TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐÈNCHIẾU SÁNG ĐÔ THỊ 1.1 Sự cần thiết của các hệ thống đèn chiếu sáng công cộng Nếu như trước đây chiếu sáng chỉ đẩy lùi bóng tối thì giờ đây
Sự cần thiết của các hệ thống đèn chiếu sáng công cộng
Nếu như trước đây chiếu sáng chỉ đẩy lùi bóng tối thì giờ đây với sự phát triển vượt bậc của cách mạng khoa học kỹ thuật, đời sống vật chất của con người được cải thiện đáng kể, chức năng chiếu sáng ngoài việc đảm bảo điều kiện cho sinh hoạt con người thì còn phải nâng cao giá trị thẩm mỹ công trình.
Hiện nay ở Việt Nam điện năng cho chiếu sáng khoảng 35% tổng điện năng tiêu thụ Trong đó hệ thống chiếu sáng công cộng đang là lĩnh vực cần phải tiết kiệm năng lượng do thiết kế lắp đặt thiết bị chiếu sáng chưa hiệu quả và sử dụng điện trong chiếu sáng còn lãng phí
Theo thông tin từ trung tâm tiết kiệm năng lượng TP.HCM (ECC HCMC), hiện tại các thành phố lớn của Việt Nam chủ yếu dung đèn thủy ngân cao áp cho hệ thống chiếu sáng Trong đó đơn của như Hà Nội 52%, Bắc Giang 65%, Hội An 60%,…Loại đèn này tiêu thụ nhiều điện năng, tuổi thọ trung bình chỉ đạt 6.000-18.000 giờ Hệ thống các trạm điều khiển đèn vẫn chỉ được điều khiển bằng tủ cục bộ và hầu như điều khiển thủ công.
Hình 1-1 Đèn cao áp tiêu tốn nhiều năng lượng
Hiện nay nhà nước luôn kêu gọi tiết kiệm năng lượng điện, trong khi hệ thống chiếu sáng công cộng lại vô cùng cần thiết với chức năng đảm bảo an toàn giao thông, trật tự an ninh xã hội, làm đẹp cảnh quan đô thị Khi hệ thống chiếu sáng công cộng được đầu tư xây dựng nghiêm túc chính là dấu hiệu để hình thành nên những khu dân cư tập trung và làm tiền đề cho sự phát triển của đô thị mới Thách thức cho các địa phương liên quan đến mạng lưới công cộng là phải gia tang chất lượng chiếu sáng nhưng lại giảm điện năng tiêu thụ Do đó, đây là một bài toán cần lời giải
Yêu cầu chung đối với hệ thống chiếu sáng đô thị
Yêu cầu chung đối với hệ thống chiếu sáng đô thị hiện nay:
Đảm bảo độ chiếu sáng cho từng vị trí trên đường.
Đảm bảo an ninh cho người đi bộ, đi xe đạp, đi xe máy lưu thông trên đường.
Làm sáng rõ các biển chỉ dẫn giao thông
Làm đẹp cảnh quan đô thị vào ban đêm
Với sự phát triển về kỹ thuật công nghệ các hệ thống chiếu sáng còn phải đáp ứng được các mục đích tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường và có một hệ thống giám sát từ xa nhằm giúp tiết kiệm chi phí cũng như nhân công lao động cho con người.
Hình 1-2 Đèn chiếu sáng trong thành phố
Hệ thống chiếu sáng tại Việt Nam hiện nay
Những hệ thống cũ
Tại Việt Nam hiện nay các hệ thống chiếu sáng hầu hết vẫn thiết kế theo mô hình điều khiển tập trung qua các tủ động lực Một hệ thống cơ bản sẽ bao gồm một trạm biến áp, hạ áp từ nguồn điện trung thế cung cấp điện cho các tủ động lực Một tủ động lực sẽ điều khiển trực tiếp toàn bộ hệ thống các cột đèn trên cả một tuyết đường.
