Tài liệu Thiết kế bộ điều khiển có giao tiếp không dây ứng dụng cho hệ thống chiếu sáng đường quốc lộ 5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Thiết kế bộ điều khiển có giao tiếp không dây ứng dụng cho hệ thống chiếu sáng đường Quốc lộ 5 TRẦN ANH TÙNG [email protected] Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Sỹ Hồng Viện: Điện Chữ ký của GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Trần Anh Tùng Đề tài luận văn: Thiết kế bộ điều khiển có giao tiếp không dây ứng dụng cho hệ thống chiếu sáng đường Quốc lộ 5 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số SV: CBC19006 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 22/4/2021 với các nội dung sau: - Sửa lại một số lỗi chính tả trong bài viết - Sửa lại các hình có chứa font chữ quá nhỏ - Sử dụng lại một số thuật ngữ dùng sai trong bài viết - Chuẩn lại kích thước các bảng biểu, hình vẽ trong bài viết - Sửa lại một số lưu đồ thuật toán chưa chính xác trong bài - Sửa lại một số nội dung lý thuyết chưa chính xác trong bài Ngày tháng Giáo viên hướng dẫn năm Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Tóm tắt nội dung luận văn Chúng ta đang ở thời kỳ mà công nghệ chiếu sáng LED đang hoàn thiện và phát triển với tốc độ rất cao. Với thành công trong việc tìm ra bí quyết công nghệ chế tạo LED kỹ thuật chiếu sáng LED đã chuyển sang giai đoạn mới, tỏ rõ ưu thế tuyệt đối so với chiếu sáng bằng công nghệ phóng điện chất khí. Để đánh giá chất lượng một hệ thống chiếu sáng người ta thường dùng ba chỉ tiêu: hiệu suất năng lượng tính bằng đơn vị quang thông (lumen) trên một đơn vị công suất tính bằng Oát, chỉ số màu CRI (Color Rendering Index) phản ánh mức độ trung thực về màu của nguồn sáng so với ánh sáng tự nhiên và cuối cùng là chỉ tiêu về tuổi thọ tính theo giờ. Các chỉ tiêu chất lượng của bóng LED hoàn toàn vượt qua các đèn huỳnh quang. Ngoài ra LED còn có những ưu điểm như cho phép thay đổi (dimming) từ 0-100% quang thông, đổi màu, dải điện áp làm việc rất rộng, khởi động tức thời, độ bền cơ cao. Rào cản duy nhất mà các LED gặp phải là giá thành còn khá cao. Để cải thiện điều này em muốn nghiên cứu phát triển một phương án giám sát điều khiển chiếu sáng tự động để tối ưu hóa các đặc tính mà đèn LED có là dimming và khởi động tức thời giúp tiết kiệm điện năng từ đó giảm đáng kể chi phí tiêu thụ điện cho các công trình chiếu sáng. Các công việc cần triển khai: - Tìm hiểu, khảo sát bài toán thực tế - Tìm hiểu, phân tích lựa chọn và ứng dụng biện pháp truyền thông không dây - Thiết kế phần cứng bộ điều khiển trung tâm - Thiết kế phần mềm giám sát và điều khiển tự động + Thiết kế phần mềm bộ điều khiển slave trên đèn chiếu sáng + Thiết kế phần mềm bộ điều khiển trung tâm ở tủ chiếu sáng + Thiết kế phần mềm TCP listen tại server - Thử nghiệm và đánh giá Do còn hạn hẹp về mặt kiến thức nên không tránh khỏi thiếu sót. Em mong nhận được sự hướng dẫn của các thầy cô để đồ án của em được tốt hơn. Em xin chân thành cảm ơn. Em cũng xin cảm ơn công ty Cổ phần chiếu sáng led và thiết bị công nghệ LEDTEK đã tạo điều kiện cho em được nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống chiếu sáng quốc lộ 5 đoạn qua tỉnh Hải Dương. HỌC VIÊN Ký và ghi rõ họ tên MỤC LỤC CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG ĐƯỜNG QUỐC LỘ .......................................................................................................................... 1 1.1 Giới thiệu.................................................................................................... 1 1.1.1 Bài toán thực tế ........................................................................... 1 1.1.2 Tổng quan về hiện trạng hệ thống chiếu sáng............................. 1 1.2 Các tiêu chí và yêu cầu kỹ thuật chính....................................................... 2 1.3 Chế độ điều khiển....................................................................................... 4 1.4 Chiếu sáng giao thông ................................................................................ 4 1.5 Các giải pháp cho hệ thống đèn đường ...................................................... 6 1.5.1 Giải pháp của hãng Advantech[5] ............................................... 6 1.5.2 Giải pháp của hãng Philips[6] ..................................................... 7 CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ TỔNG QUAN ............................. 8 2.1 Khảo sát thực trạng bài toán thực tế........................................................... 8 2.2 Yêu cầu thiết kế ........................................................................................ 11 2.2.1 Tủ điều khiển chiếu sáng .......................................................... 11 2.2.2 Đèn đường Led công suất 138W .............................................. 12 2.3 Giải pháp thiết kế tổng thể ....................................................................... 