vậy chúng tiết kiệm năng lượng hơn và tỏa ít nhiệt hơn Chúng cũng cho phép người sử dụng bật tắt thường xuyên hơn mà không gây ra sự suy giảm đáng kể tuổi thọ bóng đèn trong so sánh với đèn huỳnh quang Đặc biệt, một trong những lợi ích năng lượng hiệu quả chính của đèn LED là tỷ lệ chuyển hoá năng lượng thành ánh sáng cao hơn nhiều tỷ lệ chuyển hoá thành nhiệt [1] Đặc biệt đèn có tuổi thọ rất cao từ 30.000 – 50.000 giờ lớn hơn rất nhiều so với đèn huỳnh quang và sợi đốt; rất khó bị phá hủy bởi sự va đập, không hại và thân thiện với môi trường

Tuy nhiên một nhược điểm không thể tránh khỏi của các loại bóng đèn LED đó là phần lớn hiệu suất bóng đèn Led phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh của môi trường hoạt động Điều này đặc biệt quan trọng khi xem xét ô tô, ngoài trời, y tế, quân sự và các ứng dụng mà thiết bị phải hoạt động trên một phạm vi rộng lớn của nhiệt độ, và được yêu cầu phải có một tỷ lệ thất bại thấp

• Giải pháp 2: Sử dụng đèn chiếu sáng công suất: Đèn Metal Halide có ưu điểm chiếu sáng tốt hơn từ 3-5 lần so với các loại bóng đèn sợi đốt nhờ vào hỗn hợp cụ thể của Metal Halide, chúng có thể tạo ra nhiệt độ màu lên đến 5500K Ánh sáng phát ra có chất lượng cao, sáng hơn so với các loại đèn bình thường Do đó, bóng đèn này thường được sử dụng chiếu sáng ở các khu vực rộng hoặc sử dụng ở đèn chiếu các loại xe ô tô, xe máy, các khu vực nhà xưởng…

Tuy nhiên Metal Halide sử dụng công nghệ cũ cho nên không tránh khỏi những nhược điểm Bóng đèn Metal Halide khởi động lâu hơn so với các loại bóng đèn khác trên thị trường (từ 15-20 phút) Điều nay dẫn đến người dùng phải sử dụng trong thời gian dài và không thể bật tắt theo ý muốn Mặt khác, độ bền của bóng không cao, tuổi thọ của bóng chỉ từ

6000 đến 15000 giờ sử dụng Điều này dẫn đến chi phí thay mới cho người dùng cao.[2]

TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY

Mạng không dây (Wireless Lan) là mạng sử dụng công nghệ cho phép hai hay nhiều thiết bị ( Node ) kết nối với nhau bằng cách sử dụng một giao thức chuẩn mà không cần những kết nối bằng dây mạng

Hình 2 1 Mạng truyền thông không dây Những ví dụ điển hình về mạng không dây là: mạng wifi, mạng 3G, mạng điện thoại di động, mạng bluetooth, mạng nội bộ không dây (WLAN), mạng cảm biến không dây, mạng truyền thông vệ tinh và mạng sóng mặt đất

2.2 Nguyên lý hoạt động của truyền thông không dây

Hình 2 2Nguyên lý hoạt động của truyền thông không dây Mạng WLAN sử dụng sóng điện từ (vô tuyến và tia hồng ngoại) để truyền thông tin từ điểm này sang điểm khác mà không dựa vào bất kỳ kết nối vật lý nào Các sóng vô tuyến thường là các sóng mang vô tuyến bởi vì chúng thực hiện chức năng phân phát năng lượng đơn giản tới máy thu ở xa

Dữ liệu truyền được chồng lên trên sóng mang vô tuyến để nó được nhận lại đúng ở máy thu Để nhận dữ liệu, máy thu vô tuyến bắt sóng (hoặc chọn) một tần số vô tuyến xác định trong khi loại bỏ tất cả các tín hiệu vô tuyến khác trên các tần số khác