Hình 1-3 Trạm biến áp cho cấp cho tủ điều khiển
Với những hệ thống chiếu sáng cổ điển và việc điều khiển hệ thống hoàn toàn theo phương thức thủ công sẽ khiến cho hệ thống khá cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích để xây dựng trạm biến áp và tủ điều khiển. Việc giám sát và bảo dưỡng luôn được thực hiện theo chu kì với việc đi rà soát toàn bộ hệ thống để kiểm tra và khắc phục sự cố.
Hình 1-4 Hệ thống chiếu sáng với tủ động lực điều khiển cả hệ thống
Những hệ thống và giải pháp chiếu sáng hiện nay
Theo [1], trong những năm qua, nhu cầu tiêu thụ năng lượng ở nước ta đang gia tăng mạnh mẽ, đáng chú ý là khu công nghệ xi măng và chiếu sáng công cộng Do đó, việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả đang là một trong những việc làm hết sức cần thiết và cấp bách trong thời điểm hiện nay Tại hội thảo tiết kiệm năng lượng gắn với kinh tế xanh trong ngành công nghiệp chiếu sáng diễn ra sáng 22/4 tại Hà Nội, các đại biểu đã tập trung thảo luận về các giải pháp tiết kiệm điện năng trong chiếu sáng.
Việc thiết kế một hệ thống chiếu sáng ở Việt Nam hiện nay cũng không nằm ngoài xu hướng tiết kiệm năng lượng Sau đây là những giải hành thực tế hoặc thí điểm ở Việt Nam Các phương án thiết kế tiết kiệm năng lượng có thể là một hoặc kết hợp các giải pháp dưới đây:
Giải pháp 1: Sử dụng công nghệ chiếu sáng LED thay thế cho những hệ thống chiếu sáng sử dụng bóng đèn cao áp, sợi đốt, huỳnh quang với những ưu điểm vượt trội Đèn LED có hiệu suất phát sáng cao hơn so với sợi đốt lên đến 90% Theo PGS.TS Dương Ngọc Huyền – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đèn LED và chiếu sáng rắn đang được xem là lời giải cho chiếu sáng tương lai Xét về ứng dụng, chiếu sáng LED có thể thay thế tất cả các nguồn truyền thống trong vòng 10-
15 năm tới Xét về hiệu quả kinh tế, đây là thiết bị phát sáng có hiệu suất cao nhất do con người tạo ra do đó mang lại hiệu quả cao Còn xét về công nghệ, đèn LED hiệu quả hơn trong việc chuyển điện thành ánh sáng, vì vậy chúng tiết kiệm năng lượng hơn và tỏa ít nhiệt hơn Chúng cũng cho phép người sử dụng bật tắt thường xuyên hơn mà không gây ra sự suy giảm đáng kể tuổi thọ bóng đèn trong so sánh với đèn huỳnh quang Đặc biệt, một trong những lợi ích năng lượng hiệu quả chính của đèn LED là tỷ lệ chuyển hoá năng lượng thành ánh sáng cao hơn nhiều tỷ lệ chuyển hoá thành nhiệt [1] Đặc biệt đèn có tuổi thọ rất cao từ 30.000 – 50.000 giờ lớn hơn rất nhiều so với đèn huỳnh quang và sợi đốt; rất khó bị phá hủy bởi sự va đập, không hại và thân thiện với môi trường.
Tuy nhiên một nhược điểm không thể tránh khỏi của các loại bóng đèn LED đó là phần lớn hiệu suất bóng đèn Led phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh của môi trường hoạt động Điều này đặc biệt quan trọng khi xem xét ô tô, ngoài trời, y tế, quân sự và các ứng dụng mà thiết bị phải hoạt động trên một phạm vi rộng lớn của nhiệt độ, và được yêu cầu phải có một tỷ lệ thất bại thấp.