12 2.4 Thiết kế sơ đồ khối ................................................................................... 14 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG.......................................................... 15 3.1 Chọn thiết bị truyền thông không dây ...................................................... 15 3.1.1 Giới thiệu công nghệ Zigbee ..................................................... 15 3.1.2 Tổng quan module Zigbee của hãng DTK[8] ........................... 15 3.1.3 Module Zigbee DRF1609H ...................................................... 17 3.2 Thiết kế phần mềm cho bộ Nema điều khiển đèn đường Led công suất 138W 19 3.3 Thiết kế tủ điều khiển chiếu sáng............................................................. 20 3.4 Thiết kế phần cứng bộ điều khiển trung tâm ........................................... 21 3.4.1 Giới thiệu về vi điều khiển ARM.............................................. 21 3.4.2 Sử dụng Kit phát triển test các ngoại vi trước khi thiết kế ....... 22 3.4.3 Sử dụng phần mềm STM32CubeMX để hỗ trợ khởi tạo phần cứng, ngoại vi, xung nhịp cho vi điều khiển STM32 ................................... 22 3.4.4 Sử dụng Altium thiết kế phần cứng .......................................... 22 3.4.5 Chọn màn hình giao tiếp với người dùng ................................. 26 CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ PHẦN MỀM ........................................................... 28 4.1 Thiết kế phần mềm cho chip stm32f4vet6 bộ điều khiển trung tâm ....... 28 4.1.1 Nguyên lý tổ chức lập trình ...................................................... 28 4.1.2 Thư mục System ....................................................................... 30 4.1.3 Thư mục GPIO.......................................................................... 31 4.1.4 Thư mục LightControl .............................................................. 31 4.1.5 Thư mục UART_HMI .............................................................. 40 4.1.6 Thư mục GSM .......................................................................... 42 4.1.7 Thư mục UpdateFirmware ........................................................ 47 4.1.8 Thư mục SPI_ADE7753 ........................................................... 49 4.2 Thiết kế giao diện và phần mềm cho màn hình HMI .............................. 49 4.3 Thiết kế phần mềm application server TCP IP Listen ............................. 53 4.3.1 Cấu hình NAT Port cho máy tính và module wifi để tạo server ảo thiết kế và debug ứng dụng TCP IP Listen .................................................. 53 4.3.2 Sử dụng phần mềm visual studio thiết kế application window form tạo application server .......................................................................... 55 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................................................................. 61 5.1 Kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm ........................................... 61 5.1.1 Bộ điều khiển trung tâm và bộ Nema ....................................... 61 5.1.2 Thử nghiệm điều khiển từ server xuống bộ điều khiển trung tâm 62 5.1.3 Lắp đặt và vận hành thử hệ thống dưới quốc lộ 5. ................... 65 5.2 Đánh giá hệ thống .................................................................................... 69 5.3 Hướng phát triển ...................................................................................... 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 70 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 71 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Công nghệ chiếu sáng thông minh và IoT[4] .......................................... 5 Hình 1.2 Mô hình chiếu sáng Advantech ............................................................... 6 Hình 2.1 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng Cầu Đồng Niên .............................. 9 Hình 2.2 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng Cầu Phú Lương .............................. 9 Hình 2.3 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng Cầu Lai Vu..................................... 9 Hình 2.4 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 25 .................... 9 Hình 2.5 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 26 .................. 10 Hình 2.6 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 27 .................. 10 Hình 2.7 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 28 .................. 10 Hình 2.8 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 29 .................. 10 Hình 2.9 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 30 .................. 11 Hình 2.10 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 31 ................ 11 Hình 2.11 Hệ thống điều khiển chiếu sáng quốc lộ 5 .......................................... 13 Hình 2.12 Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................ 14 Hình 3.1 Mô hình truyền data của mạng Zigbee.................................................. 15 Hình 3.2 Mô hình định tuyến điều khiển đèn ...................................................... 16 Hình 3.3 Giao diện cài đặt cho module Zigbee DRF1609H ................................ 16 Hình 3.4 Sơ đồ kết nối module DRF1609H ......................................................... 17 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lí mạch chứa module DRF1609H giao tiếp MCU ......... 18 Hình 3.6 Kết quả thử nghiệm ngoài trời lần 1 ..................................................... 18 Hình 3.7 Thuật toán điều khiển cho bộ Nema ..................................................... 19 Hình 3.8 Sơ đồ bố trí bên trong tủ điều khiển chiếu sáng .................................... 20 Hình 3.9 Nguyên lí khối nguồn bộ điều khiển ..................................................... 23 Hình 3.10 Nguyên lí giao tiếp thẻ nhớ ................................................................. 24 Hình 3.11 Nguyên lí giao tiếp ADE7753 ............................................................. 24 Hình 3.12 Nguyên lí giao tiếp ADE7753 trong datasheet[9] ............................... 24 Hình 3.13 Bàn phím và led báo trạng thái ........................................................... 25 Hình 3.14 Mạch điều khiển trung tâm ................................................................. 25 Hình 3.15 Mạch mở rộng ngoại vi cách ly........................................................... 26 Hình 3.16 Màn hình HMI Nextion....................................................................... 26 Hình 4.1 Nguyên lí tổ chức code ......................................................................... 28 Hình 4.2 Tạo struct toàn cục lưu các biến và struct biến ..................................... 29 Hình 4.3 Chức năng quan trọng của ngắt SysTick .............................................. 29 Hình 4.4 Ví dụ vòng lặp 300ms trong main ......................................................... 30 Hình 4.5 Nguyên lí vòng lặp while() ................................................................... 30 Hình 4.6 Chương trình con thông thường ............................................................ 31 Hình 4.7 Lưu đồ thuật toán 5000ms điều khiển hệ thống đèn ............................. 32 Hình 4.8 Lưu đồ thuật toán 100ms điều khiển hệ thống đèn ............................... 33 Hình 4.9 Bắt đầu điều khiển toàn hệ thống.......................................................... 34 Hình 4.10 Kết thúc điều khiển toàn hệ thống ...................................................... 35 Hình 4.11 Bắt đầu và kết thúc điều khiển bật một nhóm đèn .............................. 36 Hình 4.12 Lưu đồ xử lý bắt đầu và kết thúc yêu cầu đèn báo cáo trạng thái ...... 37 Hình 4.13 Lưu đồ thuật toán 300ms điều khiển hệ thống đèn ............................. 38 Hình 4.14 Lưu đồ thuật toán phần thứ nhất của thuật toán điều khiển hệ thống đèn theo lịch ................................................................................................................ 39 Hình 4.15 Lưu đồ thuật toán phần thứ hai của thuật toán điều khiển hệ thống đèn theo lịch ................................................................................................................ 40 Hình 4.16 Nguyên lí xử lý tín hiệu nhận trong ngắt uart ..................................... 41 Hình 4.17 Lưu đồ thuật toán xử lý dữ liệu nhận được từ cổng uart HMI ........... 41 Hình 4.18 Lưu đồ thuật toán giao tiếp với module sim ....................................... 42 Hình 4.19 Lưu đồ thuật toán chương trình con trong vòng lặp 100ms ............... 44 Hình 4.20 Lưu đồ thuật toán chương trình con trong vòng lặp 10000ms ........... 46 Hình 4.21 Mô hình tổng quát firmware thiết bị ................................................... 48 Hình 4.22 Phần mềm nạp chương trình cho bộ xử lý sử dụng chip stm ............. 49 Hình 4.23 Giao diện logo và giao diện chờ khởi tạo ban đầu ............................. 50 Hình 4.24 Giao diện màn hình chính ................................................................... 50 Hình 4.25 Giao diện hiển thị kết quả đo các thông số điện năng ........................ 51 Hình 4.26 Giao diện bàn phím ............................................................................. 51 Hình 4.27 Giao diện cài đặt chung ...................................................................... 52 Hình 4.28 Giao diện cài đặt đèn cho từng group ................................................. 52 Hình 4.29 Giao diện hệ thống .............................................................................. 53 Hình 4.30 Giao diện cài đặt lịch .......................................................................... 