TÓM TẮT LUẬN ÁN: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG.

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG.NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG.NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG.NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG.NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG ANH DŨNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội – 2021 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Phan Kiên TS Nguyễn Mạnh Cường Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Vào hồi…… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Năng lượng với vấn đề biến đổi khí hậu trở thành mối quan tâm lớn toàn nhân loại Theo kinh nghiệm nước phát triển, 30% nhu cầu lượng cần phải đáp ứng biện pháp tiết kiệm Ở Việt Nam, việc tiết kiệm lượng trở thành chủ đề nóng bỏng Bên cạnh đó, theo số liệu Công Thương, gần 40% tổng sản lượng điện sản xuất dùng cho chiếu sáng Chiếu sáng chiếm tỷ lệ lớn sử dụng lượng, gia tăng áp lực lên sản xuất điện đảm bảo an ninh lượng Một giải pháp giảm thiểu áp lực này, thay nguồn sáng khơng hiệu nguồn sáng sử dụng lượng tiết kiệm hiệu Gần đây, sử dụng đèn LED với nhiều công nghệ tiên tiến dần trở thành xu hướng chiếu sáng thông minh, nhiên, giá thành cao trở ngại cá nhân, doanh nghiệp việc tiếp cận với đèn LED Một hướng tiếp cận hứa hẹn phát huy hiệu việc tiết kiệm lượng kết hợp với giải pháp tận dụng ánh sáng tự nhiên Theo nghiên cứu nhà khoa học Slovakia, việc áp dụng chế độ chuyển đổi điều khiển theo thời gian dựa lượng ánh sáng tự nhiên tiết kiệm 20-40%, với thời gian hoàn vốn 2-3 năm Tuy nhiên, Việt Nam giới, hướng kết hợp hai phương án, sử dụng đèn LED, hai tận dụng nguồn lượng ánh sáng tự nhiên, chưa có nghiên cứu cụ thể Năm nghiên cứu sinh nhóm nghiên cứu TS Nguyễn Phan Kiên cộng đầu tư nghiên cứu sản phẩm thiết bị tiết kiệm điện cho đèn huỳnh quang nhằm áp dụng Việt Nam Thiết bị hoạt động nguyên tắc tận dụng ánh sáng tự nhiên để giảm lượng chiếu sáng mà đảm bảo đủ ánh sáng chiếu không gian phịng, nhà xưởng hay nói chung khu vực nhà Tuy nhiên sản phẩm nhiều hạn chế mà cụ thể là: − Vẫn sử dụng biến áp xuyến để điều chỉnh điện áp cung cấp cho hệ thống bóng đèn huỳnh quang nên dẫn − đến việc thiết bị to cồng kềnh, đồng thời chưa điều khiển độ sáng thiết bị đèn LED, đèn LED lại xu sử dụng Với thiết bị tiết kiệm lượng cho hệ thống đèn huỳnh quang cấp sáng chế hệ thống sử dụng cảm biến đơn hướng Điều gây hạn chế bị nhiễu nguồn sáng bề mặt phản xạ dẫn đến thiết bị có khả đo sai Vì vậy, mục đích luận án tập trung vào hai vấn đề chính: − Nghiên cứu phương pháp điều khiển sáng dựa việc tận dụng ánh sáng tự nhiên dùng cho nhiều − loại bóng đèn, trọng vào đèn LED, đối tượng hướng tới sử dụng tương lai Nghiên cứu phát triển cảm biến ánh sáng với mục tiêu đạt hiệu đo lường xác so với cảm biến ánh sáng đơn sử dụng thiết bị tiết kiệm điện hệ thống chiếu sáng công bố Phương pháp nghiên cứu luận án − Nghiên cứu lý thuyết: thực mơ hình hóa đối tượng nghiên cứu thơng qua mơ hình mạch điện − tử, từ tính tốn phương pháp điều khiển phù hợp, tối ưu Nghiên cứu thực nghiệm: thực thiết kế chế tạo hệ thống dựa nghiên cứu lý thuyết để thực việc kiểm chứng thực tế Thực đo lường thực tế từ rút kết phù hợp với yêu cầu nghiên cứu giải pháp tiết kiệm lượng đề xuất Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án − Đối tượng nghiên cứu: Các đối tượng nghiên cứu loại bóng đèn dùng hệ thống chiếu sáng sử dụng thị trường, tập trung chủ yếu vào đèn chiếu sáng sử dụng cơng nghệ LED Ngồi ra, đèn phóng điện đối tượng nghiên cứu, loại đèn sử dụng số hệ thống chiếu sáng đô thị đèn cao áp,… − Phạm vi nghiên cứu: Các hệ thống chiếu sáng phòng, nhà xưởng, trường học, bệnh viện,… nơi hệ thống chiếu sáng tận dụng lượng ánh sáng tự nhiên Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học: Trên giới có nhiều nghiên cứu giải pháp tiết kiệm điện dùng hệ thống chiếu sáng, cụ thể hóa theo hai xu hướng đây: − Phát triển loại vật liệu có khả chiếu sáng đồng thời tiết kiệm lượng, ví dụ tập − trung vào phát triển loại đèn tiết kiệm lượng đèn LED đèn CFL (đèn huỳnh quang compact), chiếu sáng rắn, loại đèn LED,… Phát triển hệ thống tiết kiệm lượng dựa lượng ánh sáng tự nhiên, ví dụ hệ thống tiết kiệm ánh sáng dựa phương pháp điều chỉnh cường độ nguồn sáng (dimming); hệ thống tiết kiệm điện sử dụng cảm biến phát chuyển động, mạng cảm biến,… Trong đó, giải pháp thay loại đèn phóng điện, đèn sợi đốt,… đèn sử dụng cơng nghệ LED tiết kiệm lượng, xu nhiều nước giới, có Việt Nam Bên cạnh đó, với tiềm hệ thống tiết kiệm lượng dựa lượng ánh sáng tự nhiên, việc nghiên cứu giải pháp tận dụng lượng ánh sáng tự nhiên hệ thống chiếu sáng sử dụng đèn LED mang lại hiệu so với hệ thống sử dụng đèn LED Mặc dù vậy, giải pháp chưa nghiên cứu nhiều Do đó, với hướng nghiên cứu luận văn nghiên cứu luận văn bổ sung vào nghiên cứu giới lĩnh vực tiết kiệm lượng chiếu sáng Ý nghĩa thực tiễn: Trên giới, có số nghiên cứu hiệu tiết kiệm lượng dựa việc tận dung ánh sáng tự nhiên Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu chi phí lợi ích kinh tế môi trường việc sử dụng thiết bị tiết kiệm lượng nước phát triển Việt Nam Ở Việt Nam, giải pháp tiết kiệm lượng dựa tận dung ánh sáng tự nhiên chưa thực nghiên cứu phân tích cụ thể Trong đó, Việt Nam với yếu tố địa lý nước nhiệt đới gần xích đạo, việc tận dụng nguồn sáng tự nhiên từ mặt trời chiếu sáng lợi tiết kiệm lượng Do nghiên cứu thành cơng áp dụng vào thực tiễn tiết kiệm lượng Việt Nam Bố cục luận án Luận án bao gồm chương, chương trình bày tóm lược loại đèn chiếu sáng thông dụng nhà tổng quan giải pháp tiết kiệm lượng chiếu sáng Chương đưa nghiên cứu luận án giải pháp cải tiến điều khiển điện áp thiết bị tiết kiệm điện, tập trung vào đối tượng tải đèn LED đèn phóng điện