6. Bố cục của luận án
3.5.2 Kết quả kiểm thử đo cường độ ánh sáng đa hướng
Hình 3.9 trình bày một phần dữ liệu cảm biến được thu thập trong quá trình thử nghiệm này. Trong luận án, luận án sử dụng công cụ IoT, Ubidots [68] để theo dõi dữ liệu. Qua dữ liệu thể hiện ở hình 3.9, hệ thống có thể ghi lại cường độ ánh sáng ở tất cả 16 hướng. Dữ liệu cảm biến của mỗi hướng được gắn nhãn là một kênh topic (chủ đề), từ topic0 đến topic15. Trục tung của biểu đồ là giá trị cường độ sáng tính bằng Lux và trục hoành là thời gian. Bằng cách chọn một điểm nhất định trên biểu đồ, công cụ giám sát sẽ hiển thị giá trị của cường độ ánh sáng, hướng (theo topic) và thời gian thu thập dữ liệu
Hình 3.7: Phòng thực nghiệm nhìn theo hướng từ trên xuống
Hình 3.8: Cám biến xoay bị vật cản chặn tạm thời hướng sáng
55
Hình 3.9: Kết quả giám sát dữ liệu cảm biến ánh sáng
Nhìn vào các giá trị dữ liệu, cường độ ánh sáng là khác nhau giữa các hướng cảm biến. Tại thời điểm được chọn, topic3 có cường độ thấp nhất là 19 Lux trong khi topic14
có cường độ cao nhất là 92 Lux, các hướng (2,3,4,5,6,7 và 8) xa nguồn sáng có cường độ sáng thấp hơn các hướng gần hơn. Tuy nhiên, ở mỗi hướng, dữ liệu đo được ổn định trừ khi thay đổi đèn. Sự khác biệt của cường độ đo giữa các hướng phụ thuộc vào ánh sáng xung quanh không đồng đều trong phòng làm việc. Cường độ ánh sáng xung quanh không bằng nhau ở tất cả các hướng. Kết quả cho thấy, hệ thống được đề xuất có thể phát hiện ra sự khác biệt đó.
Như trong hình 3.9, sự thay đổi mức độ chiếu sáng khi bật nhiều đèn khác nhau cũng được ghi lại. Ví dụ: trước 15:01 chiều, đèn 1 và 2 được bật; sau đó, từ 15:01 chiều đến 15:07 chiều, cả ba đèn được bật và cường độ ánh sáng ghi lại ở tất cả các hướng trong thời gian đó cao hơn thời gian trước đó. Chẳng hạn như ở hướng 12, 13 và 14, cường độ ánh sáng đã tăng từ dưới 80 Lux (đối với trường hợp có hai đèn chiếu sáng) lên trên 100 Lux (đối với trường hợp có ba đèn chiếu sáng).
3.5.3Kết quả kiểm thử phát hiện hướng sáng bị chặn và nguồn sáng thay đổi đột
ngột
Trong thử nghiệm này, nghiên cứu chỉ ra cách cảm biến có thể được sử dụng để phát hiện sự thay đổi đột ngột về mức độ ánh sáng do ánh sáng ban ngày gây ra, đồng thời chứng minh cảm biến hoạt động như thế nào khi bị chặn tạm thời ở một số hướng. Giống như thí nghiệm trước, cảm biến được điều khiển để đo cường độ ánh sáng theo 16 hướng. Trong thời gian thí nghiệm, cả ba đèn đều được bật. Sau khi bắt đầu thử nghiệm, cửa được mở, và vật cản xuất hiện chặn các hướng cảm biến đối diện với cửa (xem hình 3.8) tạm thời trong một thời gian ngắn.Tất cả đèn và cửa đều không thay đổi (cách biệt với chuyển động của vật cản). Dữ liệu cảm biến được thu thập trong quá trình thử nghiệm.
