6. Bố cục của luận án
3.2Phân tích một số phương án cải tiến cảm biến ánh sáng
Hiện nay, giải pháp thường thấy để cải tiến cảm biến đơn là sử dụng mạng cảm biến bao gồm nhiều cảm biến tĩnh, với mục tiêu đo đạc thông tin chính xác tại nhiều điểm trong khuôn viên chiếu sáng, từ đó tính toán và đưa ra đầu vào chính xác cho hệ thống điều khiển chiếu sáng. Bảng 3.1 đưa ra thông tin so sánh ưu, nhược điểm giữa việc sử dụng cảm biến đơn và sử dụng mạng cảm biến.
Bảng 3.1: So sánh ưu nhược điểm của cảm biến đơn tĩnh và mạng cảm biến
Sử dụng cảm biến đơn Sử dụng mạng cảm biến
Ưu điểm Giá thành rẻ
Triển khai đơn giản, chi phí thi công thấp
Độ chính xác cao, kết quả đo chính xác hơn so với phương pháp dùng duy nhất một cảm biến, do phân tích kết quả của nhiều cảm biến
46
Nhược điểm
Độ chính xác chưa cao: để đưa ra một kết quả đo chính xác thì cần phải áp dụng nhiều thuật toán, thu thập dữ liệu và phụ thuộc lớn vào môi trường đo
Dễ chịu tác động từ các yếu tố bên ngoài
Sai số lớn: cảm biến có thể bị chặn bởi các đối tượng chuyển động hoặc bị chiếu sáng bởi chùm ánh sáng hẹp (không phải nguồn chiếu sáng)
Do cấu trúc mạng nút cảm biến không đáng tin cậy (khả năng chịu lỗi), dẫn đến mạng cảm biến không phát hiện được lỗi [63] khi phải truyền qua nhiều nốt mạng.
Tốc độ phản ứng chậm[64]
Giá thành cao
Khó mở rộng, thay đổi[65]
Phân tích sâu hơn về hệ cảm biến tĩnh, nghiên cứu nhận thấy những nhược điểm sau: - Khả năng khử lỗi trong mạng cảm biến ánh sáng yêu cầu hệ thống vẫn phải hoạt động chính xác trong khi một số cảm biến có thể đã bị lỗi. Rất khó để đáp ứng yêu cầu này khi các cảm biến ánh sáng được phân bố các vị trí khác nhau. [63] - Do hướng đo bị cố định nên dễ bị tác động bởi vật cản hoặc các nguồn sáng hẹp,
đồng thời không đo chính xác được các nguồn sáng di chuyển như mặt trời, từ đó dẫn đến sai số của giá trị đo so với thực tế là rất lớn.
- Cuối cùng, hệ thống các cảm biến tĩnh có thể có vấn đề tốc độ phản ứng chậm khi các cảm biến được đặt theo hướng cố định. Hệ thống tĩnh không thể cảm nhận được sự thay đổi của cường độ ánh sáng trong các vùng không được cảm biến bao quát [64].