2.3 Đặc điểm của mạng truyền thông không dây

Dưới đây là một vài đặc điểm nổi bật của truyền thông không dây, qua đó ta thấy được thế mạnh của mạng và dễ dàng ứng dụng vào bất kỳ ứng dụng nào mà ta mong muốn [8]

Trong mạng truyền thông không dây, các Node không dây hoạt động một cách độc lập, trao đổi thông tin với nhau và truyền về nút Gateway bằng tín hiệu không dây Việc sử dụng công nghệ truyền tin không dây giúp tăng độ tin cậy so với phương thức truyền tin có dây ở đặc điểm:

• Dễ dàng trong việc lắp đặt

• Lắp đặt được ở những khu vực mà việc sử dụng dây khó khăn

• Giảm được rủi ro mất kết nối đường truyền do thiên tai hoặc do động vật gây ra

Các Node không dây có thể lắp đặt và phân bố một cách dày đặc trong một khu vực mà ta cần thu nhập thông tin và điều khiển Với sự phân bố nhiều thiết bị trong khoảng không gian, thông tin được truyền về nút chủ theo một được ngắn nhất qua đó giảm thời gian truyền và tăng độ chính xác cho thông tin truyền về nút chủ Việc phân bố nhiều Node không dây trong một khu vực cũng làm tăng độ chính các về thông tin giám sát khu vực theo dõi Trong trường hợp có nút nào đó gặp sự cố vì lý do nào đó, bị hư hỏng hay thông tin gửi về không chính xác thì mạng vẫn hoạt động bình thường và thông qua các thông tin của Node lân cận mà ta có thể xác định được nguyên do sự cố để thay thế, sửa chữa kịp thời

2.3.2 Phạm vi triển khai mạng truyền thông không dây rộng

Các Node thực hiện nhiệm vụ thu nhập, giám sát, điều khiển và truyền thông tin qua các Node khác Nhờ đó việc mở rộng mạng hoàn toàn thực hiện được Khi ta muốn mở rộng vùng giám sát và điều khiển thì ta chỉ cần lắp thêm thiết bị Các Node sẽ được cấu hình theo ý người dùng và dễ dàng sử dụng khi được lắp thêm thiết bị

34 Với số lượng thiết bị trong mạng lớn và khoảng cách truyền tin giữa các thiết bị trong mạng thì phạm vi triển khai của mạng có thể lên đến hàng chục, hàng trăm km

2.3.3 Vấn đề tiết kiệm năng lượng cho mạng truyền thông không dây

Các nguồn cung cấp cho các Node thường là pin, ắc quy, pin năng lượng mặt trời,…Tuy nhiên các nguồn năng lượng này tới một thời điểm sẽ cạn kiệt Do đó vấn đề tiết kiệm năng lượng là vấn đề mà tất cả các kỹ sư thiết kế cần phải quan tâm về cả phần mềm và phần cứng

2.4 Các ứng dụng của mạng truyền thông không dây

Truyền thông không dây có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, từ những ứng dụng trong quân đội đến các ứng dụng đó và quan sát môi trường, y tế, công nghiệp, nhà thông minh [9]

Các ứng dụng trong bảo vệ môi trường:

• Giám sát mực nước sông hồ, đo tốc độ gió, lượng mưa

• Phát hiện ô nhiễm không khí, khí thải độc hại

• Phát hiện động đất, hoạt động của núi lửa

• Phát hiện và giám sát cháy rừng Các ứng dụng trong y tế:

• Định vị theo dõi bệnh nhân

• Hệ thống báo động khẩn cấp

• Thiết bị hỗ trợ theo dõi bệnh gắn trên cơ thể bệnh nhân

• Đặc biệt với tình hình dịch bệnh Covid-19 hiện nay thì việc sự dụng mạng truyền thông không dây kết hợp các máy đo thân nhiệt để phát hiện những người có thân nhiệt cao sẽ là ứng dụng cấp thiết

