Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng tự động ứng dụng trong các khu di tích lịch sử ở tỉnh Phú Thọ

Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng tự động ứng dụng trong các khu di tích lịch sử ở tỉnh Phú Thọ Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng tự động ứng dụng trong các khu di tích lịch sử ở tỉnh Phú Thọ luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng tự động ứng dụng khu cơng nghiệp di tích lịch sử Tỉnh Phú Thọ NGUYỄN HOÀNG LONG Ngành Đo lường Các hệ thống điều khiển Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Hoàng Sỹ Hồng Viện: Điện HÀ NỘI, 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng tự động ứng dụng khu công nghiệp di tích lịch sử Tỉnh Phú Thọ NGUYỄN HỒNG LONG Ngành Đo lường Các hệ thống điều khiển Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Hoàng Sỹ Hồng Chữ ký GVHD Viện: Điện HÀ NỘI, 2020 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Nguyễn Hoàng Long Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng tự động ứng dụng khu di tích lịch sử Tỉnh Phú Thọ Chuyên ngành: Đo lường Các hệ thống điều khiển Mã số SV: CB170281 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 26/6/2020 với nội dung sau: Vấn đề cần giải quyết: Áp dụng số công nghệ cao việc xây dựng hệ thống chiếu sáng đền chùa thuộc Khu di tích nhằm tạo cảnh quan văn hóa tâm linh đặc thù phù hợp với cơng trình Đền Hùng (thí điểm Đền Giếng) (mục 1.2, trang 14) Mục tiêu đề tài: Xây dựng hệ thống có tính mở để người dùng tạo thay đổi kịch cho phù hợp yêu cầu thực tế, giải pháp dự phòng đường truyền bảo mật thêm vào để đảm bảo tính ổn định hệ thống (mục 1.2, trang 15) Sơ đồ thiết kế tổng thể vai trò thành phần hệ thống: trình bày Hình 2-2 mục 3.1 Đã bổ xung sở lựa chọn phần cứng (trang 26 – 30) Chỉnh sửa sơ đồ mạch điều khiển rơ-le biến dịng (Hình 2-21,tr.34) Chỉnh sửa sơ đồ khối điều khiển PWM (Hình 2-31, trang 40) Đã chỉnh sửa lỗi tả lỗi tham chiếu hình ảnh tài liệu Ngày 13 tháng năm 2020 Giáo viên hướng dẫn PGS.TS Hoàng Sỹ Hồng Tác giả luận văn Nguyễn Hoàng Long CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CẢM ƠN Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS.Hoàng Sỹ Hồng, người thầy đáng kính ln hướng dẫn tơi tận tình suốt thời gian làm luận văn Thầy truyền đạt lại cho kiến thức, kinh nghiệm nghiên cứu giúp đỡ nhiều để hồn thành tốt luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn thầy/cô Viện Điện giúp đỡ giảng dạy suốt thời gian theo học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Đó hành trang kiến thức quý báu giúp tơi nhiều q trình học tập, nghiên cứu làm việc sau Luận văn khơng hồn thành khơng có giúp đỡ, động viên quý báu từ PGS.TS.Hoàng Sỹ Hồng, Ths.Nguyễn Văn Đưa thành viên thuộc đề tài Nghiên cứu ứng dụng công nghệ cao nhằm nâng cao hiệu quản lý phát triển bền vững khu di tích lịch sử Quốc gia đặc biệt Đền Hùng, người tạo điều kiện nghiên cứu giúp đỡ, động viên tơi q trình nghiên cứu qua Hà Nội, ngày tháng Tác giả năm 2020 Nguyễn Hoàng Long MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG 1.1 Tìm hiểu tổng quan hệ thống chiếu sáng không gian tín ngưỡng, tơn giáo 1.2 Thực trạng hệ thống chiếu sáng chung di tích Đền Hùng 1.3 Giải pháp định hướng thiết kế hệ thống CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG 13 2.1 Xây dựng mô hình hệ thống chiếu sáng 13 2.2 Thiết kế thiết bị điều khiển trung tâm 16 2.3 Thiết kế thiết bị điều khiển On/Off 26 2.4 Thiết kế thiết bị điều khiển cường độ 31 CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG TỪ XA 37 3.1 Tổng quan hệ thống quản lý chung khu di tích 37 3.2 Mơ tả q trình vận hành hệ thống 39 3.3 Lập trình phần mềm cho vi điều khiển 42 3.4 Thiết kế phần mềm điều khiển giám sát hệ thống chiếu sáng 50 CHƯƠNG KẾT QUẢ, KỊCH BẢN THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 58 4.1 Kết 58 4.2 Thử nghiệm hệ thống phịng thí nghiệm 59 4.3 Lắp đặt thử nghiệm hệ thống 65 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt LED Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Light Emitting Diode Diode phát quang IC Integrated Circuit Vi mạch tích hợp DC Direct Current Điện chiều AC Alternating Current Điện xoay chiều ANN Artificial Neural Network Mạng nơ-ron nhân tạo VAC Voltage Alternating Current Điện áp xoay chiều VDC Voltage Direct Current Điện áp chiều LoRa Long Range Radio Truyền thông không dây khoảng cách xa RISC Reduced Instruction Set Cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa Computer TCP/IP IEEE 802.3 Transmission Control Protocol/ Giao thức điều khiển truyền Internet Protocol nhận/ Giao thức liên mạng Institute of Electrical and Electronics Engineers Tiêu chuẩn liên quan đến Ethernet ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Hệ thống chiếu sáng tự động nhà thờ Temple de Lutry [1] Hình 1-2: Khung cảnh bên nhà nguyện Sixtine [2] Hình 1-3: Vẻ đẹp chùa lớn Swedagon Myanmar [3] Hình 1-4: Cửa Ngọ Mơn Cung thành Huế [4] Hình 1-5: Bản đồ đền chùa thuộc khu di tích Đền Hùng Hình 1-6: Sử dụng bóng sợi đốt chiếu sáng khơng gian bên Hình 1-7: Sử dụng bóng đèn cho chiếu sáng cửa vào Hình 1-8: Mơ hình đèn đài sen Hình 1-9: Mơ hình Đèn Mặt Đất (bánh chưng) Đèn Bầu Trời (bánh dày) cho chiếu sáng nội thất Đền Giếng Hình 1-10: Mơ hình đấu nối đèn LED bên đền Giếng Hình 1-11: Mơ hình giao tiếp truyền nhận thiết bị hệ thống Hình 1-12: Điều khiển thay đổi cường độ cường độ gian giảm dần theo hướng từ vào 10 Hình 1-13: Mơ hình hệ thống điều khiển chiếu sáng 11 Hình 2-1: Sơ đồ phân bố chiếu sáng bên Đền Giếng 13 Hình 2-2: Sơ đồ phân bố thiết bị theo khu vực 16 Hình 2-3: Sơ đồ cấu trúc chức thiết bị điều khiển trung tâm 17 Hình 2-4: Hình ảnh thực tế sơ đồ chân chip W5100 [6] 18 Hình 2-5: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp Ethernet 18 Hình 2-6: Sơ đồ kết nối đường truyền RS-485 [7] 19 Hình 2-7: Sơ đồ chân chip SN65HVD82 [8] 19 Hình 2-8: Sơ đồ mạch nguyên lý khối chức RS-485 20 Hình 2-9: Sơ đồ chân mạch Lora Ra-2 [10] 21 Hình 2-10: Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông Lora 22 Hình 2-11: Hình ảnh thực tế chip Atmega 2560 [11] 22 Hình 2-12: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm 23 Hình 2-13: Sơ đồ chân DS1307 loại 8-pin 24 Hình 2-14: Sơ đồ khối DS 1307 [12] 24 Hình 2-15: Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực 25 iii Hình 2-16: Bản vẽ 3D mạch in thiết bị điều khiển trung tâm 26 Hình 2-17: Sơ đồ khối chức thiết bị điều khiển On/Off 26 Hình 2-18: Module PZEM004T đo điện áp, dịng điện cơng suất 27 Hình 2-19: Sơ đồ đo thiết bị 28 Hình 2-20: Hình ảnh Relay JQC-3FF-12VDC-1ZS 28 Hình 2-21: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển Relay 29 Hình 2-22: sơ đồ chân linh kiện UNL 2803 29 Hình 2-23: biến dòng ZMCT103 30 Hình 2-24: Sơ đồ khối ZMCT103 30 Hình 2-25: Khối phát dịng điện 30 Hình 2-26: Bản vẽ 3D mạch in thiết bị điều khiển On/Off 31 Hình 2-27: Sơ đồ chức thiết bị điều khiển cường độ 32 Hình 2-28: Hình ảnh thực tế điều khiển LED EUG-150S210DV [13] 32 