56 Cường độ ánh sáng ở tất cả 16 hướng được ghi lại và thể hiện trong hình 3.10. T1 là thời điểm mở cửa, khoảng thời gian từ T2 đến T3 là khoảng thời gian vật cản chặn cảm biến tạm thời
Hình 3.10: Phát hiện sự thay đổi đột ngột của mức ánh sáng và hướng chặn cảm biến
Trước khi mở cửa, cường độ ánh sáng tương tự như thí nghiệm trước (khi cả ba đèn đều sáng) với cường độ khoảng 100 Lux. Sau khi mở cửa tại T1, cường độ ánh sáng tăng dần trên các hướng đối diện với cửa đã được ghi nhận với mức cao trong khoảng 250 đến 300 Lux (hướng 7, 8 và 9). Trong khoảng thời gian từ T2 đến T3, khi có vật cản chặn cảm biến, dữ liệu ghi lại một giá trị giảm dần của cường độ ánh sáng theo hướng cửa. Giá trị của topic7, topic8 và topic9 đã giảm xuống dưới 100 Lux. Đối với những hướng ngược lại với hướng cửa, ví dụ như topic0 và topic15, cường độ ánh sáng ổn định bởi ánh sáng tự nhiên bên ngoài không có nhiều ảnh hưởng đến các hướng đó.
3.5.4Đánh giá về cảm biến quay đa hướng
Theo kết quả của các phép đo kiểm thử, cảm biến quay đã có thể thu thập hướng cảm biến và cường độ ánh sáng từ các góc độ khác nhau. Cảm biến cũng có thể phát hiện ra sự thay đổi đột ngột về mức độ ánh sáng. Hơn nữa, ngay cả khi bị chặn một số hướng, cảm biến quay vẫn đo được cường độ ánh sáng trên các hướng khác.
Hạn chế của cảm biến , đó là động cơ quay với tốc độ 5ms trong một bước, dẫn đến độ trễ khi đo thời gian theo các hướng. Tuy nhiên, sự khác biệt đó có thể chấp nhận được đối với điều khiển chiếu sáng thương mại và dân dụng.
57 - Thiết kế chưa tối ưu, cảm biến vẫn khá cồng kềnh.
- Chưa có một thông tin tham chiếu để đưa ra giá trị đo chính xác.
- Chưa phát hiện được nguồn sáng chính, giải quyết vấn đề nhiễu nguồn sáng do các nguồn sáng gián tiếp
Để giải quyết bài toán phát hiện nguồn sáng chính, nghiên cứu đã xây dựng hệ vector đo ánh sáng đa hướng, khi coi mỗi nguồn sáng là một vector có giá trị và hướng xác định. Phần 3.6 sẽ trình bày về phương án xây dựng vector đo ánh sáng đa hướng.
3.6 Xây dựng vector đo ánh sáng đa hướng
Giả định một nguồn sáng khả kiến, Quang thông (Φs) của hệ này có thể tính toán dựa trên cường độ sáng 𝐼𝑠 như sau:
Φs=4πIs (3.3)
Đối với nguồn sáng đồng vị, trong đó cường độ như nhau theo mọi hướng, phép đo quang thông trên một đơn vị diện tích, còn được gọi là hoặc mức sáng trong một khu vực cụ thể hoặc độ rọi, là tỷ số quang thông Φ trên khu vực của bề mặt đo (A). Tuy nhiên, trong môi trường trong nhà mà nguồn không phải là đồng vị, đối với bề mặt bức xạ phẳng của cảm biến, việc tính toán độ rọi (E) cần xem xét cosin góc quan sát (θ) so với bề mặt pháp tuyến như trong biểu thức:
E=Φscosθ A (3.4) Trong đó: E là độ rọi Φs là quang thông A là diện tích bề mặt chiếu sáng θ là góc quan sát
Trong hệ thống điều khiển chiếu sáng, giá trị quan sát được ∆E, là sự thay đổi của độ rọi trên bề mặt cảm biến ánh sáng, được sử dụng để điều khiển độ sáng của bóng đèn:
∆E=∆Φscosθ A
(3.5)
Trong hệ thống đề xuất của nghiên cứu, mức độ ánh sáng được đo theo nhiều hướng. Do đó, nghiên cứu sử dụng véc tơ độ rọi như sau:
58 E= [ E0 E1 . . . EN-1] (3.6)
trong đó N là số lượng hướng đo và 𝐸𝑛 là độ rọi đo được tại hướng n ∈ [0,N-1] Có hai ưu điểm chính của dữ liệu cảm biến được cung cấp bởi cảm biến ánh sáng xoay so với cảm biến tĩnh. Đầu tiên, cường độ ánh sáng được đo bằng cảm biến tĩnh phụ thuộc vào một hướng cảm biến duy nhất, góc θ như trong công thức (3.4) và (3.5) trong khi cảm biến quay cung cấp sự kết hợp của ánh sáng từ nhiều hướng. Trong ứng dụng thực tế, chẳng hạn như điều khiển ánh sáng, hướng đo có thể bị chặn bởi một vật thể làm cho giá trị cảm biến của cảm biến tĩnh không chính xác. Cảm biến quay có thể tránh được vấn đề này vì nó đo ánh sáng từ các góc khác nhau. Thứ hai, cảm biến quay sử dụng vectơ độ rọi (3.6) có thể chỉ ra hướng nguồn sáng chính. Hơn nữa, chúng ta có thể áp dụng phép tính gradient (r) trên vectơ độ rọi để đo tốc độ và hướng thay đổi của cường độ ánh sáng.
Sau khi xây dựng được hệ vector đo ánh sáng đa hướng, nghiên cứu tiến hành các giải pháp nâng cấp cảm biến. Nghiên cứu tập trung vào các khía cạnh sau:
Cải tiến hệ thống quay của cảm biến
Giảm khoảng cách giữa cảm biến và mô-đun xoay.
Tối ưu hóa đường kính tổng thể của cảm biến.
Thêm cảm biến tĩnh để tham chiếu
3.7 Nghiên cứu giải pháp nâng cấp cảm biến
Hình ảnh của cảm biến được trình bày trong hình
3.11. Cảm biến có hai mắt đo ánh sáng, mắt đo ánh sáng thứ nhất được gắn trên một bệ đỡ chuyển động quay bởi một mô tơ bước, mắt đo này sẽ có nhiệm vụ đo cường độ ánh sáng đa hướng. Mắt đo ánh sáng thứ hai là một cảm biến tĩnh đo cường độ ánh sáng để tham chiếu.Trong hệ thống này không cần sử dụng nhiều cảm biến như trong mạng cảm biến. Bằng cách xoay cảm biến ánh sáng, hệ thống này có thể tránh được các sự cố khi
Hình 3.11: Hình ảnh hệ cảm biến quay mới
59 hướng đo ánh sáng của cảm biến bị các vật thể che chắn. Các thành phần chính của hệ thống là cảm biến ánh sáng, động cơ bước, mạch điều khiển động cơ và mạch điều khiển chính. Hệ thống sử dụng một bộ vi điều khiển để điều khiển góc quay, cảm biến đo cường độ ánh sáng và truyền dữ liệu lên nền tảng điện toán đám mây. Cảm biến mới được thể hiện trong hình 3.11. có đường kính tổng thể là 100 mm. Hệ thống này đủ nhỏ để sử dụng trong hầu hết các ứng dụng trong nhà. Bảng 3.3 tóm tắt các tính năng của cảm biến . Hệ thống sử dụng một cảm biến ánh sáng để đo động cường độ ánh sáng đa hướng. Trong hệ thống này, không cần sử dụng nhiều cảm biến như trong mạng cảm biến. Bằng cách xoay cảm biến ánh sáng, hệ thống có thể tránh được các sự cố khi góc đo tĩnh bị vật thể chặn
Bảng 3.3: Mô tả cảm biến quay
Đặc điểm hệ thống Giá trị
