Đề tài Nghiên cứu xây dựng hệ thống tiết kiệm điện năng chiếu sáng ứng dụng mạng sensor không dây

Bé c«ng th−¬ng viÖn ®iÖn tö – tin häc b¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi kh&cn cÊp bé nghiªn cøu x©y dùng hÖ thèng tiÕt kiÖm ®iÖn n¨ng chiÕu s¸ng øng dông m¹ng sensor kh«ng d©y M· sè: 187. 08RD/H§-KHCN chñ nhiÖm ®Ò tµi: ths. TrÇn v¨n tuÊn 7171 17/3/2009 Hµ néi - 2008 KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH VÀ PTCN CẤP BỘ NĂM 2008 Đề tài: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG CHIẾU SÁNG ỨNG DỤNG MẠNG SENSOR KHÔNG DÂY Mã số: 187.08RD/HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: Ths. Trần Văn Tuấn Hà Nội-12.2008 BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA ----------o0o---------- KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH VÀ PTCN CẤP BỘ NĂM 2008 Đề tài: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG CHIẾU SÁNG ỨNG DỤNG MẠNG SENSOR KHÔNG DÂY Mã số: 187.08RD/HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: Ths. Trần Văn Tuấn Cán bộ tham gia: ThS. Trần Văn Tuấn KS. Tạ Văn Nam ThS. Nguyễn Tuấn Nam KS. Bùi Đức Thắng ThS. Phạm Thùy Dung Hà Nội 2008 BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA ----------o0o---------- ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 1 TÓM TẮT ĐỀ TÀI Mục tiêu của đề tài: Tạo ra một nền tảng phần cứng và phần mềm cho các mạng sensor kết hợp thiết bị chấp hành trong hệ thống quản lý điều khiển chiếu sáng Tình hình nghiên cứu trong nước: Ở Việt Nam, điện năng chiếu sáng chiếm một tỉ lệ lớn trong điện năng tiêu thụ. Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo các phần tử cũng như tích hợp hệ thống tiết kiệm điện chiếu sáng là rất cần thiết. Qua tìm hiểu chúng tôi nhận thấy, việc ứng dụng công nghệ điều khiển chiếu sáng đã được một số đơn vị ứng dụng thành công. Song dưới góc độ nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị dạng rời và tích hợp thành hệ thống thì chưa có đơn vị nào thực hiện Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài: Tiết kiệm điện năng, đặc biệt là điện năng chiếu sáng là một trong những vấn đề đang được toàn cầu quan tâm. Việc tiết kiệm điện năng được tập trung chủ yếu ở mức thiết bị và mức hệ thống. Các giải pháp điều khiển chiếu sáng đang được tích cực nghiên cứu và phát triển bao gồm hoàn thiện về công nghệ đèn chiếu sáng, công nghệ chấn lưu điện tử cho đến các mạng điều khiển chiếu sáng. Các mạng điều khiển chiếu sáng có thể sử dụng các bus truyền thông riêng như của GE, Honeywell, Lutron, … truyền trên đường dây điện hay mới đây hơn là truyền thông không dây. Một hệ thống điều khiển chiếu sáng bao gồm các phần tử sau: - Phần tử chấp hành (đèn, rơle, chấn lưu,…) có thể kết nối thành mạng - Bộ điều khiển - Phần mềm quản lý giám sát Phương pháp nghiên cứu: - Tập trung vào chế tạo các cụm thiết bị - Áp dụng các công nghệ mới nhất về truyền thông không dây, sensor không dây,… - Lựa chọn thích hợp các module phần cứng dạng OEM - Thiết kế và phản biện thiết kế Nội dung chính: - Nghiên cứu thiết kế chế tạo các nút sensor/actuator không dây cho hệ quản lý điều khiển chiếu sáng - Tạo dựng hệ firmware chuẩn cho mạng sensor/actuator không dây cho hệ quản lý điều khiển chiếu sáng - Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển tập trung cho hệ quản lý điều khiển chiếu sáng ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 2 - Nghiên cứu xây dựng giải pháp điều khiển chiếu sáng ứng dụng cho các phân xưởng sản xuất, tòa nhà … ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 3 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG MỚI NHẤT ..............................................................................................1 1.1 VAI TRÒ CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG GIẢI PHÁP CHIẾU SÁNG HIỆN ĐẠI Ở VIỆT NAM ................................................................................................................ 1 1.2 KHẢO SÁT CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG MỚI NHẤT........................................ 3 1.2.1 Các hệ điều khiển chiếu sáng mới nhất .....................................................................3 1.2.2 Cấu trúc của hệ điều khiển chiếu sáng dạng tập trung ..............................................6 1.2.3 Các phần tử chấp hành...............................................................................................7 1.2.4 Các sensor (cảm biến)................................................................................................8 1.2.5 Điều khiển chiếu sáng .............................................................................................10 1.3 TỔNG QUAN CÁC BUS GIAO TIẾP CHO MẠNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG......... 11 1.3.1 Mạng 1-wire ............................................................................................................13 1.3.2 Mạng MODBUS......................................................................................................13 1.3.3 ZIGBEE...................................................................................................................14 1.3.4 DALI........................................................................................................................16 1.4 MẠNG SENSOR KHÔNG DÂY VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG VÀO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG ................................................................................................................................. 19 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG..................................................................................................................21 2.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG .......................................................................................................... 21 2.2 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG DTC............................................ 26 2.3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO NÚT SENSOR/ACTUATOR KHÔNG DÂY mLCP-8................ 28 2.4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO NÚT TOUCHLIGHT (công tắc điều khiển dạng cảm ứng) .......... 30 2.5 THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC NÚT SENSOR.......................................................................... 31 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG..................................................................................................................33 3.1 CÔNG CỤ VÀ MÔI TRƯỜNG PHÁT TRIỂN..................................................................... 33 3.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG..................................................................................... 34 3.3 PHẦN MỀM TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY .................................................................. 38 3.3.1 Stack Zigbee ............................................................................................................38 3.3.2 Hệ điều hành hướng sự kiện (event driven scheduler) ............................................40 3.4 PHẦN MỀM ỨNG DỤNG CÁC NÚT.................................................................................... 42 3.5 PHẦN MỀM TRÊN BỘ ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG DTC ................................................ 45 3.5.1 Tổng quát phần mềm trên DTC...............................................................................45 3.5.2 Giao diện sử dụng trên DTC....................................................................................46 3.6 PHẦN MỀM CHO MẠNG SENSOR/ACTUATOR KHÔNG DÂY TRÊN mLCP-8........ 54 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC, GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG......................................................................................57 4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC............................................................................................................ 57 4.2 MỘT SỐ GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG .... 59 4.3 THỬ NGHIỆM ......................................................................................................................... 62 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 4 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN..................................................................................66 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................67 PHỤ LỤC...........................................................................................................69 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 5 MỤC LỤC CÁC HÌNH Hình 1: Điều khiển đóng cắt đơn giản........................................................................................4 Hình 2: Điều khiển chiếu sáng lập trình được (dạng panel đơn)...............................................4 Hình 3: Hệ thống chiếu sáng của DOUGLAS............................................................................5 Hình 4: Hệ thống chiếu sáng của Hubbell..................................................................................5 Hình 5: Mô hình một hệ điều khiển chiếu sáng.........................................................................6 Hình 6: Biến tử phát hiện người PIR.........................................................................................9 Hình 7: Sensor đo độ sáng..........................................................................................................9 Hình 8: Lưu đồ mạng IBECS sử dụng công nghệ 1-wire ........................................................13 Hình 9: Giao thức MODBUS tương ứng với lớp 7 của mô hình OSI......................................14 Hình 10: Kiến trúc phân lớp của ZigBee..................................................................................15 Hình 11: Mạng hình sao và mạng mắt lưới của ZigBee...........................................................16 Hình 12: Sơ đồ mạng DALI gồm chấn lưu và thiết bị điều khiển độ sáng ..............................17 Hình 13: Mô hình hệ thống điều khiển chiếu sáng của thiết kế ...............................................22 Hình 14: Các nút sẽ thiết kế......................................................................................................24 Hình 15: Sơ đồ một hệ thống mở rộng .....................................................................................25 Hình 16: Sơ đồ khối bộ DTC....................................................................................................27 Hình 17: Sơ khối module Wireless...........................................................................................27 Hình 18: Sơ đồ tổng quát của một panel điều khiển tại chỗ(Douglas).....................................28 Hình 19: Sơ đồ mạng các panel (Douglas)...............................................................................29 Hình 20: Sơ đồ khối của nút mLCP-8 ......................................................................................30 Hình 21: Sơ đồ khối của nút TouchLight .................................................................................31 Hình 22: Sensor phát hiện người ..............................................................................................31 Hình 23: Sơ đồ khối của nút sensor không dây........................................................................32 Hình 24: Mô hình của hệ thống................................................................................................34 Hình 25: Phần mềm master và slave ........................................................................................35 Hình 26: Mô hình master/slave ................................................................................................36 Hình 27: Mô hình phân lớp ISO-OSI .......................................................................................38 Hình 28: Một nút zigbee bao gồm phần cứng và phần mềm các phần mềm được phân theo từng lớp khác nhau ...................................................................................................................39 Hình 29: Chức năng các nút trong mạng Zigbee......................................................................39 Hình 30: Phân vai trò cho các nút trong mạng .........................................................................40 Hình 31: Gọi hàm đồng bộ và gọi hàm dị bộ ...........................................................................41 Hình 32: Chu trình thực hiện của chương trình........................................................................41 Hình 33: Các thành phần của TinyOS......................................................................................42 Hình 34: Endpoint trong Zigbee..............................................................................................42 Hình 35: Có thể gán các thiết bị cho các Endpoint .................................................................43 Hình 36: Bảng kết nối các phần tử ..........................................................................................43 Hình 37: Quy trình khởi tạo và gán các liên kết......................................................................44 Hình 38: Cấu trúc phần mềm trên DTC ...................................................................................45 Hình 39: Màn hình giao diện chính trên DTC..........................................................................47 Hình 40: Màn hình cài đặt lịch trình điều khiển.......................................................................47 Hình 41: Lưu đồ cài đặt lịch trình điều khiển...........................................................................48 Hình 42: Màn hình cài đặt nhóm..............................................................................................49 Hình 43: Lưu đồ cài đặt nhóm..................................................................................................49 Hình 44: Màn hình cài đặt đầu vào ..........................................................................................50 Hình 45: Lưu đồ thiết lập Switch Station .................................................................................50 Hình 46: Lưu đồ lập trình các sensor .......................................................................................51 Hình 47: Cài đặt hệ thống.........................................................................................................51 Hình 48: Lưu đồ cài đặt hệ thống .............................................................................................52 Hình 49: Cài đặt các chức năng................................................................................................53 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 6 Hình 50: Lưu đồ cài đặt một số chức năng...............................................................................54 Hình 51: Phần mềm khối quản lý trung tâm trên mLPC-8.......................................................55 Hình 52: Máy trạng thái giao diện của mLPC-8 ......................................................................56 Hình 53: Hộp DTC ...................................................................................................................57 Hình 54: Bên trong hộp DTC ...................................................................................................57 Hình 55: Hộp mLCP-8 .............................................................................................................58 Hình 56: Bo mạch Relay Scanner 1 (mạch của mLCP-8)........................................................58 Hình 57: Bo mạch Relay Scanner 2 (mạch của mLCP-8)........................................................58 Hình 58: Nút công tắc cảm ứng TouchLight ............................................................................59 Hình 59: Các sensor không dây................................................................................................59 Hình 60: αPanel ........................................................................................................................64 Hình 61: βPanel ........................................................................................................................65 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 7 MỤC LỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Ước lượng tỉ lệ năng lượng tiết kiệm được khi dùng cảm biến phát hiện người ..........9 Bảng 2: Bảng tổng hợp hiệu quả sử dụng điều khiển chiếu sáng.............................................11 Bảng 3: Bảng tổng hợp giao thức của một số hệ chiếu sáng thương mại (hữu tuyến).............12 Bảng 4: So sánh giữa các chuẩn RF .........................................................................................15 Bảng 5: Những đặc tính chính của mạng Dali..........................................................................17 Bảng 6: So sánh một số mạng truyên thông .............................................................................18 Bảng 7: Bảng phân chia chức năng cho các nút .......................................................................23 Bảng 8: Bảng tổng hợp phần mềm ...........................................................................................37 Bảng 9: Bảng các cấu trúc các logic điều khiển của hệ thống..................................................46 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 1 CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG MỚI NHẤT 1.1 VAI TRÒ CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG GIẢI PHÁP CHIẾU SÁNG HIỆN ĐẠI Ở VIỆT NAM Theo số liệu thống kê, với dân số 85 triệu người, cả nước ta đang sử dụng khoảng 55 đến 60 triệu bóng đèn trong chiếu sáng dân dụng. Lượng thiết bị chiếu sáng khổng lồ này cộng với hệ thống chiếu sáng công cộng khắp trên cả nước tiêu thụ khoảng 20 - 25% tổng công suất của các nhà máy phát điện và có chiều hướng gia tăng khoảng 10 - 15% hàng năm. Trong khi đó, hiện nay ngành điện Việt Nam chưa cung cấp đủ nhu cầu sử dụng của xã hội và vẫn phải nhập khẩu điện từ Trung Quốc. Tập đoàn điện lực Việt Nam luôn phải khắc phục sự thiếu hụt điện năng bằng cách cắt điện luân phiên cũng như yêu cầu các hộ tiêu thụ sử dụng điện tiết kiệm. Trước thự tế đó, vấn đề tiết kiệm điện trong chiếu sáng đã trở nên hết sức cấp thiết và đóng vai trò rất quan trọng trong việc sử dụng và khai thác hợp lý các tài nguyên thiên nhiên của đất nước, góp phần bảo vệ môi trường. Để giảm bớt năng lượng điện trong chiếu sáng, cần một giải pháp tổng thể từ khâu sản xuất và cung ứng các thiết bị chiếu sáng, đến các biện pháp khoa học trong tiêu dùng, đồng thời giáo dục ý thức tiết kiệm trong cộng đồng... Trong các vấn đề trên, việc nâng cao chất lượng và hiệu quả chiếu sáng và sử dụng nguồn điện năng một cách hợp lý, tiết kiệm, tránh lãng phí là vấn đề quan trọng nhất và mang tính cấp thiết. Để thực hiện triệt để việc tiết kiệm điện trong chiếu sáng, ta cần thiết phải thực hiện đồng bộ 3 yếu tố: · Sử dụng các loại bóng đèn có hiệu suất chiếu sáng cao để tiết kiệm điện. Các loại ánh sáng tạo ra từ bóng đèn phải thích hợp, đúng nhu cầu sử dụng. Phương pháp hiệu quả nhất là thay thế sử dụng bóng đèn sợi đốt, tiêu thụ nhiều điện năng sang sử dụng bóng đèn huỳnh quang compact có tính năng tiết kiệm điện 80% và độ bền hơn 6 lần so với bóng đèn sợi đốt hoặc sử dụng nhiều chủng loại đèn huỳnh quang có hiệu suất chiếu sáng cao. Các sản phẩm bóng đèn tiết kiệm điện có màu sắc phù hợp với thị lực của mắt. · Hệ thống chiếu sáng phải phân bổ các điểm sáng đồng đều, bảo đảm trên bề mặt phẳng làm việc một độ rọi đồng đều và đạt tối thiểu từ 300 lux trở lên. Để đạt được điều này, việc sử dụng một hệ thống máng đèn, chao chụp hợp lý góp phần phân bổ lại độ sáng trong phòng. Nhưng để đạt được mục đích điều chỉnh độ sáng theo mục đích sử dụng, theo yêu cầu chiếu sáng như độ sáng cần thiết trong phòng học, phòng làm việc sẽ khác với độ sáng tại các hành lang, tiền sảnh, sân vườn, ta cần có một hệ thống điều khiển chiếu sáng sử dụng một hệ ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 2 thống các sensor đo độ sáng, các bộ điều chỉnh độ sáng (dimmer) đảm bảo môi trường lao động an toàn, tiết kiệm. · Cuối cùng là nguồn sáng của bóng đèn cần được sử dụng đúng mục đích, đúng thời điểm, đúng nhu cầu như chỉ chiếu sáng khi có người sử dụng, tránh lãng phí, hạn chế các trường hợp hao phí điện năng do người sử dụng quên tắt đèn,… Do đó, các tòa nhà nên sử dụng một hệ thống điều khiển chiếu (tắt/mở điều khiển độ sáng) cho phép người dùng đặt các chế độ hoạt động theo từng nhu cầu sử dụng một cách tự động, giúp giảm thiểu lãng phí điện năng trong sử dụng. Hệ thống điều khiển chiếu sáng có thể là công tắc điều khiển được định giờ có thể tự động tắt/mở nguồn sáng hoặc chủ động tắt/mở theo từng nhu cầu sử dụng như trong quảng cáo, phân xưởng sản xuất vào lúc cao điểm, có thể hoạt động sử dụng các sensor phát hiện người, vừa tiết kiệm vừa mang lại nhiều tiện lợi cho người sử dụng. Hiện nay ở một số doanh nghiệp có ý thức cao trong tiết kiệm điện năng để giảm chi phí, việc ứng dụng các giải pháp, hệ thống chiếu sáng rất linh hoạt, hiệu quả theo nhu cầu của sản xuất (giờ cao điểm thì nguồn sáng hoạt động 100% công suất, hết ca thì hệ thống chiếu sáng được phân vùng cắt cục bộ nhằm tiết kiệm điện). Hệ thống chiếu sáng công cộng ở những quốc gia phát triển luôn ứng dụng giải pháp điều khiển chiếu sáng được tự động tắt, mở theo mùa, theo mật độ lưu thông trên đường,… Như vậy, tiết kiệm điện năng trong chiếu sáng cần được cụ thể hóa từ ý thức tiết kiệm điện năng đến việc đầu tư, ứng dụng những giải pháp chiếu sáng đồng bộ không đòi hỏi tính phức tạp và tốn nhiều chi phí. Trong giải pháp tổng thể trên, thành phần đóng vai trò quan trọng, quyết định mức độ tiết kiệm, hiệu quả, quyết định tính tiện lợi của hệ thống chiếu sáng chính là hệ thống điều khiển chiếu sáng trong tòa nhà. Với mục tiêu tiết kiệm điện năng, tránh lãng phí và tận dụng những công nghệ mới, kỹ thuật điều khiển tiên tiến, hệ thống điều khiển tự động việc sử dụng điện đang là một giải pháp vừa tiết kiệm điện tối ưu vừa đem lại nhiều lợi ích cho người sử dụng. Các ưu điểm của hệ thống điều khiển chiếu sáng: Các nghiên cứu về ứng dụng các hệ thống chiếu sáng trong tòa nhà cho thấy, so với các hệ chiếu sáng truyền thống chỉ sử dụng điều khiển bằng tay và mức độ tiết kiệm chỉ phụ thuộc vào ý thức của người sử dụng, không điều chỉnh được cường độ sáng của bóng đèn trong các bối cảnh khác nhau, giải pháp sử dụng chiếu sáng chuyên nghiệp, sử dụng hệ thống điều khiển chiếu sáng với các sensor chuyên dụng tỏ ra hơn hẳn, với các ưu điểm đáng quan tâm như sau: · Tiết kiệm được năng lượng do sử dụng các sensor phát hiện người, và các bộ điều chỉnh độ sáng, hạn chế lãng phí do việc quên tắt đèn, do sử dụng nguồn sáng không đúng mục đích, không đúng nhu cầu chiếu sáng. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 3 · Giảm tối thiểu nhu cầu tiêu thụ điện · Tối đa hóa tính năng và hiệu quả sử dụng các thiết bị chiếu sáng · Đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng một cách độc lập trong các bối cảnh khác nhau. · Góp phần nâng cao năng suất lao động, sức khỏe, thị lực của người khi sinh hoạt. · Cải thiện môi trường làm việc, tạo ra một môi trường chiếu sáng tiện nghi và thân thiện với môi trường (giảm lượng khí CO2 thải ra môi trường, góp phần bảo vệ môi trường). Các hệ thống điều khiển chiếu sáng luôn cung cấp đầy đủ các tính năng điều khiển tự động hoặc bằng tay hoặc kết hợp cả hai kiểu điều khiển giúp người sử dụng có thể tạo ra một môi trường chiếu sáng theo nhu cầu của mình. Với các ưu điểm và lợi ích này, giải pháp sử dụng các hệ điều khiển chiếu sáng đang dần thay thế các hệ thống chiếu sáng truyền thống, trở thành sự lựa chọn số một cho các tòa nhà, công sở, trường học, các khu vui chơi công cộng và các hộ gia đình. 1.2 KHẢO SÁT CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG MỚI NHẤT 1.2.1 Các hệ điều khiển chiếu sáng mới nhất Các hệ điều khiển chiếu sáng có thể được phân ra làm các loại: điều khiển tại chỗ, điều khiển tập trung và điều khiển hai chiều. Điều khiển tại chỗ cho phép người sử dụng điều khiển mức độ sáng tại khu vực của mình. Điều khiển tập trung bật tắt đèn trong một khu vực rộng lớn như một tòa nhà, một tầng hoặc một khu vực ngoài trời,…Các trạng thái của đèn là không xác định. Đối với điều khiển 2 chiều các chấn lưu (ballast) sẽ gửi và nhận các thông tin về trạng thái của mình tới bộ điều khiển trung tâm (có thể là máy tính). Để đưa ra thiết kế tối ưu của hệ điều khiển chiếu sáng, chúng tôi đã tiến hành khảo sát, tìm hiểu một số hệ thống chiếu sáng hiện đại hiện nay của DOUGLAS, LINET, Z-WAVE. … DOUGLAS cung cấp các hệ điều khiển cho phép điều khiển đóng ngắt tự động các rơle theo lịch trình thời gian, theo giờ thiên văn học (dựa vào thời gian mặt trời mặt, mặt trời mọc) theo độ sáng. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 4 Hình 1: Điều khiển đóng cắt đơn giản Các phụ tải chiếu sáng có thể đóng ngắt bằng một switch, switch có thể là một công tắc gắn tường, một rơle, một đồng hồ thời gian (lịch trình), một sensor phát hiện người ,… Hình 2: Điều khiển chiếu sáng lập trình được (dạng panel đơn) Các bộ Relay Scanners được sử dụng để điều khiển các nhóm rơle lập trình được, các sensor trong hệ thống đo các điều kiện môi trường như độ sáng, nhiệt độ, phát hiện người. Các bóng đèn có thể được điều khiển bằng công tắc tại chỗ hoặc bằng công tắc điều khiển từ xa. Một hệ thống chiếu sáng có thể gồm 1 panel hoặc nhiều panel cùng kết nối với máy tính thông qua các đường tuyền tín hiệu số. Dưới đây là mô hình của hệ thống điều khiển chiếu sáng của DOUGLAS : ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 5 Hình 3: Hệ thống chiếu sáng của DOUGLAS Hubbell cung cấp một hệ điều khiển chiếu sáng đơn giản và sử dụng các công nghệ tiên tiến, với một bộ điều khiển sử dụng màn hình điều khiển cảm ứng, thân thiện, dễ sử dụng. Hệ thống cung cấp sẵn nhiều lịch trình cho phép người sử dụng có thể soạn thảo theo mục đích sử dụng. Hệ thống cũng có thể hoạt động theo đồng hồ thiên văn hỗ trợ cho việc lập trình thời gian mặt trời mọc, mặt trời lặn. Các rơle được phân bố trên các panel khu vực kết nối với từng thiết bị hoặc một nhóm các thiết bị chiếu sáng. Trạng thái của các rơle trong hệ thống được quan sát thông qua các đèn LED trạng thái. Dưới đây là mô hình một hệ chiếu sáng của Hubbell. ZONE 1 ZONE 2 ZONE 3 load 1 load 2 load 3 load 4 load 7 load 8 load 9 load 5 load 6 ZONE 1 ZONE 2 ZONE 3 load 1 load 2 load 3 load 4 load 7 load 8 load 9 load 5 load 6 PANEL No.1 PANEL No.2 Breaker Panel Breaker Panel (Switch Stations) Hình 4: Hệ thống chiếu sáng của Hubbell ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 6 1.2.2 Cấu trúc của hệ điều khiển chiếu sáng dạng tập trung Qua khảo sát, chúng ta thấy các hệ điều khiển chiếu sáng bao gồm các phần tử: Bộ điều khiển trung tâm, bộ điều khiển khu vực (tại chỗ), các thiết bị kết nối giữa bộ điều khiển khu vực với bộ điều khiển trung tâm, các phần tử chấp hành, các sensor, các công tắc điều khiển được, các công tắc bật tắt bằng tay, … Tùy vào từng yêu cầu cụ thể mà ta có thể sử dụng các phần tử khác nhau. Dưới đây là mô hình một hệ thống điều khiển chiếu sáng điển hình. Hình 5: Mô hình một hệ điều khiển chiếu sáng Dưới đây, chúng tôi sẽ giới thiệu chi tiết các phần tử thông dụng trong hệ thống điều khiển chiếu sáng. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 7 1.2.3 Các phần tử chấp hành Các phần tử chấp hành gồm các bóng đèn, các các bộ điều chỉnh độ sáng (loại triac, transistor ) a) Nguồn sáng. Có rất nhiều kiểu nguồn sáng khác nhau, hầu hết có thể chia ra làm 3 loại chính: huỳnh quang, sợi đốt và nguồn sáng cường độ cao (HID). Hiệu suất cực đại trên lý thuyết (đối với ánh sáng trắng) là 200l/w (lumens trên Watt), cao gấp đôi so với hiệu suất của những nguồn sáng hiện đang sử dụng. Đèn huỳnh quang Hầu hết nguồn sáng trên các tòa nhà, bao gồm cả những phòng thí nghiệm tốt nhất đều dùng nguồn sáng huỳnh quang. Các đèn kiểu T-8 có hiệu suất lớn hơn 40% so với các đèn kiểu T-12. Hiệu suất chiếu sáng có thể tăng lên nếu dùng các gương phản xạ và bố trí làm lệch ánh sáng phát ra từ các ống huỳnh quang trong phòng. Các gương phản xạ cho phép ta giảm bớt một nửa số nguồn sáng trong phòng, do đó giảm một nửa chi phí về điện. Tuổi thọ của một bóng đèn huỳnh quang cỡ khoảng 10000 giờ. Đèn sợi đốt Các đèn sợi đốt là nguồn sáng chủ yếu cho các hộ dân cư. Chúng tạo ra ánh sáng nhờ các điện tử chạy qua các dây tóc đèn, các dây này làm bằng tungsten, làm cho các nguyên tử này chuyển động tới các điểm của nguồn phát sáng, làm nóng dây tóc đèn lên tới 5000K. Trong bóng đèn chứa không khí với nitro và argon ở áp suất thấp để bảo vệ dây tóc đèn. b) Chấn lưu có thể điều chỉnh độ sáng. Có hai loại chấn lưu điều chỉnh độ sáng phổ biến nhất: một là digital dimmer (điều chỉnh độ sáng số), hai là analog dimmer (điều chỉnh độ sáng tương tự). Các chấn lưu điều khiển độ sáng loại analog gồm các thành phần thực thi các chức năng sau: lọc nhiễu điện từ, điều chỉnh hệ số công suất và điều chỉnh lối ra nuôi tải. Có một vài loại chấn lưu analog như 0-10VDC, điều khiển hai pha, điều khiển ba pha và hồng ngoại không dây, trong đó loại 0-10VDC là loại thông dụng nhất. Loại chấn lưu số gồm các thành phần thực thi các chức năng: lọc nhiễu điện từ, chỉnh lưu, điều chỉnh hệ số công suất, thực thi chức năng vi điều khiển, điều chỉnh lối ra nuôi tải. Chức năng vi điều khiển gồm lưu trữ, nhận và gửi thông tin số. Vi điều khiển lưu địa chỉ ballast, nhận tín hiệu điều khiển và gửi thông tin trạng thái. Các hệ điều khiển độ sáng loại analog đã trở nên thông dụng trong khi các hệ điều chỉnh độ sáng loại số còn tương đối mới trong công nhiệp. Cả hai đều cung cấp ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 8 các chức năng cần thiết để điều khiển tải lối ra dựa trên tín hiệu lối vào từ thiết bị điều khiển. 1.2.4 Các sensor (cảm biến) a) Sensor phát hiện người (cảm biến chiếm chỗ) Các loại sensor phát hiện người khác nhau có độ nhạy và tác động nhanh khác nhau. Hầu hết các sensor này dùng cảm biến siêu âm hoặc hồng ngoại để bật và tắt ánh sáng dựa trên sự xuất hiện của người sử dụng. Các sensor hồng ngoại thụ động phát hiện chuyển động của ánh sáng hồng ngoại phát ra từ người. Các sensor này có giá thành vừa phải và đáng tin cậy khi có người xuất hiện trong tầm quan sát của sensor, nhưng nó không quan sát được chuyển động gần và xung quanh các góc. Sensor siêu âm phát và nhận sóng âm. Nếu có một chuyển động sẽ làm thay đổi tần số sóng âm và sensor sẽ phát hiện được chuyển động này. Sensor siêu âm có thể phát hiện được chuyển động không nằm trên đường quan sát của chúng nhưng giá thành đắt hơn và có thể nhạy với các tác động sai. Ngoài ra cũng có nhiều loại sensor dùng microwave và sensor âm thanh nhưng các sensor này không hiệu quả khi dùng cho điều khiển chiếu sáng. Các sensor ‘lai’ (kết hợp giữa kỹ thuật hồng ngoại và siêu âm) là đáng tin cậy nhất vì chúng khá chính xác và phù hợp với các phòng có hình dáng phức tạp. Cả hai loại cảm biến dùng hồng ngoại và siêu âm đều có thể gắn trên tường hoặc trên trần nhà với các góc cảm nhận khác nhau. Để tránh nhận tín hiệu giả hoặc bỏ qua tín hiệu đối với loại gắn trên trần việc xác định góc cảm nhận là rất quan trọng. Thí dụ cảm biến gắn ở hành lang chỉ nên hướng góc cảm nhận hẹp chứ không hướng vào các phòng làm việc, nhưng nếu gắn ở hội trường thì phải hướng sao cho bắt được tín hiệu từ mọi chỗ. Thông thường lỗi của bộ điều khiển dùng cảm biến phát hiện người là không bao quát hết được không gian mong muốn (do ít cảm biến, hoặc do các cột, các khối chắn tín hiệu) hoặc không đủ độ nhậy cho mọi ứng dụng. Tại các nơi nguy hiểm như tủ điện tốt hơn hết là không sử dụng cảm biến phát hiện người. Lý do là tại những nơi này số lượng người thay đổi rất ít khiến hiệu quả của hệ điều khiển là rất thấp. Cảm biến phát hiện người có hiệu quả rõ rệt khi sử dụng tại các khu vực thương mại, hành chính, công nghiệp như các công sở kín, các kho, các phòng họp, văn phòng, hành lang, nơi giải lao, phòng nghỉ, vùng quanh cầu thang, phòng học, phòng hội thảo, những khu vực không mái che của công sở, phòng ăn trưa, … ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 9 Không gian Ước lượng của EPA Ước lượng của EPRI Nhà riêng 13-50% 25% Lớp học 40-46% - Hội trường 22-65% 35% Phòng nghỉ 30-90% 40% Hành lang 30-80% - Nhà kho 45-80% - Phòng khách của khách sạn - 65% Bảng 1: Ước lượng tỉ lệ năng lượng tiết kiệm được khi dùng cảm biến phát hiện người Hình 6: Biến tử phát hiện người PIR b) Sensor đo độ sáng Sensor đo độ sáng: có hai loại: sensor đo độ rọi và đo độ chói. Các sensor này đều cho phép điều chỉnh được gồm độ nhạy, đặt các ngưỡng tác động. Hình 7: Sensor đo độ sáng Các sensor cảm biến ánh sáng có khả năng phát hiện được các bức xạ quang học là các tia hồng ngoại và cực tím, không bị ảnh hưởng của ánh sáng khả kiến và các loại bức xạ quang học khác và không bị ảnh hưởng bởi các hoạt động trong phòng. Các sensor đo độ rọi thường sử dụng để đo mức sáng trong một diện tích lớn như phòng làm việc, khu sân vường, các khu vui chơi công cộng. Cảm biến ánh sáng tự động đo độ rọi, nếu độ rọi lớn hơn độ rọi định mức (độ rọi định mức có thể điều chỉnh định trước) thì đèn sẽ tắt (cắt mạch điện), nếu độ rọi nhỏ hơn độ rọi định mức thì đèn được duy trì. Ví dụ sử dụng cảm biến này cho đèn bảo vệ khu vực sân vườn, trời tối đèn sẽ tự động bật sáng, trời sáng sẽ tự động tắt. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 10 Loại sensor đo độ chói ít thông dụng hơn sensor đo độ rọi, sensor này cảm biến ánh sáng theo các hướng riêng và trên một diện tích chiếu sáng nhỏ. Chúng được dùng để đo độ sáng từ một khoảng cách xa, như đo độ rọi trên bàn từ một sensor trên trần nhà. Khi xây dựng một hệ điều khiển chiếu sáng, người ta thường dùng sensor cảm biến ánh sáng loại đo độ rọi sáng. 1.2.5 Điều khiển chiếu sáng Có nhiều phương án điều khiển chiếu sáng. Hai phương án hay được sử dụng nhất đó là: a) Điều khiển bằng tay Người sử dụng thực hiện bật/tắt ánh sáng thông các công tắc, có thể là công tắc gắn tường hoặc công tắc điều khiển từ xa. b) Điều khiển tự động Các kiểu điều khiển chiếu sáng tự động thông dụng như: Điều khiển thời gian chiếu sáng, điều khiển độ chiếu sáng, điều khiển sử dụng sensor phát hiện người. · Điều khiển thời gian chiếu sáng: kiểu điều khiển này cho phép người sử dụng bặt tắt đèn theo các lịch trình đặt trước. Loại điều khiển này hiệu quả những nơi có người xuất hiện theo có tính chu kỳ như các trường học, các trung tâm thương mại, cửa hàng, siêu thị, … cho phép bật đèn và tắt đèn theo giờ hoạt động của tòa nhà. · Điều khiển chiếu sáng sử dụng sensor phát hiện người: kiểu điều khiển chiếu sáng này được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ chiếu sáng tự động. Quá trình điều khiển sẽ tắt hệ thống ánh sáng khi không gian không có người sử dụng. Một thử nghiệm đã chỉ ra rằng việc thay thế các công tắc điều khiển ánh sáng bằng các sensor đã tiết kiệm được 26% công suất điện tiêu thụ. Điều khiển chiếu sáng làm giảm công suất tiêu thụ không phải bởi chúng làm ánh sáng trở nên hiệu quả hơn mà bởi chúng làm giảm thời gian và cường độ sáng sử dụng. Hệ thống điều khiển chiếu sáng dựa trên sensor phát hiện người có giá thành phù hợp và thể hiện tính kinh tế sau từ 1 đến 3 năm sử dụng. · Điều khiển độ sáng: kiểu điều khiển này cho phép bật, tắt đèn, điều khiển độ chiếu sáng của bóng đèn phụ thuộc vào mức độ cần được chiếu sáng trong phòng. Nó thường được dùng ở những nơi có thể tận dụng được ánh sáng ban ngày, hoặc những nơi đòi hỏi độ sáng đồng đều hoặc cần tạo ra các hiệu ứng chiếu sáng đặc biệt. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 11 Trong các hệ điều khiển chiếu sáng, điện năng được tiết kiệm chủ yếu thông qua phương pháp điều chỉnh và điều khiển nhằm tiết giảm việc chiếu sáng không cần thiết. Dưới đây là một số ứng dụng của các kiểu điều khiển chiếu sáng trong các địa điểm khác nhau và hiệu quả của các ứng dụng này: Kiểu điều khiển Văn phòng riêng Hành lang Tiền sảnh Phòng làm việc tập trung Phòng học Các TT thương mại Chỉ sử dụng sensor phát hiện người ++ + + + ++ Điều khiển theo lịch trình thời gian ++ + + ++ ++ ++ Điều khiển theo độ chiếu sáng ++ + ++ ++ ++ Bật tắt bằng tay + + + + + Phối hợp bật tắt bằng tay, lịch trình và sensor phát hiện người ++ ++ ++ ++ + + Trong đó ( ++) hiệu quả cao, (+) có hiệu quả, ( ) không hiệu quả Bảng 2: Bảng tổng hợp hiệu quả sử dụng điều khiển chiếu sáng 1.3 TỔNG QUAN CÁC BUS GIAO TIẾP CHO MẠNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG Hệ thống điều khiển chiếu sáng có thể là các hệ thống độc lập hoặc các hệ thống tích hợp trong tòa nhà, báo cáo này sẽ tìm hiểu và đánh giá các chuẩn giao tiếp (đã và đang xuất hiện) cho các mạng sensor và các bộ điều khiển chuyên cho các hệ thống điều khiển chiếu sáng. Trước những năm 90, phần lớn các giao thức trong các hệ tự động hóa tòa nhà nói chung và các điều khiển chiếu sáng nói riêng đều dựa trên các giao thức có bản quyền của các nhà sản xuất. Thậm chí hiện nay, một số công ty có tên tuổi vẫn sử dụng các giao thức riêng của mình như: JCI (N2-Metisys), Honeywell, Lutron, GE, PCI. Trong các hệ thống tự động hóa tòa nhà LON works và Bacnet được hỗ trợ nhiều nhất từ các nhà sản xuất thiết bị chiếu sáng. Có rất nhiều các module chuyển đổi giao thức và các thiết bị trực tiếp hỗ trợ các giao thức này. Tiếp theo là các giao thức có bản quyền của Johnson Controls, Honeywell và Modicon. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 12 Trong vài năm gần đây Ethernet đã và đang nổi lên như một giao thức thay thế trong hệ tự động hóa tích hợp tòa nhà. Dưới đây là một số khảo sát các giao thức hỗ trợ của một số công ty sản xuất thiết bị chiếu sáng. STT Tên Công ty Giao thức 1 ABB Control Inc. Custom, BACnet, Modicon and LON 2 Advance Transformer 0-10VDC, 2-wire 3 Advanced Control Technologies Inc LonWorks Independent Developer 4 Agilent Technologies LAN/WAN Ethernet 5 Alerton Technologies, Inc. BACnet, Modbus, Ethernet 6 Automated Logic Corporation Supports all major communication protocols including BACnet, LONworks, MODbus and SNMP. 7 Delta Controls Inc BACnet and ORCAview 8 Douglas Lighting Controls Inc LonWorks 9 Elk Products Inc RS232, RS485, SIMPLE 10 GE Industrial Systems Ethernet, MODbus, RS485/232, LONworks 11 Honeywell RS232, ARCnet, Ethernet, BACNet, Modbus, Allen Bradley Data Highway, Modbus plus, and a wide variety of other common protocols are available. 12 Hubbell and Hubbell Lighting 0-10VDC, 2-wire 13 LEAX Lighting controls LONworks, DMX512, RS232, Analogue Input, Volt free, 2wire, DALI, 0-10VDC, DSI 14 Leviton (LON products group) 0-10VDC, DMX512, LONworks, BACnet 15 MagneTek Lighting Products Group 0-10VDC, DMX 512, DALI 16 SensorSwitch Inc 1-10VDC 17 Siemens Building Technologies Ltd BACnet, MODbus, LONworks, DMX 512 18 Smart America Ethernet 19 Touch-Plate Lighting Controls BACnet 20 IBECS 1-wire Bảng 3: Bảng tổng hợp giao thức của một số hệ chiếu sáng thương mại (hữu tuyến) Xu hướng hiện nay của các nhà sản xuất thiết bị là kết hợp giữa giao thức mở và giao thức có bản quyền. Các hệ chiếu sáng có thể sử dụng giao thức riêng song song với việc sử dụng các bộ chuyển đổi sang các giao thức mở để kết hợp với hệ tự động hóa tòa nhà. Dưới đây chúng tôi xin đề cập tời 4 giao thức mở đối với hệ điều khiển chiếu sáng đó là: 1-wire, DALI, MODBUS và Zigbee và các đánh giá so sánh chủ yếu dựa trên đặc điểm sau: ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 13 - Chiều và tốc độ mạng - Kiểm soát lỗi - Hệ số trễ (latency) - Điện áp suy giảm trên đường truyền cho phép - Cấu hình mạng - Sự phân cực 1.3.1 Mạng 1-wire Mạng 1-wire network ban đầu được phát triển bởi hãng Dallas Semiconductor (hiện nay là Maxim) cho mạng tòa nhà, các thiết bị giá thành hạ có thể truyền thông với máy tính PC hoặc vi điều khiển. Có lúc được gọi là mạng MicroLAN. Đặc điểm của mạng này là việc thực hiện truyền thông được thực hiện trên một dây (thực tế cáp truyền là một cáp đồng trục, trong đó có một dây đất) Maxim bán bộ các chip cho phép khách hàng có thể xây dựng các nút khác nhau tùy theo yêu cầu sử dụng. Các chip này có giá thành hạ và cho phép thiết kế với các kiểu nút nhất định. Nhiều tổ chức trong đó có Berkeley Lab đã đi theo công nghệ 1-wire và kết hợp nó với các cấu trúc của họ như IBECS. Dưới đây là lưu đồ của mạng IBECS tận dụng công nghệ 1-wire. Hình 8: Lưu đồ mạng IBECS sử dụng công nghệ 1-wire 1.3.2 Mạng MODBUS Giao thức MODBUS là một cấu trúc thư tín được phát triển bởi Modicon năm 1979, được xây dựng để truyền thông giữa master-slave/client-server giữa các thiết bị thông minh. Đây là một giao thức lâu đời nhất và được dùng phổ biến nhất trong lĩnh vực tự động hóa trong công nghiệp, được dùng bởi hàng nghìn công ty với hàng triệu nút trên khắp thế giới. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 14 Giao thức MODBUS tương ứng với lớp 7 của mô hình OSI, nó cung cấp truyền thông client/server giữa các thiết bị được kết nối trên các kiểu mạng và bus khác nhau. Truyền thông MOBUS được thực hiện thông qua: - TCP/IP trên Ethernet - Truyền thông không đồng bộ thông qua EIA/TIA-232-E, EIA-422, EIA/TIA- 485-A, sóng radio,… - MODBUS PLUS, mạng truyền thông tốc độ cao Hình 9: Giao thức MODBUS tương ứng với lớp 7 của mô hình OSI 1.3.3 ZIGBEE ZigBee là một tổ chức thương mại bao gồm hơn 100 công ty. ZigBee đã từng được biết đến như PURLnet, RF-Lite, Firefly và HomeRF Lite. Mục tiêu của ZigBee là phát triển một giao thức truyền thông RF giá thành hạ, tốc độ dữ liệu thấp, tiêu thụ ít năng lượng dùng cho nhiều ứng dụng bao gồm: - Tự động hóa tòa nhà - Chăm sóc sức khỏe - Điều khiển công nghiệp - Điện tử dân dụng - Máy tính và ngoại vi ZigBee và chuẩn IEEE 802.15.4 đôi lúc có thể dùng chung được, nhưng thực chất chuẩn IEEE 802.15.4 là một chuẩn bao trùm các lớp vật lý RF và lớp MAC của giao thức trong khi ZigBee liên quan đến các lớp giao thức phía trên của mức MAC. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 15 Hình 10: Kiến trúc phân lớp của ZigBee Bảng sau đây chỉ ra sự so sánh giữa các chuẩn RF khác nhau được dùng: Đặc điểm IEEE 802.11b Bluetooth Zigbee Mức độ tiêu hao điện Tính theo giờ Tính theo ngày Tính theo năm Độ phức tạp Rất phức tạp Phức tạp Đơn giản Số nút/ master 32 7 64000 Độ trễ 3 giây 10 giây 30 ms Phạm vi 100 m 10m 70m-300m Khả năng mở rộng Có thể Roaming không có Tốc độ dữ liệu 11Mbps 1Mbps 250Kbps Bảo mật Authentication Service 64 bit, 128 bit 128 bit AES Bảng 4: So sánh giữa các chuẩn RF Giao thức ZigBee Giao thức ZigBee được xây dựng phía trên lớp MAC của chuẩn 802.15.4. Nó cung cấp các giao diện lớp ứng dụng, định tuyến và được tối ưu cho các ứng dụng yêu cầu giới hạn về thời gian. Giao thức ZigBee có các đặc tính sau: - 65,536 nút mạng (client) - Thời gian kết nối mạng: 30 ms - Có thể chuyển từ chế độ sleeping slave sang chế độ active trong khoảng thời gian 15 ms. - Thời gian truy nhập kênh slave tích cực: 15 ms ZigBee cung cấp cả mạng mắt lưới và mạng hình sao: ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 16 Hình 11: Mạng hình sao và mạng mắt lưới của ZigBee 1.3.4 DALI DALI là chữ viết tắt của Digital Addressable Lighting Interface. DALI tập trung chủ yếu vào lĩnh vực chiếu sáng. Nó dựa trên chuẩn kỹ thuật IEC 60929. Với việc dùng DALI, các sản phẩm của các công ty khác nhau có thể được kết nối và cùng hoạt động. Chuẩn DALI bao gồm khả năng địa chỉ hóa, ví dụ các bộ chấn lưu điện (chấn lưu) có thể được điều khiển riêng rẽ khi cần. Các bộ chấn lưu điện này được nối với bus điều khiển điện áp thấp 1-10VDC và có thể được điều khiển đồng thời. Một điểm mạnh khác của chuẩn DALI là có thể truyền trạng thái của các bộ chấn lưu điện trở lại nơi điều khiển. Điều này đặc biệt có ích khi việc cài đặt được mở rộng tại nơi các thiết bị chiếu sáng được phân bố trong không gian rộng. Các thiết bị DALI bao gồm các bộ chấn lưu HF huỳnh quang, các bộ chuyển đổi điện áp thấp, các thiết bị phát hiện chuyển động, công tắc tường và các cổng vào các giao thức khác. Một mạng DALI có thể lên tới 64 thiết bị. Những nơi yêu cầu nhiều hơn 64 thiết bị được thực hiện bằng cách sử dụng kết hợp nhiều mạng DALI riêng rẽ. Các mạng riêng rẽ này kết nối với nhau thông qua các cổng và một xương sống dữ liệu hoạt động trên giao thức mức cao như DyNet của Dynalite. Bảng sau đây liệt kê các đặc điểm chung của mạng DALI theo chuẩn IEC 60929 Số lượng thiết bị lớn nhất có thể 64 Số nhóm 16 Số địa điểm trên một nhóm 16 Cáp dữ liệu 2 dây ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 17 Phương pháp mã hóa dữ liệu Manchester Tốc độ truyền dữ liệu 2400 baud Nguồn cấp cho mạng 24V DC 250mA Bảng 5: Những đặc tính chính của mạng Dali Dưới đây là sơ đồ bao gồm thiết bị chấn lưu và thiết bị điều khiển độ sáng Hình 12: Sơ đồ mạng DALI gồm chấn lưu và thiết bị điều khiển độ sáng Dưới đây là bảng tóm tắt so sánh các mạng: 1-Wire Net DALI MODBUS (serial) MODBUS (Ethernet) ZigBee Tốc độ mạng 9600 baud 115 Kbaud, nếu có bộ tăng tốc 2400 baud RS232/RS485 1Mbps 10Base2: 10Mbps 10BaseT: 10Mbps 100BaseT:100Mbps 20 kbps-, 40 kbps, 250 kbps phụ thuộc tần số Kiểm soát lỗi 8 và 16 bit CRC không CRC Ethernet CRC CRC Latency Phụ thuộc vào yêu cầu hoạt động, từ thấp đến cao Từ trung bình đến cao Rất thấp Rất thấp Thấp đến trung bình 30ms ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 18 Khoảng cách truyền 100 m nếu có xử lý tín hiệu 300m hoặc 2V điện áp rơi Phụ thuộc kênh vật lý, 1000 m đối với RS485 10Base2 – 185m 10BaseT – 100 m 100BaseT – 100m 70m – 300m Kiểu mạng Serial multi- drop half- duplex bus Serial bus Point to point or multi-drop Mutli-drop và star nếu có hubs Ad Hoc wireless network Phân cực cáp Có/ hoặc đơn cực không RS232 – có RS485 - không có Triển khai trong công nghiệp Khiêm tốn Rất tốt Vô cùng tốt Rất cao Mới bắt đầu nhưng được quan tâm lớn Bảo mật không không không không 128 AES Các tiêu chuẩn không IEC 6092 9- 2003 , Modbus-IDA Modbus-IDA IEEE 802.15.4, tổ chức ZigBee Bảng 6: So sánh một số mạng truyên thông Nhận xét về các mạng: - Mạng 1-wire không được chấp nhận nhiều trong công nghiệp như các mạng khác - Mạng MODBUS thực sự là trưởng thành và được chấp nhận nhiều, nhưng nó yêu cầu giá thành lắp đặt cao hơn DALI và ZigBee. Nó được dùng nhiều trong các ứng dụng công nghiệp thay vì tự động hóa tòa nhà - DALI nhanh chóng được chấp nhận và đặc biệt hiệu quả trong các ứng dụng điều khiển chiếu sáng. Giá thành thấp do nguồn cấp được thực hiện trên cùng dây tín hiệu. Giao thức xây dựng cho điều khiển chiếu sáng do đó không phù hợp với các ứng dụng đo xa và điều khiển công nghiệp - ZigBee tương đối mới, nhưng rất thu hút trong điều khiển công nghiệp. Giá thành thấp vì nó dùng kiểu wireless. Chỉ phù hợp với các ứng dụng không dây. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 19 1.4 MẠNG SENSOR KHÔNG DÂY VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG VÀO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG Các mạng sensor không dây (Wireless sensor netwok – WSN) đang bắt đầu được ứng dụng rộng rãi hơn trong các bài toán giám sát môi trường với một số lượng lớn các nút mạng. Việc nghiên cứu phần cứng cũng như phần mềm đã và đang được các trường đại học và rất nhiều công ty R&D tham gia. Khởi xướng các nghiên cứu ứng dụng của mạng sensor không dây phải kể đến Đại học tổng hợp California (UC) với hệ điều hành TinyOS được phát triển như một nền tảng phần mềm cho mạng sensor không dây. Thuật ngữ Mote được sử dụng để chỉ một nút (node) radio đơn lẻ trong mạng. Mỗi một nút có thể có một hay nhiều sensor hoặc một vài thiết bị chấp hành (actuator). Ngoài Đại học Tổng hợp California ra còn có các Đại học Tổng hợp Los Angeles, Đại học MIT, các phòng thí nghiệm Intel Research Labs, Robert Bosh và Crossbow. Ngày nay có thể thấy ứng dụng của mạng sensor không dây ở các ứng dụng như: giám sát các kết cấu lớn như cầu, tòa nhà thông qua các sensor lực (strain gauge) hoặc sensor gia tốc. Một ưu điểm lớn nhất của mạng sensor không dây là không cần sử dụng đến dây dẫn. Trong các ứng dụng tự động hóa tòa nhà, chi phí cho chạy dây điều khiển các thiết bị chiếu sáng là rất lớn. Việc thay các dây này bằng các kết nối không dây vừa tiết kiệm chi phí đồng thời làm cho hệ thống trở nên linh hoạt mà với phương pháp chạy dây không thể có được. Ví dụ ta có thể dễ dàng thay đổi vị trí của các công tắc hay các sensor mà không ảnh hưởng đến kết cấu công trình hay thay đổi hệ thống. Việc sử dụng mạng sensor không dây đã được thương mại hóa điển hình là: Advance Transformer (Phillips) ứng dụng trong tự động hóa HVAC (sử dụng nền tảng phần cứng và phần mềm của Ember) Millennial Net cũng phát triển ứng dụng HVAC và giám sát các hệ thống cơ khí như turbine, động cơ,… Tổ chức hiện nay cổ vũ mạnh mẽ nhất cho mạng sensor không dây là Zigbee Alliance với các thành viên là các công ty sản xuất chip và các công ty tích hợp hệ thống nổi tiếng như Motorola, Phillips, Atmel, TI, Microchip, ABB, Honeywell,.. Sau khi khảo sát kỹ các hệ chiếu sáng cũng như mạng sensor không dây. Nhóm thực hiện đề tài nhận thấy một số lưu ý sau khi ứng dụng mạng sensor/actuator không dây vào các hệ chiếu sáng nói riêng và tự động hóa tòa nhà nói chung là: - Một số nút trong mạng có thể bố trí ở những nơi khó thâm nhập. Yêu cầu đối với những nút này là có thời gian hoạt động lâu và phải chạy bằng pin, nên ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 20 phần cứng và phần mềm cần hỗ trợ tối ưu năng lượng. Để giảm thiểu năng lượng phần cứng cần ngủ trong một thời gian dài và chỉ “thức” khi cần phải lấy mẫu hoặc nhận được dữ liệu từ nút khác. Việc truyền tin RF với công suất thấp có thể đạt khoảng cách tới 100m. - Có thể mở rộng quy mô mạng với các cấu hình mạng khác nhau, tuy nhiên đối với ứng dụng chiếu sáng ta có thể xác định được vị trí của các nút, nên ta nên áp dụng cấu hình mạng star-mesh (bao gồm 3 tầng end device, router và gateway). Theo cấu hình này End-device có thể được nuôi bằng pin còn các router và gateway có thể nuôi bằng nguồn AC. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 21 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: · DTC (bộ điều khiển trung tâm) : Đóng vai trò 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. · mLCP-8 (panel phân tán): Đóng vai trò 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 · TouchLight: công tắc cảm ứng không dây (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. · Các sensor: Ocupancy sensor (sensor phát hiện người), sensor đo độ sáng và nhiệt độ ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 22 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 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 23 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 : · 01 bộ (nút) điều khiển trung tâm DTC · 01 bộ (nút) điều khiển khu vực mLCP-8 cho phép điều khiển 16 Rơle, 8 kênh PWM, 8 công tắc bật tắt bằng tay ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 24 · 01 bộ (nút) công tắc cảm ứng TouchLight gồm 4 phím ấn · 01 nút sensor phát hiện người. · 01 nút sensor đo độ sáng · Và 01 nút sensor đo nhiệt độ môi trường. Thực tế trong hệ chiếu sáng 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 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 25 Hình 15: Sơ đồ một hệ thống mở rộng ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 26 Trong quá trình thiết kế, có một số vấn đề kĩ thuật quan trọng mà đề tài phải giải quyết đó là: · Xây dựng giải pháp phần cứng công suất thấp (low power). Điều này vô cùng quan trọng trong thiết kế vì một số phần tử của hệ thống bao gồm các nút sensor đều chạy bằng pin. · Kỹ thuật hóa bài toán trên nền công nghệ truyền thông không dây. 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. 2.2 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG DTC Qua tham khảo các hệ thương mại, phần lớn các bộ điều khiển tập trung đều có một số các đặc điểm sau: · Có giao diện tại chỗ (thông thường là LCD dạng ký tự và bàn phím) · Có bộ nhớ RAM lớn · Có kết nối bus công nghiệp (tùy hãng) · Có đồng hồ thời gian thực Trong thiết kế của đề tài, do nút DTC là nút chính nên phải nuôi bằng nguồn AC. Vì vậy các vấn đề thiết kế tối ưu mạch điện công suất thấp không cần phải đặt ra. Trên cơ sở các phân tích chúng tôi đưa ra thiết kế bộ DTC trên nền vi xử lý ATMEGA128. Thiết bị bao gồm 3 phần chính được kết nối với nhau thông qua giao diện nối tiếp: · Khối xử lý trung tâm: gồm vi điều khiển ATMEGA128 (128K Flash, 4K SRAM, 4K EEPROM), bộ nhớ ngoài 128K, I2C RTC · Khối hiển thị trên cơ sở module màn hình đồ họa cảm ứng LCD (đã có 4M bộ nhớ flash) · Khối giao tiếp bao gồm phần giao tiếp RS485 và phần giao tiếp với module truyền thông Zigbee. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 27 Latch LS373 RAM (128K) RTC Wireless eeprom Convert RS485 (OPTIONAL) Power supply ATMEGA 128 TOUCH SCREEN 4Mb Memory Main module Hình 16: Sơ đồ khối bộ DTC Module Wireless được thiết kế dựa trên nền thiết kế mẫu nền tảng Zigbee của Atmel cho phép việc xây dựng phần cứng trở nên dễ dàng hơn. Sơ đồ khối của module này như hình dưới: Level shifter RS232 Convert To Debug ATMEGA 128 uP SPI AT86RF230 RF Tranceiver Chip Antenna To Main Module 5V Hình 17: Sơ khối module Wireless Phần lõi của module không dây là vi xử lý ATMEGA1281. Đây là một vi xử lý công suất thấp với bộ nhớ chương trình tới 256K và RAM 16K và tương thích hoàn toàn với ATMEGA128 về mặt cấu hình. Sở dĩ phải sử dụng ATMEGA1281 vì stack Zigbee (Zigbee PRO) tương đối lớn tới 80K chương trình. Các thông số đặc trưng của module không dây: · Sử dụng hai chip anten cân bằng · Nguồn 5V · Công suất phát sóng 3dBm ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 28 · Công suất tiêu thụ thấp · Bộ nhớ flash 128KB, RAM 8KB, EEPROM 4KB · Các cổng giao tiếp: o UART với các tín hiệu CTS/RTS o RS232 · Dải ISM 2.4GHz 2.3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO NÚT SENSOR/ACTUATOR KHÔNG DÂY mLCP-8 Nút Sensor/actuator không dây đóng vai trò là một bộ điều khiển tại chỗ trong hệ chiếu sáng. Thông thường các bộ điều khiển tại chỗ của các hệ điều khiển chiếu sáng của các hãng được thiết kế theo các module chuẩn với các giao tiếp truyền thông và thường được gọi là các panel điều khiển. Tùy theo từng nhà sản xuất mà các panel có thể có một hoặc nhiều chức năng khác nhau. Có nhà sản xuất chế tạo panel rơle, panel công tắc (switch panel), panel điều khiển độ sáng thành các panel riêng rẽ. Cũng có nhà sản xuất kết hợp nhiều chức năng lên cùng một panel (rơle, công tắc và điều khiển độ sáng). Mỗi một panel thường có số đầu ra điều khiển là chẵn như 1,4,8,16,24,48. Các panel điều khiển cũng tùy mức độ mà có thể lập trình tại chỗ hoặc từ xa thông qua các giao thức như Modbus, Lonworks hay Bacnet. Tóm lại, các panel đều có một đặc điểm chung là gồm có 2 phần: phần “bộ não” và phần công suất. Transformer 1 2 Local Switches 3 4 4 4 5 8 Programmable Relay Scanner 1 2 3 4 5 . . . 8 1 Master Switch White Blue 1 1 1 1 Hình 18: Sơ đồ tổng quát của một panel điều khiển tại chỗ(Douglas) ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 29 Panel 1 T SW Floor Master Switch Relay Scanner Panel 2 T SW Floor Master Switch Relay Scanner Panel 3 T SW Floor Master Switch Relay Scanner Transformer for Global Controls Global Override Switch Global Timer Tr Multi-panel, Multi-relay Switching Hình 19: Sơ đồ mạng các panel (Douglas) Để dễ dàng hơn cho việc chế tạo cũng như thử nghiệm, nhóm thực hiện đề tài lựa chọn mô hình xây dựng bộ điều khiển tại chỗ theo kiểu kết hợp nhiều chức năng lên một panel. Nút sẽ được thiết kế với một số chức năng kỹ thuật chính sau: Số rơle điều khiển được : 16 Công suất rơle: 10A 220AC Đầu ra PWM: 08 Chức năng xung đồng bộ 50Hz: Có Đầu vào tiếp điểm: 08 Lập trình thông qua: DTC Các rơle có thể nhóm và lập trình riêng lẻ Truyển thông: Zigbee, Modbus Nguồn nuôi: 220VAC ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 30 Nút mLCP-8 do đề tài thiết kế cũng gồm 4 phần chính: · Phần xử lý xây dựng trên nền tảng của vi điều khiển ATMEGA128 và các đầu vào ra lập trình được trên cơ sở vi mạch mở rộng I/O dạng nối tiếp SPI MCP23S17. · Phần truyền thông gồm 2 phần, phần truyền thông RS485 và phần truyền thông không dây. Module truyền thông không dây được xây tương tự như module truyền thông của bộ DTC. · Phần giao diện người sử dụng bao gồm các đèn LED và phím ấn, cho phép người sử dụng có thể tác động cũng như lập trình một số chức năng tại chỗ. · Phần công suất bao gồm các đầu ra công suất dạng rơle. Các đầu ra công suất cho điều khiển độ sáng dạng PWM sẽ được thực hiện khi có điều kiện. Hình 20: Sơ đồ khối của nút mLCP-8 2.4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO NÚT TOUCHLIGHT (công tắc điều khiển dạng cảm ứng) Thông thường các vùng ánh sáng có thể được điều khiển thông qua các scene (hoặc zone). Ở một số hệ thống điều khiển chiếu sáng, để thuận tiện cho người sử dụng, người ta còn thiết các bộ điều khiển từ xa hoặc (thực chất là các công tắc) điều khiển từ xa để tắt, bật một hoặc một nhóm các đèn. Các công tắc này phần lớn là sử dụng sóng hồng ngoại và sóng vô tuyến. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 31 Đối với đề tài, do đã sẵn có nền tảng truyền thông không dây, nên chúng tôi phát triển các bộ điều khiển từ xa này dưới dạng một nút sensor với 4 công tắc cảm ứng điện dung (đề tài đặt tên là TouchLight ). Các sensor cảm ứng điện dung cho phép người sử dụng thay vì bật công tắc có thể chạm nhẹ hoặc có thể dễ dàng tạo các thao tác như trượt, lăn,… một cách dễ dàng. Thiết kế của nút bao gồm 2 phần chính: · Phần xử lý trung tâm và truyền thông không dây · Phần cảm biến điện dung Hình 21: Sơ đồ khối của nút TouchLight 2.5 THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC NÚT SENSOR Do các nút sensor đều có cấu tạo tương đối giống nhau nên chúng tôi chỉ trình bày tổng quan ở đây. Có 3 loại nút sensor mà đề tài thực hiện chế tạo: sensor phát hiện người, sensor đo độ sáng và sensor đo nhiệt độ. Bo mạch tích hợp sensor ánh sáng TSL2550T của TAOS và sensor nhiệt độ LM73CIMK của National Semiconductors. Cả hai lọai sensor này đều được giao tiếp theo chuẩn I2C Hình 22: Sensor phát hiện người ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 32 Sensor phát hiện người được sử dụng là loại PIR của PowerCode. Đây là một sensor siêu nhạy, có chức năng chống báo động giả ba cấp độ, kèm chân đế điều chỉnh góc xoay, sensor có khả năng hoạt động trong phạm vi rộng với góc quét 90 độ, xa 15m. Các đặc tính chủ yếu của sensor phát hiện người này là: - Bao gồm một bộ transmitter PowerCode - Sử dụng thuật toán phân tích chuyển động phức tạp True Motion Recognition (TMR) - Có thể điều chỉnh được theo phương thẳng đứng 2 vị trí để quan sát - Có thể cài đặt trên tường hoặc trần nhà - Bộ đếm sự kiện chuyển động có thể lập trình được ON (mặc định) hoặc OFF - Thời gian ổn định từ khi bật nguồn: 30s - Sau khi phát hiện người sensor tự động chuyển về chế độ nghỉ để tiết kiệm năng lượng. Sensor chuyển về chế độ sẵn sàng sau 2 phút nếu không phát