Việc sử dụng hệ thống điều khiển chiếu sáng trong tòa nhà giúp tiết kiệm chi phí sẽ giúp làm giảm lượng khí thải của các nhà máy điện. Mỗi một kilowatt giờ tiết kiệm được, thí dụ do dùng cảm biến chiếm chỗ, sẽ ứng với việc giảm đốt cháy nhiên liệu tại các nhà máy điện và có nghĩa là giảm khí thải. Do vậy việc sử dụng rộng rãi các loại cảm biến để điều khiển hệ thống chiếu sáng sẽ cải thiện đưọc môi trường sống. Mặc dù hầu như mọi hệ thống chiếu sáng đều có khả năng tiết kiệm năng lượng nhưng những hệ thống chiếu sáng công cộng trong tòa nhà mới thực sự là quan trọng. Hệ thống điều khiển chiếu sáng nhiều tiện ích nhìn chung có hai nhiệm vụ: tắt ánh sáng khi không cần và điều khiển phát luôn đủ thông lượng ánh sáng cần thiết. Những thiết bị này có
cấu tạo từ đơn giản như các bộ công tắc thời gian đến phức tạp như các bộ điện tử điều khiển mờ. Mỗi công nghệ có thể dùng với các tiện ích khác nhau nhưng tổng hợp chúng lại nhà thiết kế sẽ mang lại nhiều tiện ích cho khách hàng. Mỗi một bộ điều khiển là tổ hợp của bộ đèn và cảm biến nối với bộ phận điều khiển. Mạch của bộ phận điều khiển làm việc với tổ hợp của cảm biến và bộ đèn.
Có thể phân loại điều khiển như sau: ¾ Điều khiển bật tắt:
Cách đơn giản nhất để giảm tiêu phí năng lượng là tắt đèn khi không cần đến ánh sáng. Tuy nhiên trong thực tế không phải lúc nào cũng được như vậy. Do đó một số hệ thống tự động bật tắt đền theo thời gian hay theo các tín hiệu của các cảm biến cần
được thiết kế phát triển. Phần lớn các loại công tắc tự động hoạt động hiệu quả dựa
trên nguyên tắc không cần đến người sử dụng ánh sáng. ¾ Điều khiển làm mờ:
Bộ điều khiển mờ làm giảm thông lượng ánh sáng hệ thống phát ra. Chúng điều
khiển thông lượng ánh sáng theo yêu cầu và do vậy tiết kiệm điện năng. Tổ hợp với các cảm biến ánh sáng, bộ điều khiển mờ có thể bổ chính các tác động ảnh hưởng lên thông lượng ánh sáng do bụi bám vào các chóa đèn và do các bóng đèn già hóa hoặc biến điệu thông lượng ánh sáng theo độ rọi của ánh sáng ban ngày.
3.2.3 Thiết kế chế tạo hệ thống
Một hệ thống điều khiển điều hành chiếu sáng trong tòa nhà phải gồm các chức năng sau:
• Có khả năng điều khiển từ xa bật tắt các thiết bị chiếu sáng bằng tay, theo lịch trình hoặc tự động theo độ sáng của nguồn.
• Kênh thông tin điều khiển phải đảm bảo tin cậy.
• Chương trình điều hành chiếu sáng phải có độ linh hoạt, mềm dẻo, dễ bảo trì bảo dưỡng và gỡ rối.
• Cho phép các bộ điều khiển tại hiện trường có thể hoạt động độc lập. Người dùng có thể điều khiển bật tắt đèn liên quan bằng tay, đặt chế độ phát hiện chiếm chỗ, điều chỉnh độ sáng.
Trên cơ sở đó, hệ thống sẽ bao gồm một bộ điều khiển trung tâm và nhiều mô-đun
điều khiển hiện trường được thiết kế phát triển trên các hệ thống vi xử lý, vi điều
khiển. Mỗi mô-đun hiện trường phải được định địa chỉ nhất định để giao tiếp với trung tâm.