53 Hình 4.31 Ví dụ cài đặt các module Wifi để cấu hình NAT Port ........................ 54 Hình 4.32 Sử dụng phần mềm Hercules để kiểm tra đường truyền .................... 55 Hình 4.33 Nguyên lý tổ chức lập trình ứng dụng TCP IP Listen (bản phóng to xem ở Phụ lục đính kèm) ............................................................................................. 56 Hình 4.34 Giao diện chính của ứng dụng TCP IP Listen .................................... 57 Hình 4.35 Setting các thông số chính của ứng dụng ........................................... 57 Hình 4.36 Giao diện quản lí các thiết bị .............................................................. 58 Hình 4.37 Giao diện test các lệnh giao tiếp giữa ứng dụng TCPIP listen và thiết bị .............................................................................................................................. 58 Hình 4.38 Giao diện cập nhật phần mềm............................................................. 58 Hình 4.39 Cơ sở dữ liệu sql ................................................................................. 59 Hình 4.40 DBEntities ........................................................................................... 59 Hình 5.1 Hình ảnh bộ điều khiển trung tâm ......................................................... 61 Hình 5.2 Thử nghiệm giao tiếp không dây trong phòng thí nghiệm.................... 61 Hình 5.3 Thử nghiệm cập nhật chương trình từ xa qua server ............................ 64 Hình 5.4 Tủ cầu Đồng Niên ................................................................................. 65 Hình 5.5 Tủ cầu Phú Lương ................................................................................. 65 Hình 5.6 Tủ cầu Lai Vu........................................................................................ 66 Hình 5.7 Tủ trạm biến áp 25 ................................................................................ 66 Hình 5.8 Tủ trạm biến áp 26 ................................................................................ 66 Hình 5.9 Tủ trạm biến áp 27 ................................................................................ 67 Hình 5.10 Tủ trạm biến áp 28 .............................................................................. 67 Hình 5.11 Tủ trạm biến áp 29 .............................................................................. 67 Hình 5.12 Tủ trạm biến áp 30 .............................................................................. 68 Hình 5.13 Tủ trạm biến áp 31 .............................................................................. 68 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Quy định về yêu cầu chiếu sáng cho các loại đường giao thông ........... 2 Bảng 2.1 Khảo sát khối lượng hệ thống ................................................................ 8 Bảng 3.1 Thông số module DRF1609H .............................................................. 17 Bảng 4.1 Phân vùng và chức năng bộ nhớ........................................................... 47 Bảng 5.1 Nội dung các câu lệnh giao tiếp server và thiết bị ............................... 62 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG ĐƯỜNG QUỐC LỘ 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Bài toán thực tế Hệ thống điện chiếu sáng trên QL5 được xây dựng, hoàn thành và đưa vào sử dụng từ năm 2001. Trên dọc tuyến, hệ thống chiếu sáng được bố trí chủ yếu tập trung ở các khu đông dân cư, các nút giao với đường dân sinh và các Trạm thu phí. Hệ thống điện chiếu sáng trên QL5 đoạn từ Km49+000 đến Km82+800 có tổng số 15 khu vực được bố trí hệ thống điện chiếu sáng bao gồm 422 cột đèn chiếu sáng được lắp bóng đèn Sodium công suất 250W. Nguồn điện cung cấp cho 15 khu vực này lấy từ các Trạm biến áp được xây dựng riêng cho hệ thống điện chiếu sáng của tuyến. Qua thời gian khai thác vận hành, các hạng mục thuộc hệ thống điện chiếu sáng như cột điện, bóng đèn, đường dây, trạm biến áp... đã được các đơn vị quản lý, vận hành sửa chữa và thay thế nhiều lần. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hạng mục kết cấu, vị trí và khu vực thuộc hệ thống đã bị hư hỏng, xuống cấp ảnh hưởng lớn đến chất lượng phục vụ, an toàn... nhưng chưa được đầu tư sửa chữa, thay thế. Việc thực hiện công trình “Sửa chữa thay thế hệ thống điện chiếu sáng, tăng cường chiếu sáng cho các nút giao và Trạm thu phí số 2 trên Quốc lộ 5 đoạn từ Km49+000 đến Km82+800, thay thế Trạm biến áp số 19 tại Km36+530” để đảm bảo an toàn cho các hạng mục kết cấu và sẽ nâng cao hiệu quả chiếu sáng giao thông, đảm bảo an toàn cho người và các phương tiện tham gia giao thông trên QL5. 1.1.2 Tổng quan về hiện trạng hệ thống chiếu sáng Căn cứ kết quả khảo sát, đánh giá và yêu cầu tại các Biên bản kiểm tra hiện trường giữa cơ quan quản lý Nhà nước có thẩm quyền (Tổng cục ĐBVN, Cục Quản lý Đường bộ I, Chi cục Quản lý Đường bộ I.6) và VIDIFI ngày 31/7/2019 và ngày 08/10/2018. [1] Các tài liệu khảo sát, thống kê hiện trạng QL5 phục vụ bàn giao, quản lý khai thác và sửa chữa QL5 do TECCO2 thực hiện.