• Các ứng dụng trong gia đình:

• Hệ thống cảnh báo an ninh

• Hệ thống điều khiển thiết bị từ xa Hệ thống giao thông thông minh:

• Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông

• Định vị các phương tiện giao thông

• Hệ thống điều khiển đèn đường thông minh

2.5 Các loại mạng truyền thông không dây thường được sử dụng hiện nay

Tùy vào ứng dụng, với mỗi bài toán khác nhau ta có thể sử dụng các công nghệ truyền thông không dây sao cho phù hợp Hiện nay có các bộ truyền dẫn không dây như: Lora, Zingbee, Bluetooth, Wifi,…

Là công nghệ truyền tin không dây bằng song vô tuyến ở khoảng cách ngắn Dải tần số hoạt động trong khoảng 2,4GHz-> 2,48GHz Trong phạm vi từ 10 – 100m, Bluetooth hỗ trợ tốc độ truyền tải dữ liệu 720 Kbps và đạt tốc độ truyền tải cao nhất lên tới 1Mbps Ngày nay, Bluetooth ngày càng được cải tiến và nâng cấp, tốc độ truyền tải cũng tăng lên đến chóng mặt đạt mức 2Mbps trong khoảng cách lên tới 240m

Có một số nhược điểm đối với Bluetooth Đầu tiên là nó có thể gây tiêu hao pin cho các thiết bị di động không dây, như điện thoại thông minh, mặc dù khi công nghệ (và công nghệ pin) đã được cải thiện, vấn đề này ít gây ảnh hưởng đáng kể hơn trước đây Tiếp đến bluetooth sử dụng tín hiệu yếu nên thường bị nhiễu và hạn chế các thiết bị có thể kết nối trong môi trường “nhiễu loạn”

XÂY DỰNG HỆ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN

Trong chương này chúng tôi sẽ xây dựng mô hình hệ thống giám sát và điều khiển đèn chiếu sáng Kiến trúc và nguyên lý hoạt động chung của hệ thống điều khiển và giám sát chiếu sáng cũng sẽ được trình bày trong chương này Chi tiết việc thiết kế các Node điều khiển gắn trên các cột đèn, Gateway, định tuyến bản tin trong mạng và phần mềm điều khiển giám sát trên máy tính cũng sẽ được mô tả cụ thể

3.1 Mô hình hệ thống chiếu sáng và điều khiển chiếu sáng đề xuất

Hình 3 1 Mô hình chiếu sáng hệ thống đề xuất Hình mô tả chi tiết hệ thống được đề xuất Hệ thống bao gồm một phần mềm quản lý trên máy tính đảm bảo tính trực quan và dễ điều khiển, một Gateway có chức năng gửi các lệnh điều khiển và phân tích dữ liệu nhận về sau đó hiển thị lên phần mềm máy tính, các Node cảm biến được gắn trên các cột đèn có chức năng nhận, phân tích, thực thi dữ liệu từ bản tin Gateway, sau đó gửi bản tin phản hồi về cho Gateway

Mỗi Node cảm biến gắn trên các cột đèn sẽ được đánh một địa chỉ được mã hóa khác nhau Bản tin Gateway gửi đi sẽ bao gồm địa chỉ đèn nhận, trạng thái đèn mong muốn (bật, tắt) Các Node sẽ so sánh địa chỉ của bản tin gửi đến và địa chỉ của mình, nếu địa chỉ khác nhau thì các Node sẽ bỏ qua và không phân tích gói dữ liệu đó Node nào có trùng địa chỉ thì vi xử lý bên trong sẽ nhận và phân tích gói dữ liệu đó, sau đó thực hiện lệnh điểu khiển Và cuối cùng Node gắn trên các cột đèn sẽ sử dụng cảm biến quang để nhận biết đèn cháy hay gặp sự cố gì không Sau đó Node sẽ gửi lại cho Gateway một bản tin bao gồm vị trí đèn