Giải pháp 2: Sử dụng đèn chiếu sáng công suất: Đèn Metal Halide có ưu điểm chiếu sáng tốt hơn từ 3-5 lần so với các loại bóng đèn sợi đốt nhờ vào hỗn hợp cụ thể của Metal Halide, chúng có thể tạo ra nhiệt độ màu lên đến 5500K Ánh sáng phát ra có chất lượng cao, sáng hơn so với các loại đèn bình thường Do đó, bóng đèn này thường được sử dụng chiếu sáng ở các khu vực rộng hoặc sử dụng ở đèn chiếu các loại xe ô tô, xe máy, các khu vực nhà xưởng…
Tuy nhiên Metal Halide sử dụng công nghệ cũ cho nên không tránh khỏi những nhược điểm Bóng đèn Metal Halide khởi động lâu hơn so với các loại bóng đèn khác trên thị trường (từ 15-20 phút) Điều nay dẫn đến người dùng phải sử dụng trong thời gian dài và không thể bật tắt theo ý muốn Mặt khác, độ bền của bóng không cao, tuổi thọ của bóng chỉ từ 6000 đến 15000 giờ sử dụng Điều này dẫn đến chi phí thay mới cho người dùng cao.[2]
Giải pháp 3: Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như: mặt trời, gió,
… để cung cấp cho các đèn tiết kiệm năng lượng và đèn LED Năng lượng tái tạo là năng lượng từ các nguồn tài nguyên được bổ sung liên tục và không thể bị cạn kiệt, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, thủy điện, gió, Chúng là một nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm không khí, và không đóng góp vào sự nóng lên của khí hậu toàn cầu, hiệu ứng nhà kính Vì các nguồn năng lượng này là tự nhiên nên chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp Tuy nhiên, một hạn chế chung cho tất cả các nguồn năng lượng tái tạo là rất khó khăn để sản xuất ra một sản lượng điện lớn, đồng thời là công nghệ mới nên chi phí đầu tư ban đầu là rất lớn.[3].
Giải pháp 4: Hệ thống điều khiển bật tắt linh hoạt, có các chế độ hoạt động điều chỉnh công suất chiếu sáng theo nhu cầu Xây dựng hệ thống giám sát sự cố tiết kiệm chi phí vận hành.
Dựa trên những giải pháp đã được nêu, Việt Nam cũng như thế giới đã áp dụng một hoặc kết hợp các giải pháp trên để giải quyết các bài toán về tiết kiệm năng lượng phục vụ chiếu sáng Dưới đây là những ví dụ thực tế cho điều đó. a Hệ thống đèn LED chiếu sáng tại thành phố Hồ Chí Minh (giải pháp 1)
Hình 1-5 Đèn đường LED trong chiếu sáng đô thị tại TP.HCM [4]
Theo [4], Trung tâm tiết kiệm năng lượng TP.HCM thay thế toàn bộ hệ thống đèn trên bằng đèn LED công suất 65-200W, TP.HCM sẽ có tiềm năng tiết kiệm được 55.315.699kWh/năm, tương đương khoảng 88 tỷ đồng/năm, ước tính giảm 31 tấn phát thải CO2 vào môi trường mỗi năm.
Ưu điểm của phương pháp này là tiết kiệm năng lượng Lượng điện năng tiêu thụ của đèn đường LED có thể giảm 60% lượng điện năng tiêu thụ so với các loại đèn đường truyền thống.
Nhược điểm: chi phí ban đầu cao, độ chiếu sáng cao gây nhức mắt. b Hệ thống đèn Metal Halide tuyến đường cao tốc tại Châu Âu (giải pháp1)
Hình 1-6 Bóng đèn cao áp Metal Halide trên tuyến đường cao tốc tại Châu Âu.[5]
Theo [5], hệ thống đèn đường Metal Halide sản phẩm được thiết kế bởi trường Đại học Công nghệ Delft, Hà Lan Hệ thống sử dụng đèn Metal Halide kết hợp công nghệ cảm biến chuyển động, tự đông giảm cường độ ánh sáng của đèn đường khi không có người hoặc phương tiện giao thông qua lại, giúp tiết kiệm đến 20% năng lượng.