hiện hiện thấy có người sau đó. Với đặc tính này, nút sensor không dây được thiết kế như sơ đồ sau đây: JTAG GPIO 0..2 GPIO 3 IRQ I2C Debug LED Input /Occupancy Sensor I2C Level Shifter Temperature Light Sensor Reset Hình 23: Sơ đồ khối của nút sensor không dây ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 33 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG Đối với các mạng sensor không dây nói riêng và các hệ phân tán nói chung, việc thiết kế phần mềm đóng vai trò quan trọng hơn cả. Đặc điểm của hệ này là gồm rất nhiều phần mềm riêng rẽ tương tác với nhau tương đối phức tạp. Điều cốt yếu hơn cả là có được thiết kế cơ chế phối hợp và giao tiếp giữa các phần mềm này với nhau một cách chuẩn mực nhằm giảm thiểu số lượng phần mềm và tăng tính dễ dàng sử dụng. Trong hệ điều khiển chiếu sáng, ta có thể thấy có 2 vấn đề cơ bản trong thiết kế phần mềm: · Phần thứ nhất là các vấn đề liên quan đến truyền thông và cơ chế truyền không dây, các vấn đề về tổ chức mạng, lập mạng và quản lý mạng. · Phần thứ hai là các vấn đề đặc thù của bài toán điều khiển chiếu sáng, đó là các vấn đề liên quan đến các đối tượng (đèn, rơle, công tắc) và việc quản trị logic các đối tượng. Chính vì vậy, đề tài sẽ thực hiện trình bày thiết kế phần mềm cho hệ thống theo trình tự sau: · Các vấn đề về môi trường phát triển, hệ điều hành, lớp mạng… · Thiết kế tổng quát và thiết kế phần mềm các nút · Thiết kế phần mềm giao diện và quản trị hệ thống trên DTC 3.1 CÔNG CỤ VÀ MÔI TRƯỜNG PHÁT TRIỂN Việc lựa chọn công cụ và môi trường phát triển được đưa ra nhằm đảm bảo phát triển hệ thống một cách dễ dàng, dễ mở rộng, tăng tính kế thừa của các module. Dưới đây là liệt kê các công cụ mà đề tài sử dụng để phát triển phần mềm của hệ thống: · Phần mềm được phát triển trên ngôn ngữ C (GNU). Do toàn bộ hệ thống được xây dựng trên nền các vi điều khiển họ AVR (ATMEGA128 và ATMEGA1281) nên chúng tôi lựa chọn môi trường phát triển AVR Studio và trình biên dịch WINAVR. · Các module truyền thông không dây được phát triển dựa trên thư viện stack Zigbee cho Atmel. · Giao diện đồ họa cho màn hình cảm ứng trên nền ngôn ngữ Markup (HTML). Quy trình phát triển ứng dụng trên vi xử lý · Viết ứng dụng · Dịch mã cho vi xử lý · Nạp các file nhị phân vào các nút zigbee sử dụng JTAG, RS232 · Reset các nút và gỡ rối (debug) từng nút ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 34 · Lặp lại quy trình trên nếu cần thiết 3.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG Đứng dưới góc độ phần mềm nhóm thực hiện nhận thấy, việc phân hoạch hệ thống theo mô hình master/slave sẽ dễ dàng hơn. Khi đó toàn bộ hệ thống có thể được mô tả như hình dưới. Local Control Master (LCM) Local Control Master (LCM) Local Control Master (LCM) Local Control Master (LCM) Local Control Master (LCM) B B Local Control Master (LCM) R S B BR S B BR S B BR S B BR S B BR S Hình 24: Mô hình của hệ thống ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 35 Như đã biết, ta có thể lựa chọn các cấu trúc khác nhau khi phát triển các hệ Zigbee. Việc sử dụng mô hình master/slave là hoàn toàn hợp lý khi chúng ta lựa chọn cấu trúc 3 tầng star/mesh của Zigbee. Nếu ta định nghĩa các phần mềm thành các chức năng master và chức năng slave thì ta có thể thấy một thiết bị có thể là master, có thể là slave và cũng có thể là master và slave. Hình 25: Phần mềm master và slave Theo mô hình master/slave các nút trong mạng sẽ có thể được nhúng các phần mềm sau: · Master Device sẽ được nhúng vào LMC · Slave Device sẽ được nhúng vào R,S,B · Master device được nhúng vào CM · Slave device được nhúng vào LMC ( để liên lạc với CM) ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 36 Hình 26: Mô hình master/slave Do tính chất phức hợp của bài toán, bao gồm cả các phần mềm khác nhau, trên các vi điều khiển khác nhau nên để dễ dàng cho việc lập trình cũng như thiết kế các module, đề tài phân chia ra theo Bảng 7 Tên nút Tên module phần mềm Mã Phần cứng Hệ điều hành Công cụ Thư viện Phần mềm khối xử lý trung tâm (có nhúng MD) S1 Atmega128 Scheduler dạng round robin AVR Studio + WinAVR Phần mềm truyền thông không dây S2 Atmega1281 Event Driven scheduler AVR Studio + WinAVR Zigbee stack DTC Phần mềm giao diện người sử dụng S3 AMULET OS chip AMULET HTML compiler ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 37 Phần mềm khối xử lý trung tâm (có nhúng MD+SD) S4 Atmega128 Scheduler dạng round robin AVR Studio + WinAVR mLCP-8 Phần mềm truyền thông không dây S2 Atmega1281 Event Driven scheduler AVR Studio + WinAVR Zigbee stack Các nút sensor khác (TouchLi ght, đo độ sáng, phát hiện người, nhiệt độ) Phần mềm xử lý chính (nhúng SD)+truyền thông không dây S5 S2 Atmega1281 Event Driven scheduler AVR Studio + WinAVR Zigbee stack Giao thức giữa giữa các nút P1 Giao thức giữa touch LCD và vi xử lý P2 Bảng 8: Bảng tổng hợp phần mềm Giới hạn quy mô hệ thống: Vì là hệ thống mở có nhiều thành phần tham gia, song không thể mở rộng mãi hệ thống được, ta cần tính đến quy mô thực tế mà phần cứng cũng như phần mềm có thể thực hiện được. Quy mô của hệ thống bị giới hạn bởi 2 yếu tố chính sau: · Giới hạn bởi yếu tố phần cứng: bộ nhớ, năng lực vi điều khiển của module Zigbee (mà cụ thể ở đây là Atmega1281) · Giới hạn bởi yếu tố phần cứng, phần mềm: bộ nhớ flash, RAM của các module DTC và mLCP-8 (mà cụ thể là Atmega128 + RAM ngoài) Việc phân tích và định lượng các giới hạn sẽ được trình bày cụ thể trong từng phần liên quan. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 38 3.3 PHẦN MỀM TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY Phần mềm truyền thông không dây là phần mềm xuyên suốt toàn bộ hệ thống, tất cả các nút trong hệ đều sử dụng phần mềm này. Mỗi một nút tùy theo từng vai trò, tính chất cũng như năng lực tính toán mà chọn các tham số phù hợp. Nhóm thực hiện đề tài xây dựng phần mềm dựa trên hai nền tảng cơ bản là stack truyền thông Zigbee và sử dụng hệ điều hành hướng sự kiện. 3.3.1 Stack Zigbee Phần mềm truyền thông không dây của toàn bộ hệ thống được dựa trên nền tảng Zigbee. Zigbee stack được Zigbee alliance, một tổ chức chuẩn hóa và phi lợi nhuận định nghĩa và phát triển. Stack này được thiết kế ứng dụng rất nhiều công nghệ trong các lĩnh vực khác nhau. Trong mô hình truyền thông ISO-OSI ta có thể thấy, các ứng dụng Zigbee bao gồm 5 lớp 7Layer ISO-OSI Model Simplified 5Layer ISO-OSI Model IEEE 802 Model 7 Application User Application 6 Presentation 5 Session 4 Transport Application Profile 3 Network Network Upper Layers Logical Link Control(LLC) 2 Data Link Data Link Media Access Control(MAC) 1 Physical Physical Physical Hình 27: Mô hình phân lớp ISO-OSI ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 39 Hình 28: Một nút zigbee bao gồm phần cứng và phần mềm các phần mềm được phân theo từng lớp khác nhau Tất cả các nút trong hệ thống của đề tài đều sử dụng một nền tảng chung và đều sử dụng thư viện Stack Zigbee. Zigbee phân chia vai trò của các nút trong hệ thống theo chức năng Coordinator, Router và End Device. Dưới đây là bảng phân hoạch chức năng của các nút. Các chức năng trong lớp mạng Zigbee Coordinator Router End Device Thiết lập một mạng Zigbee · Cho phép các thiết bị khác tham gia vào mạng hoặc tách khỏi mạng · · Đăng ký các địa chỉ mạng 16 bit · · Phát hiện và ghi lại các đường dẫn cho việc truyền tin. · · Phát hiện và ghi lại danh sách các nút lân cận trực tiếp · · Định tuyến cho các gói tin · · Nhận hoặc gửi các gói tin · · · Tham gia vào mạng hoặc tách khỏi mạng · · · Vào chế độ nghỉ  · Hình 29: Chức năng các nút trong mạng Zigbee ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 40 Căn cứ vào bảng trên đề tài đã phân chia chức năng các nút trong hệ thống chiếu sáng như sau: · DTC: vai trò Coordinator · mLCP: vai trò Router · Các nút sensor khác: vai trò End Device Hình 30: Phân vai trò cho các nút trong mạng Một mạng Zigbee có khả năng quản trị tới 65536 nút, song trên thực tế việc tận dụng hết dải địa chỉ đòi hỏi cấu hình nút mạng tương đối cao. Do việc sử dụng các nút truyền thông chỉ sử dụng duy nhất một IC atmega1281 nên khi kỹ thuật hóa bài toán sẽ gặp hạn chế bộ nhớ RAM để chứa các bảng liên kết nút, bảng trạng thái các nút con và nút bố mẹ, bộ đệm các bản tin của các trung chuyển,…Vì vậy, tương ứng với phần cứng được xây dựng, chúng tôi giới hạn hệ thống như sau: · Coordinator: Quản lý được 32 nút Router và/hoặc End Device · Router: 64 nút End Device Với qui mô các nút như vậy, có thể thấy mạng xây dựng được có quy mô tương đối lớn (ví dụ: lớn hơn nhiều so với mạng dùng hữu tuyến Modbus). 3.3.2 Hệ điều hành hướng sự kiện (event driven scheduler) Hệ điều hành hướng sự kiện (event driven scheduler) là hệ điều hành thường được sử dụng trong các hệ thống nhúng. Hệ điều hành dạng này dễ dàng áp dụng vào các hệ có tài nguyên hạn chế. Cấu trúc của chương trình theo đó sẽ bao gồm các cặp liên kết gọi hàm API và các thông báo (notification) thực hiện. Về mặt lập trình thực chất đó là các hàm callback (hàm gọi ngược) và con trỏ hàm. Như vậy khác với cách lập trình gọi hàm đồng bộ, toàn bộ chương trình trong điều hành hướng sự kiện sẽ được thực hiện một cách dị bộ. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 41 APL ZDO ZDO_GetLqiRssi APL ZDO ZDO_StartNetworkReq() ZDO_StartNetworkConf Hình 31: Gọi hàm đồng bộ và gọi hàm dị bộ APL ZDO NWK MAC TaskManager “hardware” MAC_TaskHandler() ZDO_Confirm() ISR_Handler() Hình 32: Chu trình thực hiện của chương trình Trong lập trình cho các mạng sensor không dây, hệ điều hành TinyOS của đại học Berkeley là “chuẩn mực” nhất và được chọn làm nền tảng phát triển của đề tài. Ưu điểm của TinyOS là: - Mô hình hướng sự kiện-> sử dụng CPU một cách có hiệu quả - Hệ bao gồm các máy trạng thái Trên cơ sở phát triển ứng dụng có tham khảo TinyOS, các lớp ứng dụng của chương trình hệ thống được lập trình với các quy tắc sau: · Toàn bộ chương trình ứng dụng được viết thành các tập hàm callback thực hiện các yêu cầu từ lớp dưới · Mỗi một hàm callback trên lớp ứng dụng phải thực thi <10ms · Lớp ứng dụng có mức ưu tiên thấp nhất so với mức dưới · Hàm callback có mức ưu tiên của lớp gọi nó ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 42 Hình 33: Các thành phần của TinyOS 3.4 PHẦN MỀM ỨNG DỤNG CÁC NÚT Trong lập trình ứng dụng Zigbee, một số các đặc điểm dưới đây có thể được tính đến. · Việc truyền và nhận thông tin có thể thông qua các endpoint (tương tự như port trong TCP/IP). · Mỗi một endpoint trong hệ chiếu sáng ta có thể gán cho một đối tượng cụ thể Hình 34: Endpoint trong Zigbee ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 43 Hình 35: Có thể gán các thiết bị cho các Endpoint Hình 36: Bảng kết nối các phần tử Việc gán và quản trị các các thiết bị là phần quan trọng thực hiện trong đề tài. Mỗi một phần tử (công tắc, rơle, sensor) sẽ được ánh xạ bởi một bảng gán liên kết. Đây là liên kết giữa phần tử nguồn và phần tử đích. Tổ chức chương trình ánh xạ kết nối được thực hiện theo mô hình master/slave đã mô tả trong Hình 26. Cấu trúc bảng kết nối về nguyên tắc ta có thể lưu tại bản thân nút hoặc trên master (lưu trên EEPROM). Để đơn giản hóa chương trình, chúng tôi thực hiện việc lưu bảng kết nối tại master. Quy trình khởi tạo giữa các thiết bị được thực hiện qua các thiết bị master (DTC và mLCP-8). Đề tài chia quá trình này ra làm hai phần: · Khởi tạo: bao gồm quá trình cấu hình mạng bằng cách gán một mã ID duy nhất cho các phần tử trong mạng. Radio Z1 Switch1 Switch2 EP3.IO EP21.IO Binding Table Radio Z3 EP1.IO EP2.IO EP3.IO EP4.IO Lamp1 Lamp2 Lamp3 Lamp4 Bảng kết nối có thể được bố trí trên bản thân thiết bị hoặc thông qua một master Liên kết có thể là N:1 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 44 · “Gán” là quá trình gắn kết một phần tử với một phím hoặc một phần tử điều khiển trên điều khiển từ xa. Trong ngôn ngữ Zigbee, có thể thấy đây là quá trình “emunerate/pairing” Hình 37: Quy trình khởi tạo và gán các liên kết ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 45 3.5 PHẦN MỀM TRÊN BỘ ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG DTC 3.5.1 Tổng quát phần mềm trên DTC Chức năng của bộ DTC là cho phép cài đặt các lịch trình, cấu hình toàn bộ hệ thống thông qua giao diện đồ họa cảm ứng. Phần mềm trên DTC là một phần mềm tương đối phức tạp trong hệ thống và bao gồm 3 phần mềm: khối xử lý trung tâm, truyền thông và giao diện người sử dụng. Riêng phần truyền thông đã được trình bày trong mục trước, trong mục này chúng tôi trình bày 2 phần mềm khối xử lý trung tâm và giao diện người sử dụng (là các phần mềm viết trên ATMEGA128). Hình 38: Cấu trúc phần mềm trên DTC Khác với các hệ thống trên máy tính, nơi mà hệ điều hành hỗ trợ quản trị bộ nhớ động. Trong các hệ thống nhúng ta thường phải sử vùng nhớ tĩnh. Do đó, để giới hạn quy mô hệ thống, đề tài xây dựng DTC theo hướng đầy đủ các chức năng nhưng với quy mô vừa phải. Cụ thể là: · Số lịch trình đặt được: 16 · Số nhóm đặt được: 16 · Số ngày nghỉ đặt được: 13 · Số sensor phát hiện người: 16 · Số công tắc đầu vào: 64 · Số sensor đo độ sáng: 64 · Số đầu vào nhiệt độ: 64 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 46 Bảng 9: Bảng các cấu trúc các logic điều khiển của hệ thống 3.5.2 Giao diện sử dụng trên DTC Phần mềm giao diện trên DTC được viết cho màn hình đồ họa cảm ứng. Việc cài đặt, cầu hình toàn bộ hệ thống đều có thể thông qua giao diện này. Giao diện bao gồm các chức năng chính sau: - Chức năng cấu hình lịch trình điều khiển - Chức năng cấu hình nhóm - Chức năng cấu hình đầu vào - Chức năng cấu hình hệ thống ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 47 Schedules Groups System Inputs Presets System Settings Special Functions MAIN MENU Hình 39: Màn hình giao diện chính trên DTC Do số lượng các màn hình giao diện khá lớn, ở đây chúng tôi chỉ đưa ra các màn hình giao diện chính và lưu đồ cài đặt cho hệ thống. Các màn hình chi tiết trong các lưu đồ sẽ được đưa ra cụ thể trong phần phụ lục. SCHEDULE: LỊCH TRÌNH ĐIỀU KHIỂN Hình 40: Màn hình cài đặt lịch trình điều khiển Chức năng cài đặt lịch trình của hệ thống cho phép người sử dụng thiết lập các thông số để hệ thống đèn bật, tắt theo các khoảng thời gian đặt trước. Mỗi schedule gồm: · Tên schedule · Thời gian bắt đầu và kết thúc của lịch trình · Ngày active/inactive · Lịch trình có áp dụng vào ngày nghỉ hay không · Các Rơle, nhóm Rơle trong phạm vi tác dụng của lịch trình ở trạng thái ON/OFF. Người sử dụng có thể xem một lịch trình (VIEW Schedule), xóa một lịch trình (CLEAR Schedules), đặt tên một lịch trình (NAME Schedule), soạn một lịch trình theo mục đích sử dụng (EDIT Schedule) và đặt các ngày nghỉ (Holiday) ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 48 Sch1 Sch2M Sch Chọn Schedule Sch3 Sch4 Sch5 Nhập tên Sch23 Sch6 Sch7 Sch8 Sch9 Sch10 Đặt thời gian Sch6 Sch11 Sch12 Sch13 Sch17 Sch18 Sch28 Sch19 Chọn ngày Sch29 Sch21 Chọn ScheduleSchedules VIEW Schedule CLEAR Schedule NAME Schedule EDIT Schedule Sch22 Sch23 Sch24 Sch22 Sch6 Sch6 Sch6 Chọn Panel Sch14 Sch15 Sch16 Holidays Chọn day/ mon/year Sch25 Sch27 Sch26 OK OK Chọn Schedule OK Chọn Schedule OK YES YES NO or Sch22 NO OK TIME DAY Control Normal Time Open Sunrise Close Sunset OK Đặt thời gian OK Đặt thời gian OK Active Inactiveor OK Single Relay ON Group ON Active Preset Single Relay OFF OK Group OFF Chọn Panel OK Chọn Preset OK Chọn Group OK Sch12 Sch12 Chọn Group OK Sch12 Chọn Relay OK Sch12 Chọn Relay OK Sch12 VIEW Holiday CLEAR Holiday EDIT Holiday OK Chọn ngày OK Sch20 Sch19 YES YES NO or Sch19 NO OK Sch29 Hình 41: Lưu đồ cài đặt lịch trình điều khiển Soạn một lịch trình (EDIT Schedule) cho phép người điều khiển cài đặt thời gian bắt đầu và kết thúc một Schedule, cài đặt ngày mà Schedule hoạt động hoặc không hoạt động, chọn các rơle hoặc các nhóm rơle mà schedule tác động. Thời gian hoạt động của một Schedule được đặt dựa vào thời gian mở/ đóng hệ thống (Open/close time), hoặc thời gian mặt trời mọc, mặt trời lặn (Sunrise/sunset time). Các lịch trình này được chọn theo từng ngày, cho phép hệ thống hoạt động trong các chế độ khác nhau giữa ngày làm việc và ngày nghỉ. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 49 THIẾT LẬP CÁC NHÓM (GROUP) Hình 42: Màn hình cài đặt nhóm VIEW các relay trong groupG1 Chọn group G2M G G8 G3 G9 G5 Đặt tên G9 G10 G6 G7 Chọn RelayInclude/exclude G11 Groups VIEW Group CLEAR Group NAME Group EDIT Group OK Chọn group OK Chọn group OK Chọn group OK Chọn Panel OK Chọn Panel OK OK G4 G8 YES YES NO or G8 NO Hình 43: Lưu đồ cài đặt nhóm Người điều khiển có thể xem các panel trong một Group bất kì (VIEW Group), xóa một Group (CLEAR Group), đặt tên một Group (NAME Group) và soạn một Group (EDIT Group) để nhóm các rơle ở các panel bất kì vào một Group, thuận tiện cho việc điều khiển: bằng phím “include” hoặc “exclude” trong G7 để loại một rơle nào đó ra khỏi một Group. Bằng cách nhóm các rơle theo từng nhóm, một tín hiệu điều khiển có thể đóng ngắt cả một hệ thống rơle hoặc chỉ điều khiển một rơle đơn lẻ. Các Group này không cố định, nó có thể được thay đổi khi nhu cầu chiếu sáng thay đổi. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 50 CÀI ĐẶT ĐẦU VÀO HỆ THỐNG Hình 44: Màn hình cài đặt đầu vào Hình 45: Lưu đồ thiết lập Switch Station ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 51 Hình 46: Lưu đồ lập trình các sensor Lập trình cho các Switch station (sensor) cho phép sắp xếp tương tác của từng switch (sensor) lên từng rơle (single relay) hay một cụm rơle (group relay), đặt thời gian active/inactive của từng switch (sensor) (active/inactive times), và chọn loại lối vào của switch sử dụng: loại phím bấm (MOM PB) hoặc loại công tắc duy trì (maintained switch) hoặc timed on, chọn loại sensor cần thiết lập tương tác. Nếu Swith là loại MOM PB hoặc Maintained switch, các trạng thái đóng/ mở của switch sẽ có tác dụng trên các nhóm Rơle khác nhau hoặc từng rơle nhờ chức năng “mapping switch on action” và “mapping switch off action”. Nếu Rơle thuộc loại định thời, trạng thái đóng của switch sẽ tác dụng lên một rơle hoặc một nhóm rơle thông qua chức năng “mapping to single relay” và “mapping to group relay”. Thời gian “timed on” cũng được đặt trong SI15. CÁC CÀI ĐẶT HỆ THỐNG Hình 47: Cài đặt hệ thống ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 52 SS1 SS2M SS SS3 SS1 SS4 SS1 SS5 SS6 SS7 SS8 SS1 SS9 SS10 Chọn ngày SS11 SS20 SS13 SS16 SS17 SS16 SS18 SS16 SS19 SS12 SS14 SS15 System Settings Time & Date TIME TIME ZONE Daylight Saving DATE OK SS1 Đặt thời gian OK Chọn múi giờ Chọn 1 trong hai chế độ OK SS1 Đặt ngày Astro Clock Open/Close Time Hours of Operation Blink Alert Settings After Hours OFF Sweeps Adjusut Longitude Adjusut Latitude OK SS1 Đặt tọa độ Đặt tọa độ OK Open Time Close Time OK SS9 Đặt thời gian OK SS9 Đặt thời gian OK Chọn ngày OK Start Time End Time OK SS20 OK SS20 Đặt thời gian Đặt thời gian Blink Alert Override OK Đặt thời gian OK Đặt thời gian OK Đặt thời gian SS Hình 48: Lưu đồ cài đặt hệ thống Cài đặt hệ thống cho phép người sử dụng đặt các thông số cơ bản ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống như thời gian, ngày, múi giờ, thời gian theo thiên văn (Astro clock), tọa độ địa lý, thời gian đóng mở của hệ thống (open/close time), thời gian hoạt động ngoài giờ làm việc của tòa nhà (Hours of operation), thiết lập các báo động, tần số quét hệ thống (after hours off sweeps). Thời gian theo thiên văn (Astro clock): người dùng nhập tọa độ địa lý hiện tại vào hệ thống để hệ thống tính toán thời gian mặt trời mọc, mặt trời lặn. Thời gian này thường được dùng để điều khiển hoạt động bật/tắt đèn đường và các điểm công cộng. Thời gian đóng/ mở (OPEN/CLOSE TIME) là thời gian bắt đầu/ kết thúc ngày làm việc của văn phòng, công sở hoặc thời gian đóng/mở của một cửa hàng. Thời gian giám sát ngoài giờ làm việc của tòa nhà (Hours of operation): trong thời gian này, hệ thống được giám sát, nếu có người bật đèn bằng công tắc, bộ đếm sẽ ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 53 hoạt động, sau khoảng thời gian được đặt trong “OVERRIDE”, đèn sẽ tự động tắt. Trước khi tắt, đèn sẽ nháy sáng trong khoảng thời gian “Blink Alert”. Ngoài thời gian giám sát (non-operation), hệ thống sẽ tự động quét để tắt các đèn đang bật theo chu kỳ nhất định thường là 2h, chu kỳ quét này được đặt trong “After Hours OFF Sweeps). CÀI ĐẶT MỘT SỐ CHỨC NĂNG Các chức năng đặc biệt của hệ thống cho phép người dùng cài đặt password, giới hạn quyền truy cập, đặt cấu hình hệ thống (Security). Ngoài ra người dùng có thể đặt trước trạng thái, cấu hình các rơle, đặt tên các panel, các rơle… (Pelay Panel), đặt chế độ hiển thị của giao diện (tablet seetings) và xem các đặc trưng của các thiết bị dùng trong hệ thống (Diagnostics=> System Devies) Hình 49: Cài đặt các chức năng ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 54 M SF Nhập mã Admin SF1 SF2 SF4 Chọn mã SF28 SF7SF29 Đặt tên mã SF8SF30 SF31 SF8 SF9 -Chọn vùng cần truy nhập -VIEW EDIT/VIEW ONLY/NONE SF11SF10 Chọn Relay Panel muốn ON/OFF SF12 Chọn Relay muốn ON/OFF SF13 Chọn Relay SF14 Chọn Blink/No-Blink/ HID Delay/Sentry Switch SF13 Chọn Alarm ON/ Alarm OFF SF15 Đặt thời gian báo động SF13 SF32 SF16 SF33 SF17 SF38SF34 Đặt tên cho Relay Panel SF18SF35 SF39 SF37 SF3 Special Functions OK Security OK Relay Panel VIEW Security Code CLEAR Security Code NAME Security Code EDIT Security Code Chọn mã SF5 SF6 SF28 OK YES YES NO or SF28 NO Chọn mã OK Chọn mã OK SF29 OK Chọn mã OK EDIT Password EDIT Access SF8 OK MAUNAL Relay Control Relay Output TYPE VIEW Relay State OK OK SF11 Chọn Relay Panel OK OK OK OKOK Chọn Relay Panel OK Xem trạng thái của các rơle trong Panel After Hour Sweeps Chọn Relay Panel OK Chọn rơle include/ exclude SF33 OK Name Relay Panel Chọn Relay Panel OK SF34 OK Name Relay Chọn Relay Panel OK Chọn Relay OK Đặt tên cho Relay SF35 OK SF19 SF20 SF19 SF21 SF19 Đặt thời gian Timeout Đặt độ sángTablet Settings OK OK Contrast Timeout Hình 50: Lưu đồ cài đặt một số chức năng 3.6 PHẦN MỀM CHO MẠNG SENSOR/ACTUATOR KHÔNG DÂY TRÊN mLCP-8 Nhiệm vụ chính của mLCP-8 là thực hiện các chức năng điều khiển rơle, triac và đọc trạng thái đầu vào các tiếp điểm. Toàn bộ các giao tiếp với các nút khác thông qua lớp giao tiếp không dây. Ngoài ra, mLCP-8 có thể hoạt động độc lập tương tự như một Relay Scanner. Khi đó ta có thể lập trình, tạo nhóm hoặc điều khiển trực tiếp từng rơle. Phần mềm cũng bao gồm 2 phần chính: phần mềm truyền thông và phần mềm khối quản lý trung tâm. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 55 Hình 51: Phần mềm khối quản lý trung tâm trên mLPC-8 Cũng giống như phần mềm quản lý trung tâm của DTC được dựa trên Scheduler dạng Round robin. Theo đó mỗi Task sẽ được định nghĩa, kích hoạt theo các lịch trình thời gian nhất định. Trên hộp mLCP-8 (hộp chính được gọi là RelayScanner) có các nút ấn và các LED, để tiến hành cài đặt các thông số hoặc xem các hiện trạng của thiết bị. Dưới đây là các bước cần làm đối với giao diện người dùng. Trên hộp RelayScanner, ta có thể điều khiển, sắp xếp các Relay. Ta có tất cả 8 vùng (Zone), mỗi vùng đó có thể sắp xếp vào từ 1 cho đến 8 Rơle. Việc gán các Rơle vào trong một vùng sẽ cho phép ta thực hiện được rất nhiều cách tổ hợp khác nhau để điều khiển các Rơle trong các vùng đó. · Gán một Rơle vào một Zone: - Ấn nút Assign. Đèn trên Assign sáng nháy. Nếu đèn không sáng nháy thì có nghĩa là đang ở chế độ Auto. Khi đó cần gạt sang chế độ Hand. - Ấn tiếp nút Assign, đèn Assign sẽ sáng đứng. Lúc này cho phép ta chọn các Zone để đặt Relay. - Ấn vào Zone tương ứng mà ta muốn đặt, đèn Zone sẽ sáng nháy. Ấn các Rơle mà ta muốn đặt vào Zone đó, đèn ứng với Rơle đó sẽ sáng đứng cho biết Relay đã nằm trong Zone. - Ấn tiếp nút Zone, đèn ứng với Zone đó sáng đứng, xác nhận các Rơle đã được xếp vào trong Zone. Nếu ấn tiếp nút Zone thì đèn ứng với Zone đó sẽ tắt cho biết tất cả dữ liệu trong Zone đã bị xóa. - Ấn các nút Zone khác để sắp xếp các Rơle vào. - Cuối cùng để thoát khỏi chế độ cài đặt ta ấn nút Assign. Đèn Assign sẽ tắt báo thoát khỏi chế độ cài đặt. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 56 · Xem một Zone Giả sử các Relay đã được sắp xếp vào một Zone theo một tổ hợp nào đó. Bây giờ nếu muốn xem một Zone gồm có những Relay nào, đồng thời trong quá trình xem đó có thể đặt lại cấu hình cho Zone, ta làm những động tác sau: - Ấn nút Assign, đèn Assign sáng nháy. - Ấn nút Zone cần xem cấu hình, các Relay đã có trong Zone đó sẽ nhấp nháy để báo hiệu đang ở trong Zone. - Cuối cùng ấn Assign để kết thúc quá trình xem. · Bật/ Tắt một Relay. Giả sử khi hệ thống đang hoạt động, ta muốn bật ( hoặc tắt ) một Relay hoặc một nhóm Relay. Ta có thể tác động trực tiếp vào Relay hoặc vào một Zone. - Ấn nút Zone (n), tất cả các Relay trong Zone(n) sẽ đảo trạng thái. - Ấn nút K, Relay thứ K sẽ đảo trạng thái. Hình 52: Máy trạng thái giao diện của mLPC-8 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 57 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC, GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Đề tài đã xây dựng được một hệ thống cơ bản gồm đầy đủ các phần tử của hệ chiếu sáng trên cơ sở mạng sensor/actuator không dây gồm: · 01 nút DTC · 01 nút mLCP-8 · 03 nút sensor · 01 nút công tắc cảm ứng TouchLight · Các phần mềm truyền thông không dây · Phần mềm cho nút DTC · Phần mềm cho nút mLCP-8 · Phần mềm cho các nút sensor Hình 53: Hộp DTC Hình 54: Bên trong hộp DTC ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 58 Hình 55: Hộp mLCP-8 Hình 56: Bo mạch Relay Scanner 1 (mạch của mLCP-8) Hình 57: Bo mạch Relay Scanner 2 (mạch của mLCP-8) ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 59 Hình 58: Nút công tắc cảm ứng TouchLight Hình 59: Các sensor không dây Hướng phát triển tiếp theo cần hoàn thiện là đi vào một số tính năng mở rộng của hệ thống bao gồm các chức năng: · Khả năng mở rộng bài toán với các thông số khác liên quan đến HVAC, đo điện năng tiêu thụ của tải,… đều trên cùng một nền tảng phần cứng · Khả năng mở rộng cho phép chiếu sáng tự nhiên · Xây dựng chương trình máy tính kết nối với hệ tự động hóa tòa nhà · Nâng cấp tính dự phòng của hệ thống 4.2 MỘT SỐ GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG Hệ thống điều khiển chiếu sáng của thiết kế mang đầy đủ các thành phần, đáp ứng đủ các yêu cầu của một thống điều khiển chiếu sáng hiện đại. Thiết kế này cho phép hệ thống có thể được ứng dụng cho nhiều đối tượng khác nhau, với các đặc trưng ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 60 riêng như: ứng dụng cho các tòa nhà công sở, cho các trường học, các trung tâm mua sắm, các khu vui chơi công cộng, … Tùy theo từng ứng dụng, ta sẽ chọn kiểu điều khiển cho phù hợp: có thể dùng điều khiển theo lịch trình, điều khiển theo sensor phát hiện người, kết hợp giữa bật tắt bằng tay với điều khiển theo lịch trình hoặc kết hợp bật tắt bằng tay với điều khiển sử dụng sensor phát hiện người. Trong kiểu điều khiển theo lịch trình, hệ thống cho phép chọn lịch trình thời gian theo giờ thiên văn (thời gian mặt trời mặt, thời gian mặt trời mọc) , theo thời gian làm việc của công sở, hoặc theo thời gian hoạt động của phòng học, thời gian đóng/mở của các trung tâm thương mại, các khu giải trí, … Dưới đây là một vài ví dụ ứng dụng cụ thể của hệ thống: 1. Tòa nhà công sở gồm tiền sảnh, hành lang, các phòng làm việc tập trung, các phòng làm việc riêng, khu nhà vệ sinh. + Khu vực lối đi, hành lang: sử dụng lịch trình thời gian theo giờ làm việc của công sở, kết hợp với sử dụng sensor phát hiện người. 4 am=>8 am 8 am=>5pm 5pm=>8pm 8pm=>4am + Ánh sáng tự động bật khi có công nhân đến sớm + Ánh sáng tự động tắt sau khi người rời đi 10 phút Trong thời gian làm việc, ánh sáng được duy trì (theo lịch trình) Kết thúc giờ làm việc, lịch trình kết thúc, hệ thống hoạt động theo sensor phát hiện người, thời gian trễ: 10 phút Hệ thống hoạt động theo sensor phát hiện người, thời gian trễ: 10 phút Hành lang, lối đi Tiền sảnh Văn phòng tập trung Văn phòng riêng ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 61 + Khu vực tiền sảnh: sử dụng lịch trình thời gian theo giờ làm việc của công sở, kết hớp với sử dụng sensor phát hiện người và ballast điều khiển độ sáng (điều khiển độ sáng phù hợp cho đi lại). 5am=>8:00am 8:00am=>5:30pm 5:30pm=>5am Khi người đầu tiên tới, đèn sáng, hệ thống chuyển từ chế độ tự động dùng sensor phát hiện người sang chế độ duy trì, kết hợp với điều chỉnh độ sáng. Ánh sáng được duy trì theo lịch trình đặt trước. Đến 5h30, kết thúc giờ làm việc, hệ thống chuyển sang chế độ tự động sử dụng sensor phát hiện người Hệ thống hoạt động trong chế độ tự động. + Khu vực văn phòng tập trung: sử dụng công tắc bật tắt bằng tay (có thể là công tắc gắn tường hoặc công tắc điều khiển từ xa) và điều khiển theo lịch trình đặt trước theo giờ làm việc của công sở, kết hợp với sử dụng sensor phát hiện người và ballast điều khiển độ sáng cho phù hợp phòng làm việc. 6:30am => Công tắc được bật Công tắc bật=>5:30pm 5:30pm=>6:30am 6:30am, các sensor phát hiện người ngừng hoạt động, hệ thống được điều khiển theo chế độ bật tắt bằng tay. Khi người đầu tiên đến, bật công tắc, hệ thống chuyển sang chế độ hoạt động theo lịch trình thời gian. Ánh sáng được duy trì theo lịch trình thời gian. Đến 5:30pm, hệ thống chuyển sang chế độ điều khiển tự động dùng sensor phát hiện người. Hệ thống trong chế độ điều khiển tự động dùng sensor phát hiện người. + Văn phòng riêng: Hệ thống hoạt động theo sensor phát hiện người, trong thời gian làm việc, ta sử dụng thêm chức năng điều khiển độ sáng cho phù hợp phòng làm việc. + Khu nhà vệ sinh: luôn hoạt động tự động theo sensor phát hiện người. 2. Trường học gồm tiền sảnh, hành lang, các phòng học Tại tiền sảnh và hành lang, chế độ hoạt động của hệ thống chiếu sáng giống như trong trường hợp tòa nhà công sở. Ở đây, chúng tôi chỉ đưa ra ứng dụng hệ điều khiển chiếu sáng trong phòng học: Trong các phòng học, thời gian có người trong phòng tuân theo giờ học, đồng thời cần đảm bảo lượng ánh sáng phù hợp cho các học sinh trong lớp có tính đến việc tận dụng ánh sáng tự nhiên ( ánh sáng mặt trời), do đó hệ thống điều khiển chiếu sáng cần hoạt động vừa theo sensor phát hiện người, vừa sử dụng sensor ánh sáng và sử dụng các dimmer điều chỉnh độ sáng. Trong thời gian học Ngoài thời gian học Hệ thống hoạt động trong chế độ tự động sử dụng sensor phát hiện và sensor đo độ Hệ thống hoạt động trong chế độ tự động, chỉ sử dụng sensor phát hiện ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 62 sáng, điều chỉnh độ sáng của hệ thống chiếu sáng. Thời gian trễ 10 phút. người (chỉ có người quét dọn vào phòng). Thời gian trễ 10 phút. 3. Siêu thị: + Tại các gian hàng: Thời gian mở cửa Thời gian đóng cửa Hệ thống hoạt động theo lịch trình đặt trước: trước giờ mở cửa 15 phút, đèn tại các gian hàng được bật sáng. Sau giờ đóng cửa 30 phút, hệ thống tắt đèn (khách hàng thường không ra về đúng giờ đóng cửa). Hệ thống hoạt động trong chế độ tự động, sử dụng sensor phát hiện người . + Tại các phòng điều hành: hệ thống chiếu sáng hoạt động như tại các công sở. Trên đây là một vài ví dụ ứng dụng của hệ thống điều khiển chiếu sáng của đề tài. Ngoài các ứng dụng này, hệ thống có thể ứng dụng trong nhiều bối cảnh khác như trong các khu vui chơi công cộng, tại các hộ gia đình, tại trung tâm thương mại, bệnh viện, nhà xưởng,… Tùy vào mục đích chiếu sáng, người sử dụng có thể lập trình cho hệ thống đáp ứng theo đúng các nhu cầu sử dụng của mình. 4.3 THỬ NGHIỆM Vì là một hệ tương đối phức tạp và có nhiều phần tử tham gia, nên đề tài tiến hành thử nghiệm nhằm khẳng định các kết quả đạt được theo từng bước. Việc thử nghiệm được thực hiện phối hợp với Công ty Điện Tử Hùng Dũng (www.hungdunghd.com.vn), và đề tài đã tiến hành các phép thử nghiệm chủ yếu sau: · Thử nghiệm đánh giá các hoạt động chung của các nút thông qua đánh giá tính chính xác và ổn định của các hệ điều hành: bao gồm các đánh giá về tính ổn định thông qua môi trường Debug của AVR Studio. · Thử nghiệm đánh giá hoạt động chung của phần truyền tin cho các nút: bao gồm các đánh giá về phần cứng cụ thể là đánh giá khoảng cách truyền và tỉ số bản tin lỗi · Thử nghiệm đối với các nút sensor: bao gồm đánh giá về điện năng tiêu thụ · Thử nghiệm đối với các chức năng điều khiển và chức năng hoạt động của bộ mLCP-8. · Thử nghiệm đối với các chức năng giao diện và chức năng hoạt động của bộ DTC. Dưới đây, chúng tôi chỉ trình bày chi tiết các thử nghiệm mang tính định lượng trong các bước thử nghiệm nêu trên. ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 63 + Thử nghiệm đánh giá mức độ tiêu thụ điện năng của các nút sensor không dây Để đo mức tiêu thụ năng lượng của các sensor không dây, chúng tôi lần lượt tiến hành sử dụng ampe kế đo dòng tiêu thụ trong mode hoạt động (Active mode) và mode nghỉ (Sleep mode). Mode nghỉ được duy trì trong 10s, thời gian này đủ để ta thực hiện phép đo dòng tiêu thụ. Kết quả thử nghiệm: dòng tiêu thụ trung bình trong mode hoạt động là 9.7mA, ở mode tiết kiệm năng lượng (mode nghỉ) dòng tiêu thụ trung bình là 5.1μA. Với chu kỳ hoạt động là 10s, thời gian trong mode hoạt động là 100ms, ta tính được dòng tiêu thụ trung bình là 0.105mA. Với tiêu hao dòng điện như trên, mỗi nút sensor sẽ hoạt động được trong 19047 giờ (793 ngày) khi dùng pin có dung lượng 2000mA. Thử nghiệm cho thấy các nút sensor không dây tiêu thụ ít năng lượng, đảm bảo sensor không dây có thể hoạt động độc lập bằng nguồn nuôi sử dụng pin trong một thời gian dài. Điều này cho phép các nút sensor không dây có thể được gắn được ở bất kì vị trí nào mà không bị hạn chế bởi việc cấp nguồn cho thiết bị. + Thử nghiệm kiểm tra khả năng truyền tin trong tòa nhà và chất lượng truyền tin: Bố trí thử nghiệm với một nút truyền thông trong mode truyền, các nút còn lại trong mode nhận. Các nút nhận được đặt sao cho anten nhận hướng về phía bộ truyền tín hiệu (bộ truyền tín hiệu cũng hướng anten về bộ nhận). Thiết bị nhận được đặt cố định, thiết bị truyền được đặt ở các vị trí khác nhau trong một số trường hợp: không có vật cản và trường hợp truyền tin có vật cản giữa các phòng làm việc. Để kiểm tra chất lượng truyền tin của các nút, tại mỗi vị trí thử nghiệm, nút truyền tin tạo ra khoảng 10000 gói dữ liệu và nút nhận ghi lại thông tin về các gói nhận được, các gói rớt và những gói có bit lỗi. Mỗi thiết bị nhận được kết nối với laptop. Kết quả thử nghiệm: + Khi không có vật cản, khoảng cách truyền đạt 300m, trong số 9764 gói tin truyền đi, tỉ lệ gói tin lỗi là 2.0e-4, tỉ lệ bit lỗi là 4.0e-7. + Khi thực hiện truyền tin tại các vị trí giữa các phòng làm việc, truyền thông có thể thực hiện được qua 3 bức tường, mỗi bức dày 20cm, với khoảng truyền tin 30m, trong số 9754 gói tin truyền đi, tỉ lệ gói tin lỗi là 7.3e-3, tỉ lệ bit lỗi là 2.5e-4. Như vậy, so với trường hợp không có vật cản, chất lượng quá trình truyền thông giữa các phòng vẫn được đảm bảo. Thử nghiệm cho thấy hệ chạy ổn định, đặc biệt nút truyền thông là một vấn đề phức tạp, qua nhiều lần chỉnh sửa đã chạy ổn định, có khả năng thực hiện truyền tin trong các tòa nhà công sở, nhà xưởng, … Bộ điều khiển khu vực mLCP-8 hoạt động ổn định, các chức năng điều khiển hợp lý, đơn giản, người sử dụng có thể nhanh chóng ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 64 làm chủ thiết bị. Bộ điều khiển trung tâm DTC hoạt động ổn định, chính xác trong các chế độ điều khiển. Với màn hình giao diện cảm ứng, DTC dễ vận hành, thân thiện với người sử dụng. Để thực hiện thử nghiệm hệ thống, nhóm thực hiện đề tài đã tiến hành xây dựng một mô hình thử nghiệm cho một tầng của một tòa nhà văn phòng. Các phần tử của mô hình thử nghiệm bao gồm: · 02 panel Demo và được đặt tên là