Việc truyền thông điều khiển trong hệ được thực hiện chính trên kênh truyền RS- 485, đảm bảo khoảng cách truyền xa nhất lên tới 1.200 m trên một cặp dây xoắn tín hiệu vi sai. Giao thức truyền thông được chọn là Modbus/RTU cho phép ghép nối tối đa tới 32 bộ điều khiển hiện trường là các slave vào mạng. Như vậy, thí dụ nếu mỗi mô-đun có thể điều khiển được 6 cụm đèn thì sẽ có tới 192 cụm được điều khiển tập trung. Tuy nhiên trong một tòa nhà, như trên đã phân tích, chỉ các nhóm đèn sử dụng
công cộng (như tầng hầm, hành lang, cửa ra vào, hội trường, kho, phòng kỹ thuật) mới cần điều khiển tự động, nên thực tế số cụm không quá nhiều như vậy.
Sơ đồ khối điều khiển truyền thông chiếu sáng trong tòa nhà có thể được biểu diễn trên hình 40.
Trong đó, bộ điều khiển trung tâm là một máy tính PC được ghép nối với chuẩn giao tiếp RS-485 với một chương trình điều khiển tổng thể các cụm chiếu sáng.
Các mô-đun hiện trường được thiết kế có khả năng thu-phát thông tin RS-485, nhận lệnh điều khiển bật tắt từ trung tâm. Ngoài ra các mô-đun này còn có chức năng hoạt đông ở chế độ độc lập (stand-alone), tự điều chỉnh bật tắt, làm mờ đèn nhất định, tự hoạt động trong chế độ điều khiển chiếm chỗ, v.v... Do mỗi cổng điều khiển ra của mô-đun cần điều khiển đồng thời được cho một cụm đèn, nên dòng cực đại lối ra cần được thiết kế đủ lớn.
Ngoài ra, các thiết bị chiếu sáng trong các đơn vị bất kỳ, nơi có các tiện ích internet và mạng điện thoại di động, đều có thể điều khiển được một vài thiết bị chiếu sáng qua hệ thống này bằng các bộ đóng ngắt thiết bị được điều khiển từ xa.
Hình 40. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển điều hành chiếu sáng trong tòa nhà
3.2.3.1 Mô-đun điều khiển chiếu sáng hiện trường
¾ Tiêu chí kỹ thuật:
Mô-đun điều khiển loại 1 được thiết kế có những chức năng sau: 1. Có thể điều khiển trực tiếp bật tắt, độ sáng mỗi đèn bằng tay.
2. Có thể chọn một trong 04 chế độ hoạt động: điều khiển bằng tay, điều khiển tự động tại chỗ, điều khiển từ xa và đặt cấu hình mô-đun.
Máy tính Trung tâm Đườ ng 485 / Modbus-RTU Vi điều khiển LCD Các phím . . . S Mô-đun 1 Cảm biến Vi điều khiển LCD Các phím . . . S Mô-đun n Cảm biến
3. Có thể bật tắt một trong 6 cụm đèn nhất định (bằng tay tại chỗ hoặc từ trung tâm).
4. Có thể bật tắt đèn tự động theo ngưỡng sáng đặt trước.
5. Phối hợp với trung tâm điều khiển bật tắt các cụm đèn nhất định theo lịch trình (chế độ hẹn giờ).
Từ đó, mô-đun được thiết kế với sơ đồ khối như được trình bày trên hình 41 dưới đây. Mô-đun gồm 2 phần: phần điều khiển vi xử lý và phần đệm công suất lối ra PA. Phần điều khiển vi xử lý có lõi là một vi điều khiển dsPIC30F4011 giao tiếp với 5 phím nhấn cho phép chọn chế độ hoạt động, nhập số liệu đóng ngắt, số liệu cấu hình và một màn hình tinh thể lỏng LCD để hiện thị các thông số và trạng thái của mô-đun. Các dữ liệu ra điều khiển 6 cổng ra số, từ đó tín hiệu được đưa tới bộ đệm công suất để điều khiển đóng ngắt 6 chuyển mạch bán dẫn Triac công suất (O1 đến O6) nối tiếp với các cụm đèn. Mỗi Triac có thể đảm bảo cho dòng cực đại đi qua một cụm lên tới 10A/220 VAC. Để có thể giao tiếp truyền thông với trung tâm qua bus RS-485, phần điều khiển được thiết kế một vi mạch SN75176 có chức năng chuyển đổi tín hiệu RS- 232 từ vi xử lý sang RS-485 và ngược lại. Ngoài ra mạch còn có các cổng nạp chương trình phần dẻo theo chuẩn JTAG.