Ngoài ra, còn một bài toán nữa mà cảm biến tĩnh đơn lẻ/ mạng cảm biến tĩnh không giải quyết được đó là ảnh hưởng của nguồn sáng gián tiếp (hay còn gọi là nguồn sáng nhiễu) tới nguồn sáng trực tiếp, dẫn đến thông tin đọc về từ một cảm biến tĩnh không chính xác. Ảnh hưởng này đã được chỉ ra ở trong nghiên cứu của Kim, In-Tae & Kim, Yu-Sin & Nam, Hyeonggon và Hwang, Taeyon [38]. Theo nghiên cứu trên, mô hình ảnh hưởng của nguồn sáng gián tiếp tới nguồn sáng trực tiếp được đưa ra ở Hình 3.2
47
Hình 3.2: Môi trường chiếu sáng thực tế ảnh hưởng bởi nguồn sáng trực tiếp và gián tiếp (Nguồn: Advanced Dimming Control Algorithm for Sustainable Buildings by Daylight Responsive
Dimming System. Sustainability [38])
Theo nghiên cứu [38], cường độ sáng của phòng (𝐸𝑇𝑖) tại vị trí i có thể được tính
như sau:
ETi=EDi+∑nj=1Eij (3.1) Trong đó:
EDi là cường độ chiếu sáng của ánh sáng tự nhiên đối với vị trí i
Eij là cường độ chiếu sáng của đèn tại vị trí j đối với vị trí i
Nếu cảm biến ánh sáng được gắn vào đèn điện nhận biết rằng cường độ sáng của phòng đã cao hơn mức chiếu sáng yêu cầu, thì hệ thống điều khiển đèn chiếu sáng sẽ giảm bớt công suất trên đèn. Tuy nhiên, cảm biến tĩnh sẽ không nhận biết liệu phần cường độ sáng dư thừa này có bị ảnh hưởng bởi độ rọi gián tiếp của các bộ đèn khác hay không. Vì lý do đó, thực tế đèn đã bị giảm công suất quá mức yêu cầu. Ngoài ra, khi thành phần cường độ sáng gián tiếp lớn hơn thành phần cường độ sáng trực tiếp, ánh sáng lúc này bị phân kỳ mà không hội tụ với mục tiêu, từ đó hệ thống điều khiển không thể tính toán được công suất để duy trì độ sáng yêu cầu.
Tổng hợp lại, những bài toán đưa ra để khắc phục cảm biến tĩnh/ hệ cảm biến tĩnh bao gồm:
- Cần phải phát hiện được vật cản trước cảm biến, do vật cản sẽ gây sai số trong kết quả đo
48 - Cần giải quyết bài toán ảnh hưởng bởi nguồn sáng gián tiếp lên nguồn sáng trực tiếp, do sự phân bố các nguồn sáng có thể tạo ra mức ánh sáng không cân bằng trong khu vực chiếu sáng.
Nghiên cứu đưa ra giải pháp cảm biến quay để giải quyết những bài toán này. Cảm biến quay có thể cung cấp các giá trị cảm biến ánh sáng từ các hướng khác nhau có thể giúp tránh sự cố liên quan tới vật cản. Cách tiếp cận này khắc phục được vấn đề của mạng cảm biến tĩnh bằng cách thay đổi động góc đo của cảm biến ánh sáng. Ưu điểm của hệ thống này là nó có thể cung cấp dữ liệu cảm biến ánh sáng ở các góc độ khác nhau chỉ bằng một cảm biến duy nhất so với hệ thống sử dụng nhiều cảm biến. Cảm biến quay có thể phát hiện ánh sáng thay đổi ở một góc cụ thể hoặc xác định hướng đo nào có thể đã bị chặn, đồng thời phát hiện được nguồn sáng chính, trong trường hợp nguồn sáng bị nhiễu bởi các nguồn sáng gián tiếp khác. Các tính năng này cho phép cảm biến theo dõi chính xác thông tin ánh sáng trong các ứng dụng thực tế trong nhà.
Bên cạnh đó, nghiên cứu sẽ tập trung vào đánh giá hiệu năng của hệ thống tiết kiệm năng lượng chiếu sáng sử dụng cảm biến ánh sáng quay đa hướng so với hệ cảm biến tĩnh thông thường, bằng cách xây dựng hệ thống hoạt động trên ứng dụng Internet of Things (IoT), từ đó kết nối và truyền dữ liệu đến các nền tảng IoT để thu thập và phân tích số liệu.
Phần 3.3 sẽ trình bày về nghiên cứu cảm biến quay đa hướng, kết quả đo và phân tích kết quả đạt được bằng việc sử dụng giá trị đầu vào từ cảm biến quay đa hướng, chọn lọc và đưa vào hệ điều khiển công suất mô phỏng bởi MATLAB.