Khi có người hoặc phương tiện di chuyển vào làn đường, họ sẽ được phát hiện bởi hệ thống cảm biến của chiếc đèn đường gần nhất Sau đó, toàn bộ hệ thống đèn sẽ được bật lên Ngay khi những phương tiện này đi qua, hệ thống đèn sẽ giảm cường độ ánh sáng.
Hệ thống đèn đường thông minh đã được lắp đặt thử nghiệm trong một khuôn viên của trường Đại học Delft và thu được những kết quả rất tích cực Sau đó, hệ thống được triển khai thí điểm tai 4 thành phố ở Hà Lan và 1 thành phố của Ireland Hiện, nó đã sẵn sàng để được đưa vào thương mại hóa.
Đề xuất giải pháp thiết kế một hệ thống chiếu sáng tại Việt Nam
Định hướng xây dựng hệ thống
Đề tài đề xuất một hệ thống chiếu sáng tiết kiệm về mặt năng lượng và tích hợp được những ưu điểm đang được sử dụng ở Việt Nam và trên thế giới như được trình bày ở mục 3.2 Dưới đây là một phương án xây dựng hệ thống: Đề tài đề xuất một hệ thống chiếu sáng sử dụng các phương pháp tiết kiệm năng lượng như đã trình bài ở mục 1.3.2 nhằm tạo ra một hệ thống chiếu sáng tiết kiệm điện năng toàn diện và hiệu quả:
Các cột đèn sử dụng đèn LED thay cho bóng đèn cao áp với mục đích tiết kiệm năng lượng tiêu thụ
Xây dựng một mạng cảm biến không dây giám sát, bật tắt các cột đèn chiếu sáng từ xa bằng công nghệ truyền thông không dây Hệ thống có khả năng điều khiển bật/tắt các đèn từ xa, điều khiển trên máy tính, đồng thời pháp hiện khi có sự cố và tiết kiệm chi phí kiểm tra bảo dưỡng.
Xây dựng một mô hình mạng cảm biến áp dụng những ưu điểm của các hệ thống chiếu sáng đã có tại Việt Nam và trên thế giới Đi theo xu thế phát triển của khoa học công nghệ và tiết kiệm năng lượng.
Tổng quan về hệ thống chiếu sáng vừa được đề xuất
Hệ thống đề xuất được mô tả như hình sau:
Hình 1-9 Mô hình kiến trúc giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng dựa trên mạng truyền thông LoRa được đề xuất
Mô hình thiết kế hệ thống bao gồm ba phần chính: a Hệ thống điều khiển trung tâm Gateway.
Hệ thống Gateway được đặt tại trung tâm điều khiển, có khả năng:
Năng lượng tiêu thụ thấp.
Gửi thông tin điều khiển bật tắt đèn tới các Node thông qua mạng truyền thông
Nhận dữ liệu phản hồi từ các Node
Đưa dữ liệu lên hệ thống giám sát. b Hệ thống chấp hành điều khiển đèn
Mỗi cột đèn trên một đoạn đường được gắn một Node điều khiển. Node này có khả năng:
Mỗi một Node được gắn một mã quy định về vị trí của đèn
Năng lượng tiêu thụ thấp.
Điều khiển bật tắt đèn bằng Rơ-le.
Nhận biết sự cố đèn cháy, hỏng thông qua cảm biến quang trở
Sử dụng công nghệ truyền thông LoRa để giao tiếp với khối điều khiển trung tâm
Nhận thông tin bật, tắt đèn từ hệ thống điều khiển trung tâm, xử lý và thực hiện điều khiển Gửi dữ liệu về hệ thống điều khiển nếu đèn gặp sự cố cháy, hỏng và vị trí của đèn đang ở đâu.
