CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG
2.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Mục tiêu thiết kế của đề tài là xây dựng một hệ thống điều khiển chiếu sáng hiện đại, gọn nhẹ, tiện lợi, thân thiện với người sử dụng, linh hoạt với nhiều chế độ điều khiển, sẵn sàng cho nhiều ứng dụng chiếu sáng dẫn đến tiết kiệm chi phí sử dụng điện và tiện lợi cho người sử dụng, đồng thời thiết kế cũng chú ý đến khả năng mở rộng của sản phẩm.
Như đã trình bày trong chương trước, các hệ điều khiển chiếu sáng bao gồm nhiều phần tử: Bộ điều khiển trung tâm, bộ điều khiển khu vực (một hoặc nhiều), các thiết bị kết nối giữa bộ điều khiển khu vực với bộ điều khiển trung tâm có thể là thiết bị đầu cuối hữu tuyến hoặc không dây, các phần tử chấp hành, các sensor, các công tắc điều khiển được, các công tắc bật tắt bằng tay.
Với việc tận dụng các nghiên cứu cơ bản về mạng sensor không dây, kết hợp với các khả năng hỗ trợ nhất định của các vi mạch điện tử. Nhóm thực hiện đề tài thống nhất đưa ra thiết kế hệ điều khiển chiếu sáng trên cơ sở mạng sensor/actuator không dây trên nền tảng truyền thông Zigbee.
Dựa trên các tìm hiểu và phân tích các hệ điều khiển chiếu sáng (hữu tuyến) của Lite-Pak, Hubbel,.… chúng tôi lựa chọn thiết kế một hệ thống điều khiển chiếu sáng gồm các phần tử (thiết bị ) sau:
ã DTC (bộ điều khiển trung tõm) : Đúng vai trũ tổ chức và quản trị toàn bộ cấu hình cũng như điều khiển hệ thống. Cho phép người sử dụng thao tác lên các phần tử phân tán thông qua giao diện cảm ứng.
ã mLCP-8 (panel phõn tỏn): Đúng vai trũ thiết bị chấp hành, nhiệm vụ chủ yếu là điều khiển các đèn hoặc các cụm đèn.
o Input là tín hiệu từ các sensor phát hiện người, sensor đo độ sáng, sensor đo nhiệt độ, công tắc bật tắt bằng tay,
o Output là các rơle, các kênh PWM, các dimmer điều khiển độ sáng (người sử dụng có thể lựa chọn, lập trình các kênh điều khiển)
o Kết nối với bộ điều khiển trung tâm bằng kết nối không dây
ã TouchLight: cụng tắc cảm ứng khụng dõy (sử dụng cảm biến điện dung) cho phép người sử dụng bật tắt một nhóm đèn (rơle) hoặc một rơle từ bất kì vị trí trong tòa nhà.
ã Cỏc sensor: Ocupancy sensor (sensor phỏt hiện người), sensor đo độ sỏng và nhiệt độ
Các thành phần này liên kết với nhau bằng kết nối không dây. Ngoài ra để hệ thống có tính mở chúng tôi thiết kế thêm đầu ra RS485 hỗ trợ Modbus cho panel chấp hành mLCP-8. Kết nối RS485 sẽ rất hữu dụng trong các trường hợp mà truyền thông không dây không thể phủ tới được.
Dưới đây là mô hình tổng thể một hệ thống điều khiển chiếu sáng của đề tài:
Hình 13: Mô hình hệ thống điều khiển chiếu sáng của thiết kế
Đứng dưới góc độ cấu trúc mạng sensor không dây, từ chức năng của các phần tử ta có thể thấy các nút TouchLight, sensor phát hiện người, sensor độ sáng, nhiệt độ có thể coi là các nút sensor (sensor node). Còn các nút mLCP-8 có thể coi là các nút sensor/actuator.
Dưới đây chúng tôi đưa ra bảng phân chia chức năng và đặc điểm của từng nút, qua đó sẽ đưa ra giải pháp thiết kế cho phù hợp:
STT Tên nút Vai trò Đặc điểm Giải pháp thiết kế
1 DTC Nút
Có duy nhất một nút trong mạng.