Tiếp theo, chương nghiên cứu cảm biến quay đa hướng, khắc phục nhược điểm cảm biến tĩnh xuất vật cản, bên cạnh mô hệ điều khiển sử dụng liệu từ cảm biến quay đa hướng, thực thử nghiệm số phương pháp tiền xử lý liệu cảm biến ánh sáng quay đa hướng để đưa vào điều khiển logic mờ kết hợp PID Phần cuối kết luận kiến nghị, tóm tắt lại nghiên cứu luận án CHƯƠNG CÁC CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Trên giới, có nhiều chiến lược áp dụng cho thiết kế hệ thống chiếu sáng tòa nhà, văn phòng, công xưởng, … nhằm đạt mức tiết kiệm lượng cao Có thể kể đến vài chiến lược cụ thể như: hệ thống chiếu sáng dựa thu thập, phân tích dự đốn hành vi người ở, hệ thống chiếu sáng dựa hẹn giờ, hệ thống chiếu sáng tận dụng ánh sáng tự nhiên,… Các chiến lược thực rộng rãi hệ thống quản lý lượng để đưa phương án sử dụng lượng cách hiệu Hình 1.1: Các chiến lược tiết kiệm lượng cho chiếu sáng, theo thứ tự từ thấp đến cao độ hiệu (ở thấp nhất) 1.1 Chiến lược cải thiện yếu tố liên quan tới không gian chiếu sáng Có nhiều cách để cải thiện yếu tố không gian nhằm tăng cường hiệu chiếu sáng, bao gồm việc tăng cường độ phản xạ sáng (thay đổi màu sơn tường) tận dụng tối đa yếu tố ảnh hưởng tới chiếu sáng (chiều cao, hệ thống che nắng, ngoại cảnh) Các giải pháp đem lại mức tiết kiệm lượng từ khoảng 5% tới 20% tùy theo giải pháp Tuy nhiên, định hướng nghiên cứu này, giải thiết đưa chưa kèm giải pháp cải thiện yếu tố không gian 1.2 Chiến lược cải thiện phương án thay bóng đèn/ thiết bị chiếu sáng cũ, hiệu suất thấp Chiến lược thay bóng đèn/ thiết bị chiếu sáng cũ, hiệu suất thấp mang lại hiệu tiết kiệm điện lớn thay hệ thống đèn sợi đốt Đối với hệ thống đèn huỳnh quang, việc thay đèn huỳnh quang hiệu suất cao mang lại hiệu mức 10% - 40%, việc thay đèn huỳnh quang đèn LED, đem lại hiệu cao (khoảng 60%, tùy thuộc vào loại đèn bị thay thế), nhiên thời gian hoàn vốn dài, nhiều trường hợp chưa thực mang lại hiệu chiếu sáng so với đèn huỳnh quang 1.3 Chiến lược tận dụng ánh sáng tự nhiên để tiết kiệm lượng Trên giới, có nhiều nghiên cứu phương pháp tận dụng ánh sáng tự nhiên, kết đem lại vượt trội Năm 2011, Al-Ashwal Budaiwi nghiên cứu hiệu suất lượng tịa nhà văn phịng tích hợp ánh sáng ban ngày ánh sáng nhân tạo vùng khí hậu nóng theo thiết kế cửa sổ, bao gồm diện tích cửa sổ, chiều cao loại kính Kết cho thấy giảm tới 35% mức tiêu thụ lượng chiếu sáng cách sử dụng ánh sáng ban ngày tích hợp ánh sáng nhân tạo Năm 2014, Yoo cộng tính tốn phân bố ánh sáng ban ngày văn phòng, tỷ lệ độ sáng để điều khiển đèn LED cách sử dụng phần mềm mô ánh sáng Kết là, tiêu thụ điện đèn chiếu sáng giảm 40-70% tùy theo mùa điều kiện thời tiết Khi so sánh với phương án tiết kiệm lượng khác, hệ thống điều khiển ánh sáng kết hợp ánh sáng tự nhiên có tỷ lệ tiết kiệm điện cao Năm 2016, Gentile cộng trình bày kết nghiên cứu giám sát theo bốn hệ thống điều khiển ánh sáng khác (hệ thống