47 đường, trạng thái đèn (hoạt động, cháy) Gateway sẽ phân tích gói dữ liệu đó để biết được đèn có bị cháy hay gặp sự cố hay không và vị trí của đèn gặp sự cố Mạng cảm biến thiết kế cần được đảm bảo rằng Gateway gửi đủ các bản tin đến tất cả các địa chỉ đèn đường và nhận bản tin phản hồi đầy đủ

Các Node cảm biến gắn trên mỗi cột đèn có khả năng:

• Năng lượng tiêu thụ thấp

• Nhận biết trạng thái hoạt động của đèn thông qua cảm biến Bóng đèn có hai trạng thái: hoạt động bình thường và bị hỏng

• Điều khiển bật/tắt đèn bằng rơ-le

• Sử dụng công nghệ truyền thông không dây LoRa để truyền các bản tin giữa các Node và Gateway

Hình 3 2 Hình Hệ thống chiếu sáng có công suất lớn áp dụng cho khuôn viên ĐH Thủ

Dầu Một Hình ảnh trên cho thấy nếu muốn mô hình chiếu sáng cho hệ thống công xuất lớn thì ta sẽ thay thành bóng led có công xuất lớn và driver phù hợp để phù hợp với ứng dụng

Với một hệ thống điều khiển lớn trong một không gian rộng, để dễ dàng quan sát hoạt động của toàn bộ hệ thống người quản lý không thể lúc nào cũng có thể di chuyển đến từng phần tử để quan sát và ghi lại các thông số Việc làm việc thủ công sẽ khiến chi phí, công sức giám sát quản lý là rất lớn và mất thời gian Do đó để cải thiện và khắc phục nhược điểm này cần đề xuất phát triển một hệ thống các phần mềm điều

48 khiển, giám sát giúp cho người quản lý có thể dễ dàng điều khiển hệ thống một cách linh hoạt, giảm chi phí, nhân lức và thời gian giám sát

Bài toán đặt ra cần xây dựng một hệ thống điều khiển giám sát hệ thống chiếu sáng giải quyết những nhiệm vụ:

• Điều khiển linh hoạt bật tắt đèn

• Giám sát trực quan – hiển thị cho người điều khiển biết chích xác tình trạng hoạt động của từng cột đèn cảnh báo khi hỏng hóc của đèn

Từ những nhiệm vụ trên cần phải thiết kế các phần mềm trên Gateway:

• Phần mềm điều khiển trên từng cột – điều khiển hoạt động bật tắt của đèn, xác định trạng thái đèn, xác định sự cố và vị trí sự cố xảy ra

3.3 Kiến trúc hệ thống giám sát và chiếu sáng tự động

Hệ thống giám sát và chiếu sáng tự động bao gồm mạng lưới các cột đèn và Gateway Trong đó trên mỗi cột đèn được gắt một nút cảm biến phục vụ cho việc điều khiển và giám sát vận hành của hệ thống Các cột đèn sẽ trực tiếp liên hệ với Gateway tạo thành một mạng hình sao (hình 2 2) Cụ thể như người điều khiển gửi bản tin bật/tắt đèn trong hệ thống, bản tin sẽ được lan truyền từ Gateway tới trực tiếp cột đèn đó

Hình 3 3 Kiến trúc hình sao của hệ thống chiếu sáng sử dụng công nghệ LoRa

3.4 Thiết kế nút cảm biến gắn trên cột đèn

3.4.1 Mục tiêu thiết kế và cấu trúc phần cứng

Với những ứng dụng dành cho hệ thống chiếu sáng các cột đèn trên một tuyến đường Chúng tôi đã đặt ra một vài mục tiêu thiết kế nút cảm biến như sau: o Mạch động lực cho mô hình chiếu sáng (node) o Công suất tiêu thụ của các nút gắn trên cột đèn có công suất tiêu thụ nhỏ o Khoảng cách truyền tin lên tới 3000m o Có khả năng phát hiện đèn gặp sự cố để báo về o Kích thước nhỏ gọn o Giá thành hợp lý, cạnh tranh được các sản phẩm khác o Dễ dàng chế tạo hàng loạt