Đặt cố định, ít khi thay
Chạy bằng nguồn AC (dùng adapter) nên không cần tối ưu năng lượng
đổi vị trí
Rất quan trọng trong hệ thống
Có thể phải thiết kế dự phòng
2 mLCP-8
Nút sensor/actuator.
Đóng vai trò như một bộ điều
khiển tại chỗ
Có nhiều nút trong mạng.
Điều khiển thiết bị công suất
Lắp đặt cố định
Chạy bằng nguồn AC nên không cần tối ưu năng lượng
Cần có giải pháp chống nhiễu và nâng cao độ bền vững của thiết bị
3
Nút TouchLight
(công tắc cảm ứng)
Nút sensor
Có nhiều nút trong mạng.
Dễ dàng thay đổi vị trí (có thể là loại cầm tay)
Chạy bằng pin
Tối ưu năng lượng (cả phần cứng lẫn phần mềm)
4
Nút sensor phát hiện
người
Nút sensor
Có nhiều nút trong mạng.
Lắp đặt cố định song phải dàng thay đổi vị trí lắp đặt
Chạy bằng pin
Tối ưu năng lượng (cả phần cứng lẫn phần mềm)
5 Nút sensor độ
sáng Nút sensor
Có nhiều nút trong mạng.
Lắp đặt cố định song phải dàng thay đổi vị trí lắp đặt
Chạy bằng pin
Tối ưu năng lượng (cả phần cứng lẫn phần mềm)
Bảng 7: Bảng phân chia chức năng cho các nút
Cũng giống như các hệ thống chiếu sáng thương mại khác, hệ thống điều khiển chiếu sáng do đề tài thiết kế cũng có thể mở rộng hoặc tích hợp với hệ tự động hóa tòa nhà thông qua giao các bộ chuyển đổi (gateway). Việc sử dụng các bộ chuyển đổi giao thức sang Ethernet giúp hệ có thể thực hiện điều khiển qua mạng máy tính.
Trong phạm vi của đề tài thực hiện chỉ trong 1 năm, cũng như theo kế hoạch đã đăng ký (5 nút) chúng tôi giới hạn tiến hành thiết kế chế tạo một số nút sau :
ã 01 bộ (nỳt) điều khiển trung tõm DTC
ã 01 bộ (nỳt) điều khiển khu vực mLCP-8 cho phộp điều khiển 16 Rơle, 8 kờnh PWM, 8 công tắc bật tắt bằng tay
ã 01 bộ (nỳt) cụng tắc cảm ứng TouchLight gồm 4 phớm ấn
ã 01 nỳt sensor phỏt hiện người.
ã 01 nỳt sensor đo độ sỏng
ã Và 01 nỳt sensor đo nhiệt độ mụi trường. Thực tế trong hệ chiếu sỏng sensor đo nhiệt độ là không cần thiết. Song, để chứng minh khả năng “mở” của hệ thống sáng HVAC chúng tôi thiết kế thêm nút đo nhiệt độ.
Hình 14: Các nút sẽ thiết kế
Hình 15: Sơ đồ một hệ thống mở rộng
Trong quá trình thiết kế, có một số vấn đề kĩ thuật quan trọng mà đề tài phải giải quyết đó là:
ã Xõy dựng giải phỏp phần cứng cụng suất thấp (low power). Điều này vụ cựng quan trọng trong thiết kế vì một số phần tử của hệ thống bao gồm các nút sensor đều chạy bằng pin.
ã Kỹ thuật húa bài toỏn trờn nền cụng nghệ truyền thụng khụng dõy.
Đối với các hệ sensor không dây, do có tính gắn kết rất cao giữa phần cứng và phần mềm nên việc trình bày bóc tách ra thành phần cứng và phần mềm tương đối khó. Một số vấn đề của phần cứng chỉ có thể được làm rõ trong phần thiết kế phần mềm. Trong chương 3 sẽ mô tả chi tiết hơn hoạt động và phần mềm cho từng nút.