sử dụng công tắc thủ công cửa, hệ thống sử dụng phát chuyển động, hệ thống tận dụng ánh sáng ban ngày cảm biến phát vắng mặt hệ thống sử dụng đèn LED) Kết quả, hệ thống điều khiển ánh sáng liên kết với ánh sáng tự nhiên đạt mức tiết kiệm cao so với hệ thống khác (79%) Các thuật toán để đánh giá, tinh chỉnh lượng đầu hệ thống tận dụng ánh sáng tự nhiên nghiên cứu Năm 2018, Kim, In-Tae & Kim, Yu-Sin & Nam, Hyeonggon Hwang, Taeyon đưa nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển độ sáng bóng đèn hệ thống phản hồi đáp ứng ánh sáng tự nhiên Kết độ xác trung bình độ rọi mục tiêu 98,9% (tỷ lệ 0,5%) mức tiết kiệm lượng chiếu sáng trung bình 77% Với tỷ lệ tiết kiệm điện vượt trội, giải pháp sử dụng hệ thống chiếu sáng tận dụng ánh sáng tự nhiên giải pháp ưu tiên quan tâm giới Tuy nhiên, Việt Nam, nghiên cứu tính khả thi, số hệ thống chiếu sáng cụ thể dựa ánh sáng tự nhiên không nhiều Một số nghiên cứu độc quyền sáng chế TS Nguyễn Phan Kiên cộng hệ thống tiết kiệm điện dùng chiếu sáng Phần phân tích thiết bị cụ thể thiết bị tiết kiệm điện dùng chiếu sáng TS Nguyễn Phan Kiên cộng nghiên cứu phát triển 1.4 Tình hình nghiên cứu tiết kiệm lượng Việt Nam Hệ thống tiết kiệm điện phát triển TS Nguyễn Phan Kiên cộng phiên hệ thống tiết kiệm điện tận dụng ánh sáng tự nhiên nghiên cứu đưa thị trường, nghiên cứu để kiểm sốt số lượng lớn bóng đèn 16, 30 50 ống để giảm chi phí cộng thêm ống Thiết bị sử dụng ánh sáng tự nhiên (từ bên ngồi chiếu vào phịng) để giảm lượng chiếu sáng nhân tạo (tạo từ đèn) để giảm lượng Sơ đồ khối hệ thống nêu hình sau: Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống tiết kiệm điện sử dụng phương pháp dimming Hình 1.2: Hình ảnh hệ thống tiết kiệm điện Trong sơ đồ hệ thống, liệu cài đặt (năng lượng chiếu sáng phòng) thêm vào thiết bị thơng qua phận bàn phím Điện áp dòng điện nguồn điện đo đơn vị đo điện áp dòng điện Tất liệu đo gửi đến vi điều khiển (MCU, ATMEGA128) để thực điều khiển Đối với hệ thống, cảm biến ánh sáng (OPT101, Texas Instrument) sử dụng để đo lượng chiếu sáng khu vực làm việc / phòng Năng lượng chiếu sáng sau chuyển đổi thành tín hiệu điện áp gửi đến vi điều khiển (MCU, ATMEGA128) Khi thiết bị khởi động, mức độ chiếu sáng thiết lập cách sử dụng bàn phím Mức lượng chiếu sáng coi lượng chiếu sáng tiêu chuẩn phòng Sau thiết lập mức độ chiếu sáng, thiết bị chuyển sang trạng thái chạy Trường hợp có ánh sáng tự nhiên chiếu vào phòng dẫn đến lượng ánh sáng phịng cao Thơng qua cảm biến chiếu sáng, MCU điều khiển biến áp tự động để giảm lượng chiếu sáng nhân tạo Việc giảm giới hạn dòng điện tối thiểu đèn (khoảng 180mA) Giới hạn cho phép tuổi thọ bóng đèn lâu Hệ thống sử dụng biến áp tự ngẫu để điều khiển điện áp bóng đèn Hình ảnh hệ thống đưa hình 1.2 sử dụng tiết kiệm điện chiếu sáng dùng cho đèn tuý p B ả n g đ a r a Bảng 1.1: Thông số điện sử dụng không sử dụng thiết bị tiết kiệm điện Điện áp ( V ) Dòng điện ( A ) Cos φ Không dùng TKD Sử dụng TKD Không dùng TKD Sử dụng TKD Không dùng TKD Sử dụng TKD Không dùng TKD Sử dụng TKD 217 217 0.4 0.2 0.71 0.91 76 75 300 217 217 0.7 0.4 0.72 0.93 150 149 300 217 217 0.6 0.74 0.98 234 234 300 217 217 1.4 0.8 0.73 0.9 293 291 300 217 217 1.7 0.9 0.73 0.92 354 301 300 217 217 2.1 1.1 0.73 0.97 411 302 300 Số lượng bóng Bóng Độ sáng (Lux) Độ sáng tiêu chuẩn (Lux) 217 217 2.5 1.2 0.73 0.84 485 301 300 c c 217 217 2.8 1.2 0.72 0.77 561 303 300 217 217 3.1 1.3 0.71 0.78 625 344 300 10 217 217 3.4 1.5 0.73 0.76 694 375 300 t h ô n g 11 217 217 3.7 1.6 0.72 0.77 771 406 300 12 217 217 4.1 1.7 0.71 0.78 869 447 300 13 217 217 4.4 1.8 0.72 0.76 950 516 300 14 217 217 4.8 0.71 0.78 1022 582 300 15 217 217 5.1 2.1 0.71 0.81 1097 634 300 16 217 217 5.4 2.2 0.7 0.8 1164 702 300 s ố k h i s d ụ n g v k h ô n g Theo số liệu bảng 1.1: thông số điện sử dụng không sử dụng thiết bị tiết kiệm điện , tỷ lệ tiết kiệm lượng từ 20% đến 35% trường hợp không đủ lượng chiếu sáng (3 ống đầu tiên, thiết lập độ sáng cao thực tế), từ 33% đến 54% (4 đến ống) mức độ thiết lập hệ thống chiếu sáng khoảng 54% trường hợp vượt lượng chiếu sáng Tỷ lệ lượng tiết kiệm khoảng 54% để trì tuổi thọ cao bóng đèn Có nghĩa dòng điện đèn từ 140mA đến 200 mA, gần với dòng điện tối ưu đèn huỳnh quang Tuy nhiên, thiết bị số mặt hạn chế: Kích thước khối lượng biến áp lớn, gây khó khăn cho việc lắp đặt, thi cơng; giá thành thiết bị cao; phương án điều chỉnh điện áp biến áp tự ngẫu sử dụng cho thiết bị đèn LED; cảm biến tĩnh đưa thơng tin khơng xác có vật cản chắn sáng, nguồn sáng không ổn định Để khắc phục nhược điểm trên, nghiên cứu đưa giải pháp sau: − Vật liệu sử dụng cho thiết bị cần cải thiện, cụ thể vật liệu bán dẫn để giảm giá thành, kích thước thiết bị Đồng thời, nghiên cứu giải pháp để thiết bị điều chỉnh điện áp nhiều loại bóng đèn, không bị giới hạn đèn tuýp Để làm điều này, nghiên cứu xây dựng phương pháp điều chỉnh điện áp dựa cắt biên sau, sử dụng IGBT mạch bán dẫn − Đưa giải pháp cảm biến quay, phát vật cản nguồn sáng không ổn định CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CẢI TIỂN KHỐI ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG 2.1 Mơ hình, đặc tính đối tượng đèn Đèn LED sử dụng công nghệ diode phát quang dùng để phát sáng, sử dụng đèn LED điện chuyển hoá thẳng thành ánh sáng Bộ điều khiển LED cung cấp dòng điện điều chỉnh điều khiển cho đèn LED để giữ độ sáng ổn định hoặc tăng/giảm độ sáng, không phụ thuộc vào thay đổi điện áp nguồn thay đổi nhiệt độ Bộ nguồn chuyển mạch (Switch mode power supply - SMPS) - điều khiển LED sử dụng xung PWM với tần số hàng trăm kHz sử dụng rộng rãi kích thước lọc nhỏ gọn đặc tính méo hài tổng (Total Harmonic Distortion - THD) thấp Mô hình thiết kế nguồn chuyển mạch SMPS đưa hình 2.1 Hình 2.1: Ví dụ mơ hình nguồn chuyển mạch cho LED Trong đó, thành phần diode