[2] Căn cứ kết quả điều tra, khảo sát tại hiện trường của Công ty CP Tư vấn thiết kế Đường bộ (HECO) - Tư vấn thiết kế về hệ thống điện chiếu sáng trên QL5 đoạn từ Km49+000 - Km82+800. [3] Đánh giá tổng quan về tình trạng của hệ thống điện chiếu sáng trên QL5 đoạn từ Km49 - Km82+800, Trạm thu phí số 2 (Km82+800) và Trạm biến áp số 19 (Km36+530): Hệ thống bóng đèn cũ cường độ sáng yếu, nhiều vị trí bóng đèn bị cháy, không sáng. Phần gá lắp đèn vào cần vươn của cột bị mọt, han gỉ tương đối nặng, không đảm bảo độ chắc chắn và an toàn. - Cột đèn bị bong tróc sơn chống gỉ, thân cột và cần đèn bị gỉ sét, khớp nối bị mọt gỉ. Ốc bắt chân đế cột bị mọt gỉ và oxy hóa. Nhiều cột đèn nắp cửa cột đã bị mất hoặc bị hỏng, cong vênh, không còn tác dụng chống bụi và nước mưa. - Bảng điện của cột đèn bị hư hỏng, mục nát hoặc bị mất. - Cầu đấu trên bảng điện cửa cột đã bị lão hóa, gãy vỡ. - Nhiều vị trí bị mất hoặc hư hỏng aptomat và không có aptomat bảo vệ đèn. 1 - Hệ thống cáp điện cũ hỏng, rạn nứt vỏ, vỡ đầu cáp, mất đầu cốt phải nối trực tiếp và dùng băng dính cách điện để quấn. Nhiều vị trí cáp điện trồi lên trên mặt đất. - Tủ điều khiển chiếu sáng cũ hỏng, vỏ tủ han gỉ mất khả năng chống bụi và bị nước thâm nhập. Thiết bị điều khiển đóng/cắt trong tủ đã hư hỏng, long vỡ.... - Hệ thống chiếu sáng bố trí tại nhiều nút giao với đường dân sinh hiện có còn rất hạn chế, đã bị xuống cấp và không đảm bảo được điều kiện ánh sáng cho phạm vi nút giao. 1.2 Các tiêu chí và yêu cầu kỹ thuật chính - Hệ thống chiếu sáng được thiết kế đáp ứng Quy chuẩn QCVN 707:2016/BXD - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia các công trình hạ tầng kỹ thuật công trình chiếu sáng (chi tiết như bảng 1.1). Bảng 1.1 Quy định về yêu cầu chiếu sáng cho các loại đường giao thông TT Cấp đường Độ Độ chói Độ Độ Độ rọi trung đồng đồng tăng bình tối đều đều ngưỡng ngang thiểu chun dọc lóa tối trung g đa bình Đặc tối điểm thiểu Ltb (cd/m 2 ) 1 Đường Tốc độ cấp 80đô thị: 100Km/ Đường h cao tốc. 2 Đường Có dải cấp phân đô thị: cách Đường Không trục dải phân chính, cách Đường chính đô thị, Đường liên khu vực 3 Đường Có dải cấp khu phân vực: cách En,tb (lx) Uo U1 TI (%) 2 0,4 0,7 10 20 1 ,5 0,4 0,7 10 10 2 0,4 0,7 10 20 1 0,4 0,6 10 7 2 Đường Không chính dải phân khu vực, cách Đường khu vực. 1,5 0,4 0,6 10 10 4 Đường Hai bên đường cấp nội bộ. sáng 0,75 0,4 0,5 15 7 Hai bên đường tối 0,5 0,4 0,5 15 10 Do đó đối với đường Quốc lộ 5 là đường trục chính khu vực, có dải phân cách giữa nên hệ thống chiếu sáng phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật như sau: + Độ chói trung bình, Ltb (cd/m2 ) ≥ 1,5 + Độ đồng đều chung, Uo ≥ 0,4. + Độ đồng đều dọc, Ul ≥ 0,7 + Độ tăng ngưỡng lóa tối đa, I (%) ≤ 10. + Độ rọi ngang trung bình tối thiểu, En,tb (lx) ≥ 10. - Việc tính toán các thông số (Công suất, Quang thông và hiệu suất phát quang, biểu đồ phân bố cường độ sáng) cho các loại đèn LED trong Dự án được Tư vấn thiết kế và tính toán bằng phần mềm tính toán chiếu sáng Dialux. Khi sử dụng các loại đèn lắp đặt cho Dự án, yêu cầu phải sử dụng các đèn có Biểu đồ phân bố cường độ sáng phù hợp và theo Bản vẽ thiết kế chi tiết của từng loại đèn. Đồng thời có các thông số kỹ thuật đáp ứng thông số trong bản vẽ chi tiết đèn, như sau: + Công suất thực tế của phải nằm trong dải công suất tính toán ±5%. + Quang thông và hiệu suất phát quang phải không nhỏ hơn quang thông và hiệu suất phát quang tính toán. - Đèn chiếu sáng được chế tạo trong nước phù hợp với tiêu chuẩn Châu Âu EN 60598. - Sử dụng công nghệ hiện đại, chiếu sáng bằng đèn LED tiết kiệm năng lượng và có tuổi thọ cao. - Điều khiển và vận hành hệ thống linh hoạt phù hợp với yêu cầu khai thác, đảm bảo an toàn.... - Hệ thống lắp mới đồng nhất với hệ thống chiếu sáng đã lắp đặt trên tuyến và có tính thẩm mỹ, hài hòa với cảnh quan khu vực. - Các thiết bị điện sử dụng trong hệ thống phải làm việc ổn định trong điều kiện điện áp có nhiều dao động. - Cột đèn chiếu sáng sử dụng trong Dự án theo tiêu chuẩn BS 5649, Tr7. - Các thiết bị đảm bảo có khả năng làm việc an toàn, ổn định trong các điều kiện về môi trường như nhiệt độ cao, độ ẩm cao, nắng mặt trời, mưa to, gió bão, động đất.... 3 - Đáp ứng các yêu cầu về an toàn, thuận tiện trong vận hành và duy tu bảo dưỡng 1.3 Chế độ điều khiển - Điều khiển cục bộ khu vực theo thời gian từ tủ chiếu sáng (có thể cài đặt nhiều chế độ để phù hợp). Tủ điều khiển có thể điều khiển linh hoạt và kiểm soát bằng phần mềm, chương trình và các chế độ Tự động hoặc Bán tự động hoặc Bằng tay khi cần thiết. Các đèn LED thay mới có khả năng tự động tiết giảm công suất để tiết kiệm điện năng. Chế độ tiết giảm công suất được tích hợp sẵn trong bộ nguồn của đèn LED (Driver) và có khả năng điều chỉnh theo yêu cầu của người sử dụng. An toàn hệ thống - Hệ thống phải được trang bị các thiết bị bảo vệ để Chống quá dòng, quá tải, quá áp/kém áp đầu vào, bảo vệ chống giật, chống rò điện ra bên các trang thiết bị điện (Tủ, Đèn, Cột…). - Cột thép, vỏ tủ điện và các chi tiết bằng kim loại không mang điện được nối vào hệ thống tiếp địa an toàn. - Cảnh báo người dùng về quá dòng, quá áp, sự cố đèn. 1.4 Chiếu sáng giao thông Trong thời đại cách mạng công nghiệp 4.0 xu hướng xây dựng đô thị tự động hóa dựa trên nền tảng Internet kết nối vạn vật (Internet of things) IoT, trí tuệ nhân tạo để cải thiện chất lượng phục vụ của chính quyền đô thị, sử dụng hiệu quả và bền vững các nguồn năng lượng, tài nguyên thiên nhiên, tối ưu hóa việc điều hành và các dịch vụ công ích trở nên cấp thiết. Việc giám sát và điều khiển chiếu sáng giao thông hợp lí là một thành tố quan trọng trong đô thị hóa, tự động hóa. LED là nguồn sáng có hiệu suất phát quang cao, LED thương mại thường đạt trên 100 lm/W. Hệ số thể hiện màu (CRI) của LED rất cao, vào khoảng 80-90. LED có tuổi thọ cao, vào khoảng 50.000h, vì vậy LED là nguồn sáng tối ưu cho kỹ thuật chiếu sáng tiết kiệm và hiệu quả. Đặc biệt LED cho phép dimming từ 0100% quang thông định mức và điều chỉnh màu dễ dàng. Điều này giúp cho việc điều khiển LED thuận lợi hơn nhiều so với điều khiển các nguồn sáng khác. Các ứng dụng của công nghệ chiếu sáng có thể kể đến: - Chiếu sáng trong nhà: căn hộ, siêu thị, văn phòng... - Chiếu sáng ngoài trời: chiếu sáng cảnh quan đô thị, chiếu sáng đường giao thông... Một hệ thống chiếu sáng thông minh gồm các phần tử chính: - Đèn - Cảm biến - Bộ điều khiển - Truyền thông Hiện nay công nghệ chiếu sáng sử dụng chủ yếu các cảm biến phát hiện người sử dụng trong vùng cần chiếu sáng. Các công nghệ chủ yếu cho cảm biến loại này là: cảm biến hồng ngoại thụ động, cảm biến radar. 4 Mạng truyền thông: Một phần tử quan trọng trong hệ thống chiếu sáng thông minh là công nghệ kết nối giữa các phần tử trong hệ thống. Các công nghệ kết nối được phân thành hai loại chính. - Kết nối có dây bao gồm các công nghệ sau: DALI (Digital Addressable Lighting Interface); Ethernet; BACnet (Building Automation and Control networks); Lonworks. Trong đó DALI được sử dụng phổ biến trong các hệ thống chiếu sáng. - Kết nối không dây bao gồm các công nghệ: ZigBee; Wifi; Bluetooth... Công nghệ Zigbee: Zigbee là một tiêu chuẩn được định nghĩa: là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp, tiêu thụ ít năng lượng. ZigBee được hỗ trợ trong các dải tần số 784MHz (Trung Quốc), 868MHz (châu Âu), 915MHz (Mỹ và Úc), 2.4GHz (ở hầu hết các nước). ZigBee hỗ trợ ba kiểu cấu trúc mạng: mạng hình sao, mạng hình cây và mạng hình lưới. Công nghệ Bluetooth: Bluetooth là chuẩn công nghệ không dây ứng dụng để trao đổi thông tin giữa các thiết bị trong một khoảng cách ngắn sử dụng băng tần ISM từ 2.4 đến 2.485 GHz được phát triển bới tổ chức Bluetooth Special Interest Group (SIG). Công nghệ điều khiển chiếu sáng: Xu hướng các hệ thống chiếu sáng được giám sát và điều khiển từ xa thông qua các thiết bị di động đang ngày càng được phát triển. Hình 1.1 là sơ đồ hệ thống chiếu sáng đường phố trong đó tín hiệu điều khiển các đèn được truyền qua mạng truyền thông. Trung tâm điều khiển qua Internet điều khiển tự động chế độ chiếu sáng các đèn theo thời gian và giám sát hoạt động của từng đèn. Các đèn kết nối có dây hoặc không dây với một Gateway. Thiết bị điều khiển, thường sử dụng là các smartphone hoặc máy tính, kết nối với Gateway thông qua bộ Router để điều khiển các đèn trong hệ thống. Hình 1.1 Công nghệ chiếu sáng thông minh và IoT[4] 5 1.5 Các giải pháp cho hệ thống đèn đường Hàng ngàn đèn đường tại các đô thị giúp chiếu sáng thành phố để tài xế và người đi bộ tìm đường về nhà an toàn. Nhưng một lượng lớn năng lượng điện được tiêu thụ để làm điều này, vì vậy giảm tiêu thụ điện của hệ thống đèn đường sẽ giúp tiết kiệm tiền và tất nhiên, giúp ích cho môi trường. 1.5.1 Giải pháp của hãng Advantech[5] Yêu cầu: Một giải pháp chiếu sáng đường phố thông minh là cách tốt nhất để đáp ứng các yêu cầu này. Chính quyền thành phố quyết định thực hiện giải pháp với cảm biến bức xạ mặt trời, cảm biến chất lượng không khí môi trường và máy tính công nghiệp trong hệ thống chiếu sáng đường phố thông minh tự động điều chỉnh độ sáng khi cảm nhận sự thay đổi ánh sáng ban ngày và phương tiện hoặc người đến gần. Để hoàn thiện hệ thống, một máy tính IoT gateway mạnh mẽ cũng cần thiết để thu thập và kiểm soát tất cả dữ liệu từ các cảm biến này. Giải pháp: Máy tính IoT gateway UTX-3117 của Advantech sử dụng một số cảm biến và công nghệ RF để bật/tắt đèn theo dữ liệu bức xạ mặt trời, với tính năng làm mờ ánh sáng tự động 50-70% để tiết kiệm năng lượng mà không làm giảm độ an toàn, tăng độ sáng khi có xe hơi hoặc người đi bộ tới gần. Advantech