6. Bố cục của luận án
2.5 Kết luận chương 2
Nghiên cứu đã chỉ rằng phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt mức năng lượng biên sau phù hợp với tải sợi đốt, tải đèn LED do không làm giảm tuổi thọ của bóng đèn, tuy nhiên phương pháp cắt biên sau lại không thể sử dụng được với tải đèn phóng điện.
Phương pháp điều chỉnh mức sáng sau khi cải tiến đã sử dụng được cho bóng đèn phóng điện chấn lưu sắt từ. Phương pháp này đã loại bỏ được xung điện áp ngược với biên độ rất lớn là nguyên nhân làm nóng IGBT rất nhanh và hỏng sau một thời gian ngắn sử dụng.
Nghiên cứu cũng đã mở rộng được dải điều chỉnh cường độ ánh sáng hay công suất tiêu thụ đối với bóng đèn phóng điện bằng giải thuật điều khiển mới cho phép điều chỉnh công suất tiêu thụ của bóng đèn phóng điện từ mức năng lượng bằng 0 trở đi chứ không còn mức 30% so với các phương pháp cũ. Kết quả giải thuật đã thực hiện đúng yêu cầu của nghiên cứu đề ra khi áp dụng trên chương trình của vi điều khiển ATMEGA16. Mạch điện thực tế chạy tốt cho kết quả đo đạc giống như đã mô phỏng trên phần mềm.
Với cải tiến của nghiên cứu, thiết bị có thể áp dụng cho bất kỳ loại tải chiếu sáng nào có chứa thành phần tải cảm hay nói cách khác là phương pháp điều chỉnh công suất mới có thể sử dụng cho mọi loại bóng đèn chiếu sáng. Điều này rất có lợi trong việc điều chỉnh công suất tại đầu nguồn cho các hệ thống chiếu sáng công suất cao và có nhiều loại đèn khác nhau trong cùng hệ thống.
Kết quả nghiên cứu đã được công bố tại bài báo số 1 và số 3 trong danh mục các công trình đã công bố của luận án.
Sau khi cải tiến hệ thống điều khiển ánh sáng tương thích với mọi loại bóng đèn, nghiên cứu tiếp tục đề xuất phương án cải tiến cảm biến tĩnh hiện tại đang được sử dụng ở hệ thống tiết kiệm điện dùng trong hệ thống chiếu sáng, đã được công bố ở nghiên cứu [39]. Trong thực tế, có rất nhiều trường hợp hướng cảm biến bị chặn bởi các vật cản không mong muốn. Trường hợp như vậy làm thay đổi dữ liệu đo, dẫn đến việc điều khiển độ chiếu sáng không chính xác. Chương 3 sẽ phân tích và đề xuất phương án cải tiến cảm biến.
44
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN ÁNH SÁNG QUAY ĐA HƯỚNG
Như đã trình bày ở chương 1, mức độ chiếu sáng được điều khiển theo nhu cầu phụ thuộc vào sự thay đổi của giá trị cảm biến. Hệ thống tiết kiệm điện dùng trong chiếu sáng [39] sử dụng cảm biến đơn, trong nhiều trường hợp đưa ra thông tin không chính xác khi có vật cản chắn sáng, nguồn sáng không ổn định.
Đa số các hệ thống tiết kiệm năng lượng tận dụng năng lượng ánh sáng tự nhiên thường có sơ đồ khối như sau:
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống tiết kiệm năng lượng tận dụng ánh sáng tự nhiên
Trong đó khối cảm biến thông thường được lựa chọn bởi phương án một cảm biến [60], hoặc một mạng cảm biến [61] [62]… Trong phạm vi của nghiên cứu sẽ phân tích những ưu, nhược điểm của hai phương án này, từ đó nghiên cứu đưa ra giải pháp cảm biến quay đa hướng để khắc phục các nhược điểm trên.
3.1 Tổng quan về các loại cảm biến ánh sáng sử dụng trong hệ thống tiết kiệm năng lượng
Nguyên lý đo ánh sáng của thiết bị chính là việc sử dụng cảm biến ánh sáng để biến đổi các đại lượng vật lý thành đại lượng điện để thực hiện quá trình đo lường. Cảm biến ánh sáng là thiết bị quang điện có khả năng chuyển đổi năng lượng ánh sáng (dưới dạng photons, thường là ánh sáng khả kiến hoặc tia hồng ngoại) thành tín hiệu điện (dưới dạng electrons).
Các cảm biến ánh sáng có thể chia làm hai loại: một loại tạo ra năng lượng điện khi được chiếu sáng vào, loại còn lại sẽ thay đổi các thuộc tính về điện (độ dẫn điện, điện trở,…) khi được chiếu sáng vào. Trên thực tế, có một số dòng cảm biến ánh sáng như sau:
- Bóng phát xạ (Photo-emissive cells): hoạt động dựa trên nguyên lý các vật liệu nhạy cảm với ánh sáng, chẳng hạn như caesium, sẽ giải phóng electrons khi bị các hạt photons mang năng lượng đủ lớn va vào. Năng lượng photons càng lớn sẽ giải phóng càng nhiều electrons.
45 - Tế bào quang dẫn (Photo-conductive Cells) - Các thiết bị quang này thay đổi điện trở của chúng khi bị ánh sáng chiếu vào. Hiện tượng quang dẫn là kết quả của việc ánh sáng chiếu vào vật liệu bán dẫn điều khiển dòng điện chạy qua nó. Do đó, nhiều ánh sáng hơn làm tăng dòng điện đối với một điện áp đặt vào nhất định. Vật liệu quang dẫn phổ biến nhất là Cadmium Sulphide được sử dụng trong tế bào quang điện LDR.