Hình 2-29: Điều khiển Driver Led EUG-150S210DV xung PWM [13] 33 Hình 2-30: Sơ đồ chân LM358 34 Hình 2-31: Sơ đồ nguyên lý khuếch đại tín hiệu PWM 35 Hình 2-32: Đo tín hiệu điều khiển PWM 36 Hình 2-33: Bản vẽ 3D thiết kế mạch in thiết bị điều khiển cường độ 36 Hình 3-1: Mơ hình hệ thống quản lý giám sát chung cho di tích Đền Hùng 37 Hình 3-2: Các thành phần hệ thống trung tâm quản lý giám sát điều hành 38 Hình 3-3: Cấu trúc tin truyền nhận TCP/IP 40 Hình 3-4: Cấu trúc tin đường truyền RS-485 40 Hình 3-5: Quá trình theo dõi giám sát thông số hệ thống 41 Hình 3-6: Quá trình cập nhật trạng thái đèn bị thay đổi người dùng 41 Hình 3-7: Lưu đồ thuật tốn điều khiển thiết bị trung tâm 43 Hình 3-8: Lưu đồ xử lý yều cầu từ phần mềm thiết bị trung tâm 44 Hình 3-9: Cấu trúc truyền nhận tin RS-485 45 Hình 3-10: Lưu đồ điều khiển theo kịch 46 Hình 3-11: Lưu đồ nhận tin điều khiển 47 Hình 3-12: Lưu đồ thuật tốn điều khiển thiết bị ON/OFF 48 Hình 3-13: Lưu đồ thuật toán điều khiển thiết bị cường độ 50 Hình 3-14: Gói phần mềm visual studio 2019 51 iv Hình 3-15: Sơ đồ hình chức phần mềm chiếu sáng 52 Hình 3-16: Giao diện hình giám sát 53 Hình 3-17: Các tính giao diện hình giám sát 53 Hình 3-18: Giao diện hình điều khiển 54 Hình 3-19: Giao diện hình điều khiển gian 55 Hình 3-20: Màn hình điều khiển Gian 56 Hình 3-21: Màn hình điều khiển Gian 56 Hình 3-22: Màn hình giao diện chức cài đặt kịch 57 Hình 4-1: Thiết bị điều khiển trung tâm 58 Hình 4-2: Thiết bị điều khiển cường độ sáng 58 Hình 4-3: Thiết bị điều khiển đóng cắt hai trạng thái 59 Hình 4-4: Đóng hộp thiết bị 59 Hình 4-5: Mơ hình hệ đo cơng suất 62 Hình 4-6: Mơ hình thử nghiểm chức phát cháy bóng 63 Hình 4-7: Biểu diễn kết dạng biểu đồ 64 Hình 4-8: Hình ảnh đèn bánh chưng, bánh dày đài sen 65 Hình 4-9: Hình ảnh chiếu sáng bên ngoài, 65 Hình 4-10: Hình ảnh isual Basic.NET), C# (thơng qua Visual C#) F# (như Visual Studio 2010) Hỗ trợ cho ngôn ngữ khác J++/J#, Python Ruby thơng qua dịch vụ cài đặt riêng rẽ Nó hỗ trợ XML/XSLT, HTML/XHTML, JavaScript CSS Trong phần mềm Visual Studio, công cụ sử dụng để tạo ứng dụng Windows Windows Forms Nó kế thừa ưu điểm mạnh ngôn ngữ Visual Basic như: dễ sử dụng, hỗ trợ mơ hình RAD đồng thời kết hợp với tính linh động, 51 hướng đối tượng ngôn ngữ C# Việc tạo ứng dụng Windows trở lên hấp dẫn quen thuộc với lập trình viên Trong luận văn này, tác giả sử dụng Vidual Studio để thiết kế phần mềm chạy hệ điều hành Windown để điều khiển giám sát hệ thống chiếu sáng khu vực Đền Giếng Như trình bày phần trước, phần mềm thiết kế nhằm nâng cao hiệu chiếu sáng thuận tiện cho việc quản lý Phần mềm thiết kế phần hệ thống giám sát tổng thể di tích Đền Hùng Giao diện điều khiển phần mềm bao gồm hai Hình 3-15: - Màn hình điều khiển: cho phép người dùng thực điều khiển bật tắt đèn, cài đặt kịch - Màn hình giám sát: cập nhật trạng thái đèn có thay đổi từ người dùng đền Hình 3-15: Sơ đồ hình chức phần mềm chiếu sáng 52 ... HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng tự động ứng dụng khu cơng nghiệp di tích lịch sử Tỉnh Phú Thọ NGUYỄN HOÀNG LONG Ngành Đo lường Các hệ thống điều khiển Giảng viên... Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Nguyễn Hoàng Long Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng tự động ứng dụng khu di tích lịch sử. .. chung di tích Đền Hùng 1.3 Giải pháp định hướng thiết kế hệ thống CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG 13 2.1 Xây dựng mơ hình hệ thống chiếu sáng 13 2.2 Thiết kế thiết