Cảm biến ánh sáng BH1750
Động cơ bước 28BYJ-48
Module điều khiển động cơ bước ULN2003
Vi điều khiển ESP8266
Đường kính tổng thể (mm) 100
Số hướng đo của cảm biến 8 và 16
60
Hình 3.13: Mô hình 3D của đế quay cảm biến
61 Như trong sơ đồ hệ thống ở hình 3.12, các thành phần chính của hệ thống là cảm biến ánh sáng, động cơ bước, bảng điều khiển động cơ và bảng điều khiển chính. Hệ thống sử dụng bộ vi điều khiển để điều khiển vòng quay, cảm biến độ rọi của ánh sáng và truyền dữ liệu đến nền tảng giám sát. Trong mô hình này, đế quay cảm biến đã được tinh chỉnh, hình 3.13 cho thấy một số hình ảnh mô hình 3D của đế cảm biến
Hệ thống mới sử dụng một cảm biến tĩnh để cung cấp giá trị đo tham chiếu theo yêu cầu. Trong nghiên cứu này, cảm biến tĩnh được xem xét như là cảm biến có vectơ pháp tuyến bề mặt cảm biến cố định, do đó góc quan sát θ đối với bất kỳ nguồn chiếu sáng nào không thay đổi (xem công thức (3.3)). Cảm biến quay là cảm biến mà góc quan sát của nó có thể được thay đổi. Bằng cách xoay cảm biến theo một trục khác với vectơ pháp tuyến của bề mặt cảm biến, chúng ta có thể thay đổi góc quan sát của nó.
Mạch nguyên lý của hệ thống được thể hiện trong hình 3.14. Các cảm biến giao tiếp với vi điều khiển bằng giao thức I2C. Cảm biến tĩnh và cảm biến quay đồng thời đều là mô-đun đo cường độ ánh sáng kỹ thuật số BH1750 [66]. Mô-đun cảm biến có một bộ chuyển đổi bên trong để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang giá trị kỹ thuật số. Mô-đun cũng chứa bộ xử lý tiền xử lý để xử lý giá trị kỹ thuật số và trả về giá trị đo trong phạm vi từ 1 đến 65535 Lux
Phương pháp xây dựng thuật toán của phép đo cường độ ánh sáng giữ tương tự như trong thuật toán được trình bày ở phần 3.4 ngoại trừ bổ sung việc thu thập dữ liệu cảm biến tĩnh.. Hình 3.15 trình bày các bước chính của thuật toán. Ban đầu, chương trình thiết lập hướng ban đầu của cảm biến. Cảm biến có thể quay theo một góc 360 độ, do đó có thể đặt bất kỳ góc nào làm hướng đo ban đầu. Sau đó, cảm biến bắt đầu thu thập góc và chiếu sáng dữ liệu. Trong mỗi lần lặp lại của vòng lặp chính được thể hiện trong hình 3.15, chương trình điều khiển sẽ quay cảm biến bằng cách tăng bước động cơ, tính toán góc phát hiện, nhận thông tin mức độ ánh sáng và truyền dữ liệu đến phần mềm giám sát. Việc đếm số bước của động cơ được sử dụng để tính góc dựa trên công thức (3.5). Khi động cơ quay trọn một vòng (2048 bước), việc đếm sẽ được đặt lại về 0 và hướng quay được đảo ngược. Cảm biến có thể đo ánh sáng theo bất kỳ hướng nào hoặc tại một nhóm các hướng khoảng cách. Bảng 3.2 tóm tắt một số sự kết hợp của các hướng cảm ứng này, khoảng góc (∆α) và khoảng bước của động cơ. Mô tả 8 hướng cảm ứng với cách nhau 45 độ và 16 hướng cách nhau 22.5 độ được thể hiện trong hình 3.16
62
Hình 3.15: Lưu đồ thuật toán cải tiến của cảm biến ánh sáng.