Việc giám sát và điều khiển các cột đèn trong mạng có thể được thực hiện thông qua gói phần mềm giá sát điều khiển trên máy tính Các nút được đặt trực tiếp tại mỗi đèn giúp việc điều khiển từng đèn và việc quản lý sự cố dễ dàng hơn. c Hệ thống quản lý giám sát trên máy tính
Hệ thống này được liên kết với hệ thống điều khiển trung tâm quaInternet Đặc điểm của hệ thống là giao diện trực quan, dễ dàng sử dụng cho người vận hành điều khiển Hệ thống quản lý hiển thị dữ liệu nhận được từ hệ thống diều khiển trung tâm.
Ngoài ra hệ thống sẽ có thêm một ưu điểm vượt trội so với các hệ thống trước đây đó là khả năng vận hành chủ động, người quản lý hệ thống có thể dễ dàng ngồi tại trung tâm điều khiển và thấy được toàn bộ tình trạng hoạt động của hệ thống khi có bất kì sự cố nào liên quan tới hệ thống Cách làm này không chỉ giúp người vận hành hệ thống đưa ra chỉ thị sửa chữa kịp thời hệ thống chiếu sáng khi có sự cố mà còn tiết kiệm được chi phí kiểm tra, quản lý và bảo trì.
Hệ thống chiếu sáng đề xuất được thiết kế sử dụng mạng cảm biến không dây LoRa Do đó, trong phần tiếp theo của bài sẽ trình bày về mạng cảm biến không dây và công nghệ LoRa.
TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY
Mạng truyền thông không dây là gì?
Mạng không dây (Wireless Lan) là mạng sử dụng công nghệ cho phép hai hay nhiều thiết bị ( Node ) kết nối với nhau bằng cách sử dụng một giao thức chuẩn mà không cần những kết nối bằng dây mạng.
Hình 2-10 Mạng truyền thông không dây
Những ví dụ điển hình về mạng không dây là: mạng wifi, mạng 3G,mạng điện thoại di động, mạng bluetooth, mạng nội bộ không dây(WLAN), mạng cảm biến không dây, mạng truyền thông vệ tinh và mạng sóng mặt đất.
Nguyên lý hoạt động của truyền thông không dây
Hình 2-11 Nguyên lý hoạt động của truyền thông không dây
Mạng WLAN sử dụng sóng điện từ (vô tuyến và tia hồng ngoại) để truyền thông tin từ điểm này sang điểm khác mà không dựa vào bất kỳ kết nối vật lý nào Các sóng vô tuyến thường là các sóng mang vô tuyến bởi vì chúng thực hiện chức năng phân phát năng lượng đơn giản tới máy thu ở xa.
Dữ liệu truyền được chồng lên trên sóng mang vô tuyến để nó được nhận lại đúng ở máy thu Để nhận dữ liệu, máy thu vô tuyến bắt sóng(hoặc chọn) một tần số vô tuyến xác định trong khi loại bỏ tất cả các tín hiệu vô tuyến khác trên các tần số khác.
Đặc điểm của mạng truyền thông không dây
Dưới đây là một vài đặc điểm nổi bật của truyền thông không dây, qua đó ta thấy được thế mạnh của mạng và dễ dàng ứng dụng vào bất kỳ ứng dụng nào mà ta mong muốn [8].
Trong mạng truyền thông không dây, các Node không dây hoạt động một cách độc lập, trao đổi thông tin với nhau và truyền về nút Gateway bằng tín hiệu không dây Việc sử dụng công nghệ truyền tin không dây giúp tăng độ tin cậy so với phương thức truyền tin có dây ở đặc điểm:
Dễ dàng trong việc lắp đặt
Lắp đặt được ở những khu vực mà việc sử dụng dây khó khăn.