3.4.1.2 Cấu trúc một nút mạng cảm biến gắn trên đèn

Cấu trúc một nút mạng cảm biến không dây gắn trên đèn gồm 5 phần chính (hình ):

Hình 3 4 Cấu trúc một nút cảm biến gắn trên mô hình

3.4.1.3 Mạch động lực cho mô hình chiếu sáng (node)

50 Hình 3 5 Mạch động lực cho mô hình chiếu sáng Nguyên lý điều khiển cường độ ánh sáng trong bóng led là dựa vào module mosfet D4184 có công suất tối đa 40V 50A với sự cách li được tách ra, tín hiệu điều khiển và thiết bị được điều khiển bị cô lập, điều làm tăng độ nhiễu đáng kể Đầu vào tín hiệu có thể hàn, thiết bị đầu cuối hoặc chân, tương thích với bảng mạch Đầu ra có thể hàn vào thiết bị đầu cuối hoặc đường hàn trực tiếp

3.4.2 Lập trình cho nút mạng

3.4.2.1 Phân tích chức năng Để thiết kế được một hệ thống với những chuỗi các nút cảm biến hoạt động một cách ổn định thì trên mỗi nút phải có khả năng xác định các sự cố khi đèn cháy thông báo cho Gateway về sự cố xảy ra

Nhiệm vụ của ta phải làm được:

• LoRa và vi điều khiển kết nối với nhau qua chuẩn SPI

• Điều khiển Rơ-le thực hiện bật tắt đèn

• Đọc dữ liệu từ cảm biến đo sáng xác định tình trạng của đèn

3.4.2.2 Định dạng bản tin Để đáp ứng cho hệ thống hoạt động ổn định cũng như đưa ra được những cảnh báo hợp lý cho người quản lý, cần định tuyến bản tin một cách rõ ràng cho các trường hợp hoạt động Sau phi đã phân tích và định tuyến bản tin, tôi đã định nghĩa các bản tin điều khiển như sau

51 Hình 3 6 Định dạng bản tin cho Node cảm biến Với các bản tin gửi về Gateway: Địa chỉ nút ID (16 bit) Vị trí (8 bit) 6 bit không dùng Trạng thái đèn (2 bit)

Bản tin gửi về Gateway có 32 bit trong đó:

• Địa chỉ: 16 bit chứa địa chỉ của nút (từ 0000 đến FFFF), địa chỉ nút cảm biến được lập trình sẵn, mỗi nút cảm biến có một địa chỉ và địa chỉ này không giống nhau

• Vị trí: 8 bit tiếp theo là vị trí của nút, vị trí là đường, phố đặt cột đèn chứa cảm biến

• Không sử dụng: 6 bit tiếp theo không dùng

• Trạng thái đèn: 2 bit tiếp theo là bit trạng thái đèn gồm: 00 đèn đang bật,

01 đèn đang tắt, 10 đèn đang hỏng

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

4.1.1 Điều khiển từng trạm riêng biệt

Chúng tôi sẽ tiến hành điều khiển trạm 1 từ google sheet và quan sát:

Hình 4 1 Thực hành bật trạm 1

Ta có thể thấy trạm số 1 đang được bật và trên giao diện hiển thị trạng thái màu xanh , sau khi tắt sẽ chuyển sang màu xám

4.1.2 Điều khiển toàn bộ đèn

Tiến hành bật toàn bộ hệ thống

Hình 4 2 Thực nghiệm bật toàn bộ đèn

Hình 4 3 Mô hình mô phỏng Dựa trên nguyên lý hoạt động của mô hình , chúng tôi đã phát thảo mạch cơ bản thông qua phần mềm proteus và sử dụng IDE của phần mềm ARDUINO từ đó giúp cho tiến độ nghiên cứu được đẩy nhanh và dễ dàng hơn