Hình 41. Sơ đồ khối mô-đun điều khiển
¾ Sơđồ nguyên lý và lắp ráp:
Mô-đun sau khi được đóng gói có các ảnh chụp như trên hình 42.
t ừ c ả m bi ế n nh ạ y s a ng đế n 6 c ụ m đ èn bus
Keyboard JTAG Display
Micro- controller 232/485 converter Port GND PW O4 O4 O4 O4 O4 O4 PA PA PA PA PA PA
Hình 42. Các mô-đun điều khiển chiếu sáng hiện trường
Mô-đun được thiết kế chế tạo dựa trên vi điều khiển dsPIC30F4011 của hãng MicroChip. Sơ đồ nguyên lý của nó được thiết kế thành 2 phần: phần điều khiển vi xử lý trên hình 43 và phần điều khiển công suất trên hình 44.
.
Hình 44. Phần điều khiển công suất
Hình 45. Bản mạch vi xử lý và hiển thị; bản mạch công suất
TT Thông số Giá trị Ghi chú
1 Vi điều khiển dsPIC30F4011 01
2 UART-232 / 485 converter SN 75176B 01
3 Triac BTA16 / 16A 06
4 Voltage Regulator 7805 01 5 Số cụm đèn được điều khiển 06 6 Dòng ra cực đại trên 1 cụm 16A 7 Thời gian đáp ứng lệnh <0,5 s 8 Điện áp tải 220 VAC 9 Tần số nguồn điện 50 Hz hoặc 60 Hz 10 Điện áp nuôi mạch truyền thông 10 – 30 VDC
11 Dòng nuôi mạch cực đại 300 mA
12 Cấu hình đường truyền dữ liệu Cáp xoắn đôi
13 Dạng tín hiệu Vi sai
14 Chuẩn tín hiệu RS-485
15 Giao thức truyền thông Modbus/RTU
16 Địa chỉ slave mô-đun đặt được từ 1 đến 32 17 Tốc độ truyền Baud Rate đặt được từ 1200 bps đến
115,2 kbps
18 Khoảng cách được điều khiển cực đại 1.200 m 19 Dải nhiệt độ làm việc 5 – 60 °C
20 Dải độẩm làm việc 25 – 95 %RH
21 Kích thước 19,5 ×12×7,7 cm
22 Trọng lượng 1 kg
23 Tiêu chuẩn an toàn điện AC power: Class
Bảng 6. Chỉ tiêu kỹ thuật đạt được của mô-đun điều khiển
¾ Phần mềm truyền thông và điều khiển:
Có 2 loại loại phần mềm được phát triển liên quan đến điều khiển hệ thống chiếu sáng qua mô-đun điều khiển:
• Phần mềm nhúng trong vi điều khiển của mô-đun hiện trường.
• Phần mềm giám sát và điều khiển tại máy tính trung tâm. ¾ Phần mềm nhúng:
Một chương trình phần mềm nhúng được phát triển trên vi điều khiển dsPIC30F4011 cho phép vi điều khiển thực hiện các nhiệm vụ sau:
• Thu thập và biến đổi điện áp ra tương tự từ cảm biến nhạy sáng (quang trở) sang dữ liệu số để so sánh với mức ngưỡng được chương trình đặt, qua đó quyết định bật tắt cụm đèn.
