Tài liệu Báo cáo tổng kết đề tài kh&cn cấp bộ 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 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 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 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 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 1 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN - Nghiên cứu xây dựng giải pháp điều khiển chiếu sáng ứng dụng cho các phân xưởng sản xuất, tòa nhà … 2 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 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 3 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN..................................................................................66 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................67 PHỤ LỤC...........................................................................................................69 4 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 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 5 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 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 6 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 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 7 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 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 1 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 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. 2 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN · 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. 3 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 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 : 4 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 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. PANEL No.1 ZONE 1 load 1 load 2 load 3 load 4 PANEL No.2 Breaker Panel Breaker Panel load 1 load 2 load 3 load 4 ZONE 2 ZONE 1 ZONE 2 load 7 load 8 load 9 load 7 load 8 load 9 ZONE 3 ZONE 3 load 5 load 6 (Switch Stations) load 5 load 6 Hình 4: Hệ thống chiếu sáng của Hubbell 5 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 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. 6 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 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 7 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 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, … 8 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 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. 9 ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN 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. 10