Sau khi thiết kế thành công sản phẩm và đưa vào thực nghiệm, chúng tôi đã đạt được một số kết quả sau:

• Đưa ra ý tưởng cho hệ thống chiếu sáng giúp tối ưu năng lượng và kinh phí lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng

• Hệ thống chiếu sáng được đưa vào thực nghiệm ở mức cơ bản:

 Điều khiển bật/tắt, theo dõi trạng thái hoạt động của đèn từ xa

 Có khả năng nhận thông báo định kỳ lỗi khi gặp sự cố

 Có khả năng hoạt động lâu dài, ổn định

 Hệ thống được trang bị đèn LED giúp tiết kiệm năng lượng

4.2.1 Sản phẩm hoạt động thực tế

Hình 4 4 Hình ảnh Node cảm biến mô phỏng và thực tế

63 Hình 4 5 Node cảm biến sau khi đóng hộp

4.2.1.2 Trung tâm xử lý Gateway

Hình 4 6 Hình ảnh thực tế sản phẩm Gateway Để kiểm chứng và đánh giá chất lượng của mạng truyền dữ liệu không dây LoRaWAN, luận án đề xuất mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh bao gồm

1 bộ điều khiển tích hợp LoRa gateway và các điểm chiếu sáng với đèn LED, LED driver, bộ điều khiển thông minh và LoRa module

64 Hình 4 7 Bộ đèn LED DC50W/12VDC với thiết bị điều khiển và LoRa E32 Chất lượng truyền dữ liệu của hệ thống chiếu sáng công cộng tích hợp công nghệ truyền thông LoRa về cơ bản được đánh giá bởi hai tham số quan trọng của mạng khi nhận gói, đó là chỉ báo cường độ tín hiệu nhận RSSI- cho biết cường độ tín hiệu nhận được đo bằng dBm; được định nghĩa trong tiêu chuẩn IEEE 802.11 Giá trị RSSI càng lớn, cường độ tín hiệu càng lớn và tỷ lệ tín hiệu/nhiễu (SNR) được đo bằng dB

Bảng 1 4Giao diện điều khiển google sheet

Bảng 1 5 Quan sát dữ liệu gửi về

65 Giao diện giám sát điều khiển thể hiện ở mức đơn giản Có khả năng điều khiển bật tắt toàn bộ hệ thống hoặc bật tắt từng phần tử riêng biệt Giao diện có thể được truy cập bằng cả máy tính và điện thoại Ngoài ra, bản tin truyền từ Node cảm biến về Gateway còn được giải mã và hiển thị theo từng màu tương ứng Người sử dụng có thể căn cứ vào trạng thái của đèn để xác định được tình trạng và tiến hành khắc phục, sửa chữa ( nếu có)

4.2.1.4 Chạy thực tế và tính tiết kiệm điện năng của mô hình

Giả sử ta dùng bóng led có công suất tương đương với bóng led (50W) sử dụng trong mô hình và kết nối trực tiếp vào nguồn điện 12VDC, bằng phép tính ta có thể tìm ra được điện năng tiêu thụ cho bóng led:

+ Bóng led(50W) sử dụng liên tục trong ba giờ qua phép đổi ta được 0,15KWh

+ Adapter 12VDC cung cấp dòng ra cho bóng led khi đo được là 4,2A quy đổi ta được công suất adapter là 50,4W hoạt động cùng với bóng led trong ba giờ ta có điện năng tiêu thụ là 0,162KWh

+ Vậy khi bóng led được mắc trực tiếp với adapter và hoạt động hết công suất trong ba tiếng sẽ tiêu thụ 0,312KWh

Tiếp theo ta đo điện năng tiêu thụ cho mô hình, vì mạch điều khiển và mạch động lực đều được cấp nguồn thông qua Adapter 12VDC Cho nên, để theo dõi điện

66 năng tiêu thụ ta mắc vào đầu nguồn vào của Adapter một công tơ điện và theo dõi liên tục trong ba tiếng sẽ thu được kết quả sau :