63
3.8 Kết quả đo sau khi nâng cấp cảm biến
Hệ thống được thử nghiệm trong phòng làm việc với tác động của các thông số ngẫu nhiên đối với cảm biến, như sự thay đổi công suất ánh sáng, sự xuất hiện của vật cản,... Phần dưới đây sẽ trình bày các thí nghiệm và kết quả để kiểm tra khả năng của hệ thống trong việc phát hiện hướng ánh sáng chính, phát hiện hướng bị chặn và khả năng đo chính xác cường độ ánh sáng. Môi trường kiểm thử được thiết lập như hình 3.17. Đây là một phòng làm việc có các thông số theo hình chiếu 2D được mô tả trong hình 3.17 và có chiều cao trần nhà là 3,5 mét. Có bốn cụm đèn chiếu sáng và cảm biến được đặt trên mặt bàn ở trung tâm phòng làm việc.
Hình 3.17: Sơ đồ phòng thí nghiệm thực hiện đo cường độ ánh sáng bằng cảm biến quay
3.8.1Cảm biến quay lấy mẫu theo 8 hướng – tham chiếu với cảm biến tĩnh
Phần 3.8.1 trình bày kết quả đo cảm biến quay đo ánh sáng theo 8 hướng với Δα bằng 45o. Trong hình 3.18, dữ liệu cảm biến các hướng lần lượt là d0 đến d7. Kênh cảm biến tĩnh là được gắn nhãn là static. Các nguồn chiếu sáng nhân tạo được giữ nguyên, nhưng cảm biến tĩnh sẽ bị chặn tại một thời điểm nhất định trong quá trình thử nghiệm. Hình 3.18 cho thấy các giá trị LUX của cảm biến tĩnh ở một góc cố định và cảm biến quay quay theo tám hướng (từ d0 đến d7). Trong thí nghiệm này, cảm biến quay sẽ đo ánh sáng ở mỗi góc 45 độ.
64
Hình 3.18: Đồ thị cường độ ánh sáng của cảm biến tĩnh và cảm biến quay
Lúc đầu, dữ liệu cảm biến tĩnh là khoảng 450 Lux (± 20), trong khi cảm biến quay có các giá trị khác nhau ở các hướng khác nhau với giá trị cao ở d4 trên 500 Lux và d3 khoảng 430 lux. Các hướng d0, d5 và d7 có giá trị cảm biến trong khoảng từ 320 đến 350 Lux và hướng d1, d2 và d6 có dữ liệu trong khoảng 270 đến 300 Lux. Sau đó, vật cản xuất hiện chắn trước cảm biến tĩnh. Như trong hình 3.18, giá trị của dữ liệu cảm biến ánh sáng tĩnh giảm mạnh xuống 100 Lux và thấp hơn. Nếu một ứng dụng chỉ sử dụng cảm biến tĩnh để điều khiển đèn, ứng dụng đó sẽ ghi lại không chính xác việc giảm mức độ ánh sáng và sẽ gia tăng công suất chiếu sáng một cách không cần thiết. Tuy nhiên, có thể thấy không cần thay đổi độ chiếu sáng vì nguồn ổn định trong suốt thí nghiệm này (ngoại trừ một sự sai lệch nhỏ trong ánh sáng tự nhiên). Đối với cảm biến quay, các tín hiệu cảm biến theo các hướng d0, d1, d6 và d7 gần như ổn định (khoảng 300 Lux và 350 Lux). Có một sự giảm nhỏ theo hướng d2 và d5 và một vạch giảm theo hướng d3 và d4, nhưng những giá trị cảm biến này vẫn ở khoảng 250 Lux. Khi xuất hiện vật cản chắn trước cảm biến tĩnh, hệ thống sẽ đo đạc vị trí cảm biến thông qua hướng d3 và d4,