Báo cáo 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 tò