Hình 4 8 Hình đo thực tế bằng lux kế (500 lux) so với mô hình

Bảng 1 6 Kết quả đo thực tế với cường độ ánh sáng 500 lux

Lần đo Cường độ ánh sáng cài đặt

Cường độ ánh sáng thực tế Điện năng tiêu thụ trong 1 giờ Điện năng tiêu thụ trong 2 giờ Điện năng tiêu thụ trong 3 giờ Lần 1 500 lux 487 lux 0,081KWh 0,163KWh 0,244KWh Lần 2 500 lux 495 lux 0,085KWh 0,169KWh 0,256KWh Lần 3 500 lux 498 lux 0,087KWh 0,175KWh 0,262KWh

67 Bảng 4 1 Hình đo thực tế bằng lux kế (300 lux) so với mô hình

Bảng 4 2 : Kết quả đo thực tế với cường độ ánh sáng 300 lux

Lần đo Cường độ ánh sáng cài đặt

Cường độ ánh sáng thực tế Điện năng tiêu thụ trong 1 giờ Điện năng tiêu thụ trong 2 giờ Điện năng tiêu thụ trong 3 giờ

Lần 1 300 lux 304 lux 0,075KWh 0,16KWh 0,226KWh

Lần 2 300 lux 298 lux 0,073KWh 0,147KWh 0,221KWh Lần 3 300 lux 280 lux 0,072KWh 0,145KWh 0,218KWh Kết luận : tùy vào độ sáng của bóng led được kiểm soát so với sáng hết công suất nên ta thấy năng lượng tiêu thụ được giảm đi đáng kể

4.2.2 Khoản cách truyền thực tế

Sau quá trình thiết kế thành công sản phẩm, chúng tôi đã thực hiện thực nghiệm thực tế và thu được các kết quả như sau:

68 Hình 4 9 Sơ đồ Trường Đại Học Thủ Dầu Một Để đánh giá khoảng cách truyền nhận và độ trễ từ module LoRa E32 xuống các trạm tôi tiến hành đặt Gateway và các Node theo sơ đồ hình trên

Giải thích sơ đồ: Gateway đặt ở trung tâm Trường ĐH Thủ Dầu Một (dãy E2), Node 1 đặt ở Vườn học tập cổng 5, Node 2 đặt ở dãy I4, Node 3 đặt ở cổng 4, sau đó tôi dùng phần mềm Arduino IDE để quan sát tín hiệu truyền nhận và ghi lại thông số như sau

Bảng 4 3 Kết quả đo thực tế với cường độ ánh sáng 300 lux

Trạm đo Thời gian gửi

Nhận xét: Khoảng cách giữa gateway với node càng lớn thì độ trễ truyền nhận tín hiệu càng lớn, thỉnh thoảng những node đặt ở xa như node 3 và node 1 sẽ nhận được những tín hiệu rác vì nhận được tín hiệu nhiễu từ môi trường xung quanh, khoảng cách truyền thực tế nhỏ hơn so với trên lý thuyết Nguyên nhân như Gateway chưa đặt đủ cao và có nhiều vật cản như các tòa nhà và cây lớn che chắn, hoặc bị nhiễu từ những tín hiệu khác

Trong quá trình làm đồ án nhóm chúng tôi đã cố gắng để hoàn thành một cách tốt nhất với những nhiệm vụ được giao Nhóm đã thiết kế thành công hệ thống “ Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng sử dụng Lora ” Kết quả thực nghiệm đã đạt được những thành công như tiêu chí được đề ra ban đầu

- Hệ thống sau khi hoàn thành có khả năng làm việc như sau :

- Điều khiển bật tắt linh hoạt hệ thống chiếu sáng đèn dựa vào google sheet

- Có khả năng điều khiển riêng biệt từng node

- Node con có khả năng tự điều chỉnh độ sáng để tiết kiệm năng lượng khi không có người