• Cấu hình mô-đun: đặt địa chỉ slave, chọn chế độ hoạt động: bật tắt bằng tay, bật tắt tự động, chịu sự điều khiển từ xa, tắt tất cả các cụm đèn.
• Hiển thị trạng thái hoạt động của mô-đun và các thông số lên màn hiện số.
• Truyền thông với bộ điều khiển trung tâm (vai trò là master): nhận lệnh bật tắt đèn với địa chỉ xác định, kiểm tra lỗi và trả lời master.
• Xuất số liệu ra điều khiển bật tắt các cụm đèn được định địa chỉ. Phần mềm được phát triển và nạp vào vi điều khiển qua ghép nối JTAG.
Lưu đồ phần mềm nhúng được chỉ ra trên hình 46. Mã nguồn được báo cáo trong Phụ lục.
Hình 46. Lưu đồ chương trình điều khiển chiếu sáng nhúng trong vi điều khiển START Chếđộđ/k bằng tay Có phím nhân ? y n Xử lý bật tắt đèn MENU ? n Chếđộđ/k từ xa Lệnh từ Master? y n Xử lý bật tắt đèn Ghi nhận Chếđộđ/k tựđộng y n MENU y Đo độ sáng phòng vượt ngưỡng đặt ? tắt cụm đèn bật cụm đèn MENU n y nguồn giảm ? Lưu cấu hình STOP y n
3.2.3.2 Điều khiển trung tâm
1. Luận văn đã phát triển một chương trình kiểm tra chạy thử các mô-đun điều khiển hiện trường từ xa qua mạng RS-485/Modbus trên cơ sở phần mềm Modbus Poll. Bằng chương trình này, các chế độ hoạt động của các mô-đun theo giao thức Modbus
đã được phát triển, gỡ rối trong các chương trình phần mềm nhúng một cách thuận
tiện. Phần phụ lục báo cáo về nội dung các chương trình nhứng trong các vi điều khiển này.
2. Luận văn đã sử dụng phần mềm điều khiển điều hành các mô-đun hiện trường (HVAC và chiếu sáng) tại máy tính Trung tâm đề chạy thử các mô-đun này. Chương trình cài đặt tai Trung tâm điều khiển toàn tòa nhà, được phát triển trên ngôn ngữ lập trình LABVIEW có giao diện thân thiện với người sử dụng. Truyền thông giữa máy tính điều khiển và các mô-đun hiện trường được thông qua ghép nối USB-COM ra RS- 485. Trong hệ thống điều khiển này, máy tính trung tâm được coi là đơn vị chủ Master. Master sẽ hỏi vòng các đơn vị tớ Slave là các mô-đun hiện trường và ra các lệnh bật tắt các máy điều hòa, sưởi ấm, quạt thông gió và các cụm đèn xác định của các mô-đun này.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Sau thời gian nghiên cứu lý thuyết, thiết kế chế tạo các mạch phần cứng, phát triển các chương trình phần mềm cho các phân hệ trong hệ thống quản lý tòa nhà, Luận văn đã thu được các kết quả sau:
1. Nghiên cứu tổng quan về hệ thống quản lý tự động tòa nhà BMS
2. Nghiên cứu tìm hiểu sử dụng các loại vi điều khiển 16 bit dsPIC30F6010, dsPIC30F4011, PIC16F886 cho các hệ đo các thông số và truyền thông tin.
3. Đã nghiên cứu tìm hiểu và ứng dụng quá trình và chuẩn truyền thông RS-
485/Modbus RTU trong một hệ thống điều khiển tòa nhà.
4. Thiết kế chế tạo mạch phần cứng một số mô-đun điều khiển tòa nhà tại hiện trường:
¾ Mô-đun đo các thông số môi trường HVAC trong phòng và truyền dữ liệu. ¾ Mô-đun điều khiển chiếu sáng và truyền dữ liệu.