chỉnh lưu cầu biến điện áp xoay chiều AC thành điện áp chiều DC sau san phẳng tụ lọc sơ cấp MOSFET làm việc chế độ đóng mở để tạo từ trường bên sơ cấp tạo điện áp cảm ứng bên thứ cấp biến áp xung Trong phần lớn ứng dụng, đèn LED tải phi tuyến, cấu trúc phức tạp điều khiển LED Đèn phóng điện làm việc theo nguyên lý phóng điện chất khí có thủy ngân nên phát tia tử ngoại, tia đập vào chất huỳnh quang bên thành ống, kích thích nguyên tử phát ánh sáng Sơ đồ đơn giản bóng đèn phóng điện với chấn lưu điện từ thể hình 2.2 Đèn phóng điện, thuộc họ đèn phóng điện, có đặc tính điện trở âm Chấn lưu điện từ mắc nối tiếp để cung cấp điện áp khởi động hoạt động thích hợp sau hạn chế dịng điện để bắt đầu trì phóng điện hồ quang hai điện cực bóng đèn Hình 2.2: Sơ đồ bóng đèn phóng điện Tổng hợp lại, với loại đèn khác có đặc tính khác Khi nghiên cứu cải tiến phương pháp điều khiển cần ý tới yếu tố này, đặc biệt với tải phi tuyến − Giảm khoảng cách cảm biến mô-đun xoay − Tối ưu hóa đường kính tổng thể hệ thống cảm biến − Thêm cảm biến tĩnh để tham chiếu Hình ảnh cảm biến trình bày hình 3.2 Hệ thống có hai mắt đo ánh sáng, mắt đo thứ gắn bệ đỡ chuyến động quay mô tơ bước, mắt đo có nhiệm vụ đo cường độ ánh sáng đa hướng Mắt đo ánh sáng thứ hai mắt đo tĩnh đo cường độ ánh sáng để tham chiếu Trong hệ thống không cần sử dụng nhiều cảm biến mạng cảm biến Bằng cách xoay cảm biến ánh sáng, cảm biến tránh cố hướng đo ánh sáng cảm biến bị vật thể che chắn Các thành phần hệ thống cảm biến ánh sáng, động bước, mạch điều khiển động mạch điều khiển Hệ thống sử dụng vi điều khiển để điều khiển Hình 3.2: Hình ảnh hệ cảm biến quay góc quay, cảm biến đo cường độ ánh sáng truyền liệu lên tảng điện toán đám mây H ệ t h ố n g m i s d ụ n g m ộ t c ả m b i ế n tĩnh để cung cấp giá trị đo tham chiếu theo yêu cầu Trong nghiên cứu này, cảm biến tĩnh xem xét cảm biến có vectơ pháp tuyến bề mặt cảm biến cố định, góc quan sát θ nguồn chiếu sáng không thay đổi (xem công thức 3.2) Cảm biến quay cảm b i ế n m g ó c q u a n s t c ủ a n ó c ó t h ể đ ợ c t h a y đ ổ i Bằng cách xoay cảm biến theo trục khác với vectơ pháp tuyến bề mặt cảm biến, thay đổi góc quan sát Mạch nguyên lý hệ thống thể hình 3.3 Các cảm biến giao tiếp với vi điều khiển giao thức I2C cảm biến tĩnh cảm biến quay đồng thời môđun đo cường đ ộ n h s n g k ỹ t h u ậ t s ố B H M ô đ u n c ả m b i ế n có chuyển đổi bên để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang giá trị kỹ thuật số Môđun chứa xử lý tiền xử lý để xử lý giá trị kỹ thuật số trả giá trị đo phạm vi từ đến 65535 Lux quay đảo ngược Hệ thống cảm biến đo ánh sáng theo hướng nhóm hướng khoảng cách Hình 3.3: Mạch nguyên lý hệ thống cảm biến Ban đầu, chương trình thiết lập hướng ban đầu cảm biến Cảm biến quay theo góc 360 độ, đặt góc làm hướng đo ban đầu Sau đó, hệ thống cảm biến bắt đầu thu thập góc chiếu sáng liệu Trong lần lặp lại vịng lặp