UTX-3117 được thiết kế như một sản phẩm gateway cho các ứng dụng IoT. UTX3117 được cung cấp với nền tảng vi xử lý Atom mới nhất của Intel có hiệu năng CPU và đồ họa tốt hơn. Nó có thiết kế không quạt, kích thước bằng lòng bàn tay với giải pháp tản nhiệt hai mặt hỗ trợ hoạt động nhiệt độ kéo dài. UTX-3117 cung cấp 3 mô-đun RF và 5 ăng-ten và nó có phần mềm thông minh WISE-PaaS được tích hợp để cung cấp một giải pháp tổng thể để kết nối liền mạch từ cảm biến lên đám mây. Hình 1.2 mô tả mô hình chiếu sáng của hãng Advantech. Hình 1.2 Mô hình chiếu sáng Advantech Ưu điểm: - Đa kết nối dưới nhiệt độ mở rộng (−20~60°C): Nhiều thiết bị bổ sung có thể được triển khai trong hệ thống chiếu sáng đường phố thông minh như cảm biến chất lượng môi trường, cảm biến hạt mịn PM2.5, máy đo gió và máy đo mưa. UTX-3117 đóng vai trò là lõi cho RF và dữ liệu không dây được thu thập từ các cảm biến trong mạng diện rộng. UTX-3117 hỗ trợ các giao thức khác nhau bao gồm 6LowPAN, Zigbee, WiFi, BLE, LoRa, NB-IOT và phân tích dữ liệu hữu ích trước khi gửi lên Đám mây qua kết nối 3G/LTE, WiFi, Ethernet. UTX-3117 sử dụng thiết kế tản nhiệt được tối ưu hóa để có thể duy trì hoạt động trong tình trạng full-load trong các môi trường khắc nghiệt từ -20 ~ 60°C. - Nền tảng đồ họa hiệu suất cao: UTX-3117 được thiết kế với bộ vi xử lý Intel® Atom E3900, giúp tăng cường hiệu suất CPU 30% và tăng hiệu suất đồ họa 45%. Nó cũng bao gồm các chức năng mã hóa/giải mã video HEVC và VP9 HW. UTX6 3117 đã được cài đặt với camera IP được sử dụng để giám sát lưu lượng giao thông trong thành phố và có thể khuyên lái xe tránh các điểm nóng giao thông nhất định. Hơn nữa, nó có thể phát hiện các khu vực đỗ xe địa phương và chia sẻ thông tin bãi đậu xe có sẵn với các tài xế. Các camera IP cũng được sử dụng để giám sát và đảm bảo an toàn an ninh công cộng, dữ liệu video được ghi lại của thậm chí có thể hỗ trợ việc điều tra tội phạm. - Phần mềm tích hợp: Phần mềm dịch vụ đám mây được cấu hình sẵn WISEPaaS của Advantech tạo ra một đường dẫn cho luồng dữ liệu từ các cảm biến đến đám mây và nó đẩy các bản cập nhật firmware cảm biến từ Cloud. WISE-PaaS cũng cung cấp theo dõi tình trạng sức khỏe của gateway và chuyển đổi bật/tắt từ xa từ các phòng điều khiển hoặc thiết bị di động. Kết luận: Thông qua thiết bị UTX-3117 IoT Gateway với WISE-PaaS, hệ thống chiếu sáng đường phố trong thành phố đã nhanh chóng được triển khai để tiết kiệm điện, giám sát dữ liệu môi trường và giám sát video để giúp thành phố thông minh hơn và an toàn hơn. 1.5.2 Giải pháp của hãng Philips[6] Thành phố thông minh đang là xu thế tất yếu cho cuộc cách mạng 4.0 sắp diễn ra. Tại khu vực diễn đàn châu Á - Thái Bình Dương lần thứ ba về thành phố thông minh (Smart Cities ) và chính phủ điện tử (E - Goverment ) diễn ra tại BangKok, thảo luận tầm nhìn phát triển đô thị để tích hợp phát triển công nghệ thông tin và truyền thông và công nghệ Internet Of Thing (IOT) theo một cách an toàn để quản lý thành phố, bao gồm các trường học , thư viện, hệ thống giao thông, bệnh viện, các nhà máy, các dịch vụ cộng đồng.... Đón đầu nền công nghiệp mới, Philips cung cấp các sản phẩm thông minh trong đó có hệ thống đèn đường Led Philips đang được lắp đặt ở nhiều thành phố lớn trên thế giới. Tại sự kiện dành riêng cho đối tác và khách hàng doanh nghiệp diễn ra vừa qua tại TP.HCM, Philips ra mắt loạt giải pháp chiếu sáng Led thông minh cho bốn phân khúc nhà xưởng, văn phòng, ngoài trời và đường phố,dịch vụ thương mại. Đặc biệt là gồm dòng đèn LED RoadFlair cao cấp và phần mềm quản lý hệ thống chiếu sáng CityTouch. Hệ thống đèn đường Led thông minh mới của Philips được trang bị tích hợp cảm biến điều khiển, các bộ phần mềm để tạo ra hệ thống chiếu sáng thông minh, cho phép kết nối Internet, vận hành và quản lý từ xa. City Touch tạo nên một giải pháp quản lý chiếu sáng thông minh toàn diện khi cho phép các nhà quản lý chiếu sáng từ điện thoại thông minh, mọi lúc mọi nơi, thực hiện các tác vụ chưa từng được thực hiện như điều khiển, kiểm tra các điểm đèn trên hệ thống đèn đường trong thành phố mà không cần mất công đi kiểm tra từng điểm, cài đặt theo dõi lịch trình bật tắt, tăng giảm độ sáng, cập nhật các dữ liệu thống kê và hình ảnh từng khu vực. Theo ông Eric Benedetti, Tổng giám đốc Philips Việt Nam – Ngành Chiếu sáng cho biết giải pháp chiếu sáng tiên tiến này đã được ứng dụng tại 250 đô thị ở 31 quốc gia trên toàn cầu như Anh, Mỹ, Tây Ban Nha, Canada,... Việc tiết kiệm năng lượng, thời gian và sự tiện lợi của hệ thống này mang lại đã khuyến khích sự đầu tư của các doanh nghiệp và sự hỗ trợ của chính phủ các nước. Giá trị chiếu sáng của hệ thống đèn đường Led Philips thông minh mang lại là rất lớn, vượt qua giới hạn chiếu sáng thông thường. 