5. Phát triển các chương trình phần mềm nhúng trong các mô-đun kể trên.
6. Sử dụng phần mềm điều khiển trung tâm để kiểm tra tính xác thực của hệ thống. Kết quả cho thấy hệ đã điều khiển, điều hành được các hệ thống HVAC gồm cực đại 32 x 4 = 128 cảm biến phân tán trên 32 địa chỉ, điều khiển được 128 thiết bị chấp hành đặt phân tán tại các vị trí tại hiện trường.
Hệ đã cho phép điều khiển được 192 cụm chiếu sáng thuộc 32 địa chỉ theo
các chế độ: bằng tay, tự động, điều khiển từ xa. Qua một thời gian chạy thử kiểm nghiệm cho thấy hệ hoạt động tin cậy và thuận tiện trong sử dụng.
Thời gian tới, nếu có điều kiện, đề tài có thể phát triển thêm trong các phân hệ khác như điều khiển từ xa qua các mạng Internet, mạng điện thoại di động, mạng không dây hay mạng điện lực. Việc ứng dụng thêm này chắc sẽ không gặp phải những vấn đề quá khó khăn trong truyền thông vì vẫn dựa trên các cơ sở của các vi xử lý 16 bit dsPIC.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. “BMS – Hệ thống quản lý tòa nhà”, http://minh.forumotion.com/forum-f13/topic- t109.htm
2. Lê Văn Doanh, Đặng Văn Đào, Lê Hải Hưng, Ngô Xuân Thành, Nguyễn Anh Tuấn (2008), Kỹ thuật chiếu sáng, tr.251-252, Nhà xuấn bản Khoa học và Kỹ
thuật.
3. Nguyễn Huy Mạnh, Ứng dụng PLC cho hệ thống khống chế điều khiển thang máy, tr. 34, http://www.ebook.edu.vn/?page=1.1&view=10998.
4. “Giới thiệu sơ lược về quản lý tòa nhà”, http://duyminhsoftware.7.forumer.com/v iewtopic.php?t=1615
5. Hồ Anh Thắng, Giải pháp tổng thể tối ưu hệ thống BMS tự động tòa nhà Việt Á sử dụng BMS của Siemens, tr. 2, 4, 7, TTNC & PT Tập đoàn Việt Á.
6. Trần Quang Vinh, Phạm Mạnh Thắng, Báo cáo chuyên đề phát triển hệ thống BMS trong đề tài cấp nhà nước KC.03.12/06-10, Tháng 1/2010.
7. Giáo trình Kỹ thuật điện lạnh. Trường kỹ thuật điện lạnh. Hà nội, 1999.
Tiếng Anh
8. ROGER W. HAINES, C. LEWIS WILSON (2004), HVAC Systems Design
Handbook, Available at: http://www.digitalengineeringlibrary.com
9. “Modbus_over_serial_line_V1”, Available at: http://www.modbus.org/docs/Mod bus_over_serial_line_V1.pdf
10. “Coltroller Area Network”, http://en.wikipedia.org/wiki/Canbus, http://www.spec ifications.nl/can/overview/can_UK_overview.php
11. “dsPIC30F6010 Data Sheet”, Microchip, Available at: www.microchip.com/dow nloads/en/devicedoc/70119d.pdf
12. 11. “CY8C27xxx Preliminary Data Sheet”, Cypress MicroSystems, Available at: www.fulcrum.ru/PDF/CYPRESS/CY8C27xxx.pdf
13. “HS1101 Data Sheet”, Humirel, Available at: http://www.datasheetsite.com/datas heet/HS1101
PHỤ LỤC
Mã nguồn module phần mềm truyền thông cho vi điều khiển PIC16F886
Phần triển khai trong MBmaPIC16.h: #include <PIC.h> // Header file of device #ifndef _MBMA16F_H_
#define _MBMA16F_H_
#define STATE_MB_IDLE 0x00//trang thai khoi tao
#define STATE_MB_INIT 0xFF//trang thai khoi tao
#define STATE_MB_RECEPTION 0x01 #define STATE_MB_ISERR 0x02