- Tế bào quang điện (Photo-voltaic Cells) - Các thiết bị quang điện này tạo ra suất điện động tương ứng với năng lượng ánh sáng bức xạ nhận được và có tác dụng tương tự như hiện tượng quang dẫn. Năng lượng ánh sáng rơi vào hai vật liệu bán dẫn kẹp với nhau tạo ra hiệu điện thế xấp xỉ 0,5V. Vật liệu quang điện phổ biến nhất là Selenium được sử dụng trong pin mặt trời.
- Thiết bị tiếp giáp quang (Photo-junction Devices) - Các thiết bị quang điện này chủ yếu là các thiết bị bán dẫn thực sự như điốt quang hoặc điện trở quang sử dụng ánh sáng để điều khiển dòng electron và lỗ trống qua điểm nối PN của chúng. Thiết bị tiếp giáp quang được thiết kế đặc biệt cho ứng dụng máy dò và sự xuyên sáng với phản ứng quang phổ của chúng được điều chỉnh theo bước sóng của ánh sáng tới.
3.2 Phân 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.
3.3 Xây dựng cảm biến quay ánh sáng
Hình 3.3 trình bày sơ đồ của cảm biến quay. Cảm biến sử dụng động cơ bước để quay mắt đo ánh sáng nhằm thu thập cường độ ánh sáng theo nhiều hướng. Một bảng điều khiển được sử dụng để điều khiển động cơ và thu thập dữ liệu cảm biến. Ngoài ra, bộ điều khiển cũng gửi dữ liệu đến hệ thống giám sát dữ liệu.
49
Hình 3.3: Sơ đồ cảm biến quay đa hướng
Nghiên cứu sử dụng mô-đun cảm biến cường độ ánh sáng kỹ thuật số BH1750 [66] để xây dựng hệ thống. Đầu ra từ cảm biến có đơn vị LUX, bằng một lumen trên mét vuông: 1Lux = 1Lm/𝑚2. BH1750 có bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số bên trong và bộ tiền xử lý kỹ thuật số, vì vậy nó không yêu cầu thêm bất kỳ mạch tính toán nào. BH1750 truyền dữ liệu bằng giao thức truyền thông I2C.
Bộ phận động cơ bao gồm hai phần: động cơ bước và bảng điều khiển. Nghiên cứu sử dụng một động cơ bước nhỏ gọn, chi phí thấp nhất, 28BYJ-48, hoạt động ở 5V DC. Động cơ 28BYJ- 48 được tích hợp tỷ số truyền 64:1. Động cơ có hai chế độ chạy 64 và 32 bước cho một vòng quay. Nghiên cứu lựa chọn phương án điều khiển động cơ theo 32 bước kết hợp với giảm số, do đó động cơ cung cấp 2048 bước/vòng quay.
Phương trình (3.2) mô tả quan hệ giữa góc quay và số bước của động cơ
α=i*360/2048 (3.2)
Trong đó α là giá trị góc quay và i từ 0 đến 2048 là giá trị bước của động cơ.
Bảng 3.2: Quan hệ giữa số lượng hướng đo cảm biến, góc quay và số lượng bước động cơ
Số lượng hướng đo cảm biến ∆ Số lượng bước
8 45 độ 256
50
32 11.25 độ 64
64 5.625 độ 32
Trong hệ thống này, động cơ gắn vào trung tâm của cấu trúc đế quay như thể hiện trong hình 3.4, trục của động cơ quay xuống dưới và được cố định lại. Động cơ được gắn vào một đầu của ống đế bằng nhựa trong khi mạch driver được gắn vào đầu kia. Một tấm nhựa cứng, kích thước 2 x 10 cm, được dán vào bộ tời của động cơ bước. Mô-đun cảm biến ánh sáng được gắn vào đầu kia của khung. Khi quay động cơ sẽ xoay toàn bộ cấu trúc do đó xoay cảm biến ánh sáng.
Hình 3.4: Khối động cơ bước: a) động cơ bước, b) mạch điều khiển động cơ
Cảm biến sử dụng bo mạch ESP8266 [67] để điều khiển động cơ bước quay theo yêu cầu và thu nhận giá trị đo được tại cảm biến ở các hướng sau đó truyền dữ liệu này lên mạng thông qua đường truyền Wi-Fi. Mô-đun ESP8266 có một chip vi điều khiển chạy trong môi trường Arduino. Mô-đun bộ điều khiển sử dụng thành phần WI-FI tích hợp để giao tiếp với hệ thống giám sát dữ liệu. Trong hướng nghiên cứu này, luận án sử dụng Arduino IDE để lập trình mô-đun bộ điều khiển. Hình 3.5 cho thấy bảng điều khiển được sử dụng trong hệ thống của nghiên cứu. Mạch điều khiển động cơ bước ULN2003 được dùng là mạch đệm công suất giữa vi điều khiển và động cơ bước. Các chân điều
Hình 3.5 Cảm biến quay đa hướng: a) Cảm biến ánh sáng, b) Động cơ bước, c) Mạch điều khiển
51 khiển ULN2003, IN1, IN2, IN3 và IN4, được kết nối với các chân đầu ra của vi điều khiển.
Bên cạnh đó, cảm biến có thể kết nối với các nền tảng IoT phổ biến, chẳng hạn như Ubidots và Thingspeak, để trực quan hóa và phân tích dữ liệu cảm biến từ xa. Bởi vì Mô-đun ESP8266 sử dụng thành phần WI-FI tích hợp để giao tiếp với hệ thống giám sát dữ liệu, trong khi chuẩn WI-FI là giao thức phổ biến với các nền tảng IoT, do đó hệ