Giảm được rủi ro mất kết nối đường truyền do thiên tai hoặc do động vật gây ra
Các Node không dây có thể lắp đặt và phân bố một cách dày đặc trong một khu vực mà ta cần thu nhập thông tin và điều khiển Với sự phân bố nhiều thiết bị trong khoảng không gian, thông tin được truyền về nút chủ theo một được ngắn nhất qua đó giảm thời gian truyền và tăng độ chính xác cho thông tin truyền về nút chủ Việc phân bố nhiều Node không dây trong một khu vực cũng làm tăng độ chính các về thông tin giám sát khu vực theo dõi Trong trường hợp có nút nào đó gặp sự cố vì lý do nào đó, bị hư hỏng hay thông tin gửi về không chính xác thì mạng vẫn hoạt động bình thường và thông qua các thông tin của Node lân cận mà ta có thể xác định được nguyên do sự cố để thay thế, sửa chữa kịp thời.
2.3.2 Phạm vi triển khai mạng truyền thông không dây rộng
Các Node thực hiện nhiệm vụ thu nhập, giám sát, điều khiển và truyền thông tin qua các Node khác Nhờ đó việc mở rộng mạng hoàn toàn thực hiện được Khi ta muốn mở rộng vùng giám sát và điều khiển thì ta chỉ cần lắp thêm thiết bị Các Node sẽ được cấu hình theo ý người dùng và dễ dàng sử dụng khi được lắp thêm thiết bị Với số lượng thiết bị trong mạng lớn và khoảng cách truyền tin giữa các thiết bị trong mạng thì phạm vi triển khai của mạng có thể lên đến hàng chục, hàng trăm km.
2.3.3 Vấn đề tiết kiệm năng lượng cho mạng truyền thông không dây
Các nguồn cung cấp cho các Node thường là pin, ắc quy, pin năng lượng mặt trời,…Tuy nhiên các nguồn năng lượng này tới một thời điểm sẽ cạn kiệt Do đó vấn đề tiết kiệm năng lượng là vấn đề mà tất cả các kỹ sư thiết kế cần phải quan tâm về cả phần mềm và phần cứng.
Các ứng dụng của mạng truyền thông không dây
Truyền thông không dây có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, từ những ứng dụng trong quân đội đến các ứng dụng đó và quan sát môi trường, y tế, công nghiệp, nhà thông minh [9].
Các ứng dụng trong bảo vệ môi trường:
Giám sát mực nước sông hồ, đo tốc độ gió, lượng mưa.
Phát hiện ô nhiễm không khí, khí thải độc hại.
Phát hiện động đất, hoạt động của núi lửa.
Phát hiện và giám sát cháy rừng.
Các ứng dụng trong y tế:
Định vị theo dõi bệnh nhân.
Hệ thống báo động khẩn cấp.
Thiết bị hỗ trợ theo dõi bệnh gắn trên cơ thể bệnh nhân.
Đặc biệt với tình hình dịch bệnh Covid-19 hiện nay thì việc sự dụng mạng truyền thông không dây kết hợp các máy đo thân nhiệt để phát hiện những người có thân nhiệt cao sẽ là ứng dụng cấp thiết.
Các ứng dụng trong gia đình:
Hệ thống cảnh báo an ninh.
Hệ thống điều khiển thiết bị từ xa.
Hệ thống giao thông thông minh:
Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông.
Định vị các phương tiện giao thông.
Hệ thống điều khiển đèn đường thông minh.
Công nghệ Bluetooth
Là công nghệ truyền tin không dây bằng song vô tuyến ở khoảng cách ngắn Dải tần số hoạt động trong khoảng 2,4GHz 2,48GHz Trong phạm vi từ 10 – 100m, Bluetooth hỗ trợ tốc độ truyền tải dữ liệu 720 Kbps và đạt tốc độ truyền tải cao nhất lên tới 1Mbps Ngày nay, Bluetooth ngày càng được cải tiến và nâng cấp, tốc độ truyền tải cũng tăng lên đến chóng mặt đạt mức 2Mbps trong khoảng cách lên tới 240m.