7 CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ TỔNG QUAN 2.1 Khảo sát thực trạng bài toán thực tế Bảng 2.1 Khảo sát khối lượng hệ thống STT Khu vực chiếu sáng/ Phạm vi bố trí chiếu sáng theo lý trình Khối lượng 1 Cầu Đồng Niên Phạm vi: từ Km49+025 đến Km50+070 Vị trí tủ chiếu sáng: Km49+700 1 tủ 12 đèn 2 Cầu Phú Lương Phạm vi: từ Km54+385 đến Km58+200 Vị trí tủ chiếu sáng: Km57+135 1 tủ 30 đèn 3 Cầu Lai Vu Phạm vi: từ Km60+132 đến Km60+545 Vị trí tủ chiếu sáng: Km60+450 1 tủ 4 Trạm biến áp số 25 Phạm vi: từ Km62+745 đến Km63+285 Vị trí tủ chiếu sáng: Km63+060 1 tủ 32 đèn 5 Trạm biến áp số 26 Phạm vi: từ Km64+410 đến Km815 Vị trí tủ chiếu sáng: Km64+800 1 tủ 24 đèn 6 Trạm biến áp số 27 Phạm vi: từ Km67+070 đến Km67+660 Vị trí tủ chiếu sáng: Km67+150 1 tủ 36 đèn 7 Trạm biến áp số 28 Phạm vi: từ Km69+870 đến Km70+523 Vị trí tủ chiếu sáng: Km70+125 1 tủ 24 đèn 8 Trạm biến áp số 29 Phạm vi: từ Km72+815 đến Km74+490 Vị trí tủ chiếu sáng: Km73+760 1 tủ 90 đèn 9 Trạm biến áp số 30 Phạm vi: từ Km76+850 đến Km77+230 Vị trí tủ chiếu sáng: Km76+860 1 tủ 24 đèn 10 Trạm biến áp số 31 Phạm vi: từ Km81+385 đến Km81+785 Vị trí tủ chiếu sáng: Km81+680 1 tủ 24 đèn 10 đèn Khảo sát thực trạng hệ thống điện chiếu sáng, bao gồm: khu vực chiếu sáng, phạm vi chiếu sáng theo lý trình, vị trí đặt tủ điều khiển chiếu sáng và vị trí trạm biến áp sử dụng cho khu vực. Khảo sát cho thấy hiện trạng đèn Sodium xuống cấp, cường độ sáng không đảm bảo, tủ điều khiển chiếu sáng cũ, vỏ bị gỉ, bong tróc lớp sơn tĩnh điện, timer chạy sai giờ, contactor, aptomat cũ, bị han gỉ ở các cực. Không 8 đáp ứng được nhu cầu điều khiển với các loại đèn có chức năng điều khiển thông minh. Số liệu khảo sát khối lượng hệ thống chiếu sáng được mô tả ở Bảng 2.1 Khảo sát cũng cho thấy ở các khu vực chiếu sáng/phạm vi bố trí chiếu sáng theo lý trình tồn tại các nút giao yêu cầu chiếu sáng liên tục để đảm bảo an toàn giao thông. Các bản vẽ thiết kế yêu cầu bố trí các đèn của nhà đầu tư được biểu thị ở các hình sau: - Bố trí tủ và đèn chiếu sáng Cầu Đồng Niên (Hình 2.1) Hình 2.1 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng Cầu Đồng Niên - Bố trí tủ và đèn chiếu sáng Cầu Phú Lương (Hình 2.2) Hình 2.2 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng Cầu Phú Lương - Bố trí tủ và đèn chiếu sáng Cầu Lai Vu (Hình 2.3) Hình 2.3 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng Cầu Lai Vu - Bố trí tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 25 (Hình 2.4) Hình 2.4 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 25 - Bố trí tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 26 (Hình 2.5) 9 Hình 2.5 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 26 - Bố trí tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 27 (Hình 2.6) Hình 2.6 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 27 - Bố trí tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 28 (Hình 2.7) Hình 2.7 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 28 - Bố trí tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 29 (Hình 2.8) Hình 2.8 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 29 - Bố trí tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 30 (Hình 2.9) 10 Hình 2.9 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 30 - Bố trí tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 31 (Hình 2.10) Hình 2.10 Thiết kế bố trị tủ và đèn chiếu sáng đoạn Trạm biến áp 31 Kết luận dựa trên thiết kế bố trí đèn của nhà đầu tư ta có thể thấy: - Vị trí các đèn và tủ chiếu sáng nằm trên một đường thẳng - Khoảng cách giữa đèn với đèn, đèn với tủ trung bình khoảng 60m - Tủ điều khiển cần điều khiển các đèn độc lập phù hợp với từng khu vực có nút giao hoặc không có nút giao. Đối với các đèn gần nút giao có thể không giảm cường độ sáng trong khoảng thời gian đêm tối muộn.  Phù hợp xây dựng một hệ thống điều khiển chiếu sáng tự động sử dụng phương thức truyền thông không dây Zigbee do khoảng cách giữa các đèn với đèn, đèn với tủ khá gần nhau cũng như hệ thống đèn có các đoạn trải dài trên một đoạn thẳng gần 2km là đoạn Trạm biến áp 29. 2.2 Yêu cầu thiết kế 2.2.1 Tủ điều khiển chiếu sáng - Các chế độ làm việc: Tự động / Điều khiển từ xa / Bán tự động. - Điều khiển và giám sát từ xa qua mạng thông tin di động, ứng dụng công nghệ: 4G/GSM/GPRS. - Tự động cảnh báo sự cố hệ thống tới người vận hành. - Điều khiển đèn chiếu sáng qua mạng không dây. - Điều khiển công suất sáng từng nhóm đèn / từng đèn - Lập trình điều chỉnh ánh sáng đèn tự động (DIMMING) tới 8 bước. - Tích hợp hệ thống đo kiểm tra tình trạng làm việc của hệ thống đèn chiếu sáng. - Tích hợp hệ thống đo nguồn điện đầu vào, công suất phụ tải, điện năng tiêu thụ của phụ tải. - Nguồn điện sử dụng: 3 pha 4 dây; 0.4kVAC; 50/60Hz. - Công suất danh định: 20 kVA. - Công suất tối đa (trong điều kiện ngắn hạn): 135% công suất danh định, tương đương 26 kVA. - Số lộ ra điều khiển độc lập: 3 lộ. - Trang bị Acqui dự phòng tối thiểu 50Ah, đảm bảo ghép nối truyền thông ngay cả khi mất nguồn điện đầu vào. 11