chính,chương trình điều khiển quay cảm biến cách tăng bước động cơ, tính tốn góc phát hiện, nhận thông tin mức độ ánh sáng truyền liệu đến phần mềm giám sát Việc đếm số bước động sử dụng để tính góc dựa cơng thức (3.5) Khi động quay trọn vòng (2048 bước), việc đếm đặt lại hướng 3.7 Kết đo cảm biến Dưới kết đo cảm biến quay đo ánh sáng theo hướng với Δα =45 o Trong hình 3.4, liệu cảm biến hướng d0 đến d7 Kênh cảm biến tĩnh gắn nhãn static Hệ thống cảm biến ánh sáng đa hướng không thực đo cường độ ánh sáng mà cho phép phát phân bố không đồng ánh sáng phòng hay khu vực làm việc, số hướng đo bị chặn, cảm biến quay đo xác mức độ ánh sáng hướng khác Hình 3.4: Đồ thị cường độ ánh sáng cảm biến tĩnh cảm biến quay Dưới kết đo cảm biến đo cường độ ánh sáng theo 16 hướng Động bước quay vòng 360 độ Động điều khiển để xoay cảm biến theo 16 hướng khác (t = {0, , 15}), cách 22,5 độ Hình 3.5: Ảnh chụp nhanh theo dõi liệu cảm biến ánh sáng trang web Ubidots Trong thí nghiệm tiếp theo, cảm biến quay đặt trung tâm phịng làm việc có nhiều nguồn sáng Các nguồn sáng đặt xung quanh phịng vị trí khoảng cách khác đến cảm biến Đèn bật tắt liên tục để kiểm tra hiệu suất cảm biến Cảm biến đặt để đo theo 16 hướng (d0 đến d15, với ∆α = 22,5 độ) Hình 3.6 thể biểu đồ radar kết đo Đối với biểu đồ, giá trị liệu dạng chiều dài nan góc thể độ lớn giá trị cảm biến theo hướng tương ứng Đường kết nối giá trị liệu kìm nén vịng quay hồn tồn (360 độ) Hình 3.6:Biểu đồ radar liệu cảm biến ánh sáng hướng chiếu sáng khác Một thử nghiệm thực thấy cách cảm biến quay phát vật cản nguồn sáng theo hướng, dẫn đến thay đổi đột ngột liệu cảm biến Trong trình thử nghiệm này, cảm biến quay thiết lập để chạy trước, sau số hướng cảm biến tạm thời bị chặn Hình 3.7 cho thấy biểu đồ kết thử nghiệm Hình 3.7: Đồ thị cường độ ánh sáng vật cản đặt trước cảm biến 3.8 Đề xuất ma trận tham số ảnh hưởng Như phân tích phần cảm biến đa hướng có khả phát nguồn sáng phát vật cản, để làm rõ khả cần phải xây dựng phương thức thể liệu Sau thu thập liệu hướng tổng hợp lại dạng véc tơ, từ véc tơ ta tạo thêm mảng tham số chiều gọi ma trận tham số liên hệ hướng đo sau: � 00 �01�02�03 … … … 0(N−1) (3.6) �10�11�12�13 … … … 1(N−1) �= [�(�−1)0 … … … �(�−1) (N−1)] Với 16 hướng đo � ∈ [0,15] ; � ∈ [0,15] thì: E (3.7) Pij = E j j Sử dụng ma trận ta dùng để kiểm tra chéo giá trị đo khôi phục giá trị đo hướng khác từ hướng đo Khi có nguồn sáng bị tác động ta kiểm tra xem tác động có xác hay khơng cách sử dụng ma trận hệ số Ví dụ hình 3.6 (a), ta có hướng sáng nằm hướng d3, d3 bị thay đổi ta kiểm tra xem giá trị có xác hay khơng cách tính lại giá trị hướng lại dựa d3 so sánh xem có sai lệch với giá trị đo khơng Cơng thức tính lại giá trị hướng khác theo hướng j sau: Ei= Ej Pji Với � ∈ [0,15] Nếu độ sai lệch hướng đo cách 45 O có nghĩa thực nguồn sáng bị thay đổi ngược lại có nghĩa hướng đo bị sai cịn nguồn sáng khơng thay đổi, với trường hợp ta tự khơi phục lại liệu hướng đo d3 hay nói cách khác khả chống lỗi cảm biến quay Đầu vào: Véc tơ cường độ ánh sáng đo E={E0, E1,,…., EN} Đầu : Véc tơ cường độ ánh sáng kiểm tra sửa lỗi Bắt đầu: Tìm vị trí j có giá trị cực đại ; Vòng lặp 1: cho i = đến N để thực Tính tốn E’i = Ej * Pji ; Nếu Ei < E’i Ei =E’i; kết thúc vòng lặp Nếu Ej < Ej-2* P(j-2)j Ej = Ej* P(j-2)j; Vịng lặp 2: cho i = đến N để thực Với giá trị i cho j = đến N để thực Tính tốn lại Pij theo cơng thức 3.8 kết thúc vịng lặp Kết thúc Thuật tốn chọn lọc nguồn sáng tự sửa lỗi cho cảm biến quay sau: 3.9 Mô hệ điều khiển sử dụng liệu đo cảm biến ánh sáng quay đa hướng 3.9.1 Mơ hình hệ thống điều khiển Trong hệ thống tiết kiệm lượng chiếu sáng, thiết bị điều khiển thường sử dụng điều khiển fuzzy logic kết hợp PID, tín hiệu hồi tiếp F cường độ ánh sáng có từ thiết bị đo lường cảm biến ánh sáng tĩnh Thiết bị điều khiển so sánh giá trị tín hiệu hồi tiếp F với giá trị cần đạt R tính tốn điều khiển giá trị cơng suất cung cấp cho đối tượng điều khiển đèn chiếu sáng Nghiên cứu hướng đến việc sử dụng truyền liệu qua điện toán đám mây xây dựng hệ thống điều khiển phân tán khơng dây hình 3.8 với điều khiển Fuzzy thực phần với thơng số cụ thể Hình 3.8: Mơ hình điều khiển phân tán sử dụng cảm biến tĩnh điều khiển Fuzzy 3.9.2 Lựa chọn phương án mô Nghiên cứu lựa chọn thực lại điều khiển kết hợp fuzzy-LQR phần mềm Matlab sử dụng liệu cảm biến tĩnh để làm thiết bị đo lường Trong hình 3.9 sơ đồ khối điều khiển kết hợp fuzzy- LQR simulink sử dụng liệu đầu vào cảm biến tĩnh Hình 3.9: Sơ đồ khối điều khiển logic mờ kết hợp PID 3.9.3 Các phương án tiền xử lý Như phần trình bày, hệ thống cảm biến quay đa hướng cung cấp giá trị cảm biến ánh sáng dạng véc tơ Do đó, muốn thực điều khiển ánh sáng dùng điều khiển logic mờ kết hợp với thiết bị đo lường cảm biến ánh sáng đa hướng phải thực khâu tiền xử lý để trích chọn giá trị đưa vào điều khiển hình 3.10 Hình 3.10: Mơ hình điều khiển phân tán sử dụng cảm biến quay điều khiển Fuzzy Phương pháp lấy trung bình cộng Ta có đầu hệ thống cảm biến quay cung cấp cho giá trị đo cảm biến dạng véc tơ E Do theo phương pháp trung bình cộng ta có giá trị trích chọn từ cảm biến đưa vào điều khiển : Y(t)=(∑�= ��() )/N (3.9) Với N số hướng đo cảm biến quay Với liệu, có kết lấy trung bình cộng giá trị đo hướng so với giá trị cảm biến tĩnh hình 3.11 Hình 3.11: Kết trích chọn giá trị cảm biến theo phương pháp trung bình cộng so với cảm biến tĩnh Phương pháp lấy trung bình cộng theo ngưỡng Theo phương pháp lấy trung bình cộng có giá trị ngưỡng Y để tìm nguồn sáng Từ việc tìm nguồn sáng ảnh hưởng đến cường độ ánh sáng mơi trường nhóm nghiên cứu lại tính tốn tiếp giá trị trung bình nguồn sáng dùng làm giá trị đầu vào cho điều khiển Ta có giá trị theo công thức sau: � Yavgmax(t)=∑�= (3.10) � �() �() /∑�� �= () 1 Với ωi(t) =0 Ei (t) Ymax(t) với 1< i