Có một số nhược điểm đối với Bluetooth Đầu tiên là nó có thể gây tiêu hao pin cho các thiết bị di động không dây, như điện thoại thông minh, mặc dù khi công nghệ (và công nghệ pin) đã được cải thiện, vấn đề này ít gây ảnh hưởng đáng kể hơn trước đây Tiếp đến bluetooth sử dụng tín hiệu yếu nên thường bị nhiễu và hạn chế các thiết bị có thể kết nối trong môi trường “nhiễu loạn”.
Ngoài ra, phạm vi khá hạn chế, thường chỉ mở rộng khoảng 30 feet(hơn 9m) và như với tất cả các công nghệ không dây, các chướng ngại vật như tường, sàn hoặc trần nhà có thể làm giảm phạm vi này hơn nữa [10].
Công nghệ Wifi
Cũng là công nghệ truyền tin không dây bằng sóng vô tuyến Công nghệ này truyền tin ở tần số 2,4GHz 2,48GHz Tuy nhiên mạng Wifi có độ trễ sóng và dễ bị nhiễu sóng Wifi dễ bị chặn sóng (bởi những bức tường dày, các vật dụng…) và nhiễu sóng (do sóng wifi nhà hàng xóm) nên không có độ ổn định cao như mạng dây Điều này khiến chúng ta sẽ gặp một số vấn đề như mất kết nối, ping cao và giảm tốc độ kết nốiInternet [11].
Công nghệ Zigbee
Là công nghệ truyền tin dành cho các ứng dụng công nghiệp, khoa học Tần số 868MHz 915MHz ở Mỹ và Châu Úc, 2,4GHz ở hầu hết các quốc gia trên thế giới Với khả năng tiêu thụ năng lượng thấp, giá thành rẻ, tốc độ cao nên được sử dụng trong nhiều ứng dụng
Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng ZigBee cũng có một vài nhược điểm ví dụ:
Không thể phủ rộng hết toàn bộ nhà có diện tích quá rộng, chúng ta sẽ cần một thiết bị ZigBee Repeater để tăng độ phủ sóng.
Không xuyên tường mạnh được, nếu nhà nhiều phòng thì sẽ bị giảm tín hiệu
Độ ổn định không bằng thiết bị đi dây Tuy nhiên đây cũng là nhược điểm chung của tất cả các loại sóng khác [12].
Công nghệ LoRa
Là một chuẩn không dây mới trong những năm gần đây, được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng mạng diện rộng công suất thấp Nó có thể hỗ trợ liên lạc ở khoảng cách lên tới 15 – 20 km, với hàng triệu Node mạng Nó có thể hoạt động trên băng tần không phải cấp phép, với tốc độ thấp từ 0,3kbps đến khoảng 30kbps Với đặc tính này, mạng LoRa phù hợp với các thiết bị thông minh trao đổi dữ liệu ở mức thấp nhưng duy trì trong một thời gian dài [13].
Từ các kết quả trên, ta có thêm vài số liệu minh họa để so sánh hiệu năng hoạt động giữa công nghệ LoRa và các công nghệ không dây phổ biến như sau:
Bảng 1: So sánh các chuẩn giao tiếp không dây
Bluetooth Zigbee Wifi LoRa Ứng dụng Thiết bị di động Điều khiển, giám sát, thu thập thông tin
Mạng băng thông rộng Điều khiển, giám sát, thu thập thông tin
Số thiết bị trong mạng 255 Hơn 64000 Phụ thuộc vào số địa chỉ IP
Dòng tiêu thụ 30 mA 30 mA 100 mA 28 mA
Công nghệ điều chế FHSS
Mỗi công nghệ truyền thông không dây đều có những ưu nhược điểm riêng Tuy nhiên với mục tiêu thiết kế bài toán là điều khiển, giám sát việc bật tắt hệ thống chiếu sáng các cột đèn trên đoạn đường dài thì số lượng đèn là tương đối lớn, cùng với vấn đề năng lượng tiêu thụ cần phải nhỏ, do đó công nghệ LoRa hoàn toàn phù hợp với bài toán này Vậy nên chúng em lựa chọn công nghệ LoRa để truyền nhận không dây trong bài toán của mình.
Mạng không dây LoRa
Hình 2-16 Mạng không dây LoRa
LoRa là viết tắt của Long Range được phát triển bởi Semtech, là một kỹ thuật điều chế có nguồn gốc từ kỹ thuật “Chirp Spread Spectrum” (CSS), trong đó Chirp là viết tắt của “Compressed High Intetsity Radar Pulse”, là một kỹ thuật sử dụng rất phổ biến trong sonar và radar Tín hiệu Chirp có biên độ không đổi và tần số thay đổi, nếu tần số thay đổi từ tần số thấp nhất đến tần số cao nhất thì được gọi là up-chirp và thay đổi từ tần số cao nhất đến thấp nhất được gọi là down-chirp.
Dựa trên kỹ thuật này, điều chế LoRa giúp làm tăng phạm vi truyền thông đáng kể với công suất sử dụng rất thấp Cụ thể một module LoRa với công suất phát 100 mW và một vài tham số cấu hình cơ bản kèm theo thì có thể truyền xa đến hơn 3km, còn với công suất phát 1W thì khoảng cách tương ứng là gần 10 km Với ưu điểm này, chúng ta có thể sử dụng LoRa để xây dựng các hệ thống IoT với các Node được đặt ở khoảng cách xa hàng kilomet, sử dụng nguồn cung cấp dung lượng thấp như pin với thời gian duy trì lên đến vài năm, giá thành thấp và không cần đến hệ thống internet bao phủ.
2.6.2 Các thông số của LoRa
Khi truyền đi một gói tin, thì hai thông số chúng ta quan tâm đó là khoảng cách truyền (range) và tốc độ truyền (data rate) Đối với LoRa thì
2 giá trị trên phụ thuộc vào 3 thông số có thể điều chỉnh được: Băng thông (BW), hệ số trải phổ (SF) và tốc độ mã hóa (CR).
Band Width – BW : xác định biên độ tần số mà tín hiệu chirp có thể thay đổi Các chip LoRa khác nhau sẽ cho phép tùy biến cấu hình các mức băng thông khác nhau, nhưng thông thường sẽ cấu hình ba mức băng thông phổ biến là 125kHz, 250kHz và 500 kHz Băng thông cao sẽ cho phép mã hóa tín hiệu nhanh hơn, giúp thời gian truyền dữ liệu nhanh hơn nhưng bù lại khoảng cách truyền cũng sẽ ngắn đi.
Hình 2-17 Thông số của LoRa
Spreading Factor – SF: xác định số lượng tín hiệu chirp khi mã hóa tín hiệu đã được điều chế tần số (chipped signal) của dữ liệu, SF là các giá trị nguyên từ 7 đến 12 Ví dụ nếu SF = 12 có nghĩa là 1 mức logic của tín hiệu sẽ được mã hóa bởi 12 xung tín hiệu chirp Giá trị SF càng lớn thì thời gian truyền dữ liệu sẽ lâu hơn nhưng đổi lại tỉ lệ lỗi bit BER sẽ giảm và khoảng cách truyền cũng sẽ xa hơn.
Coding Rate – CR : là số lượng bit được tự thêm vào trong payload gói tin LoRa để mạch nhận có thể sử dụng để phục hồi lại một số bit dữ liệu đã nhận sai và từ đó phục hồi được nguyên vẹn dữ liệu payload CR là các giá trị nguyên từ 1 đến 4 và thường biểu thị ở dạng 4/CR+4 (ví dụ: 4/5, 4/6, 4/7, 4/8) Do đó, sử dụng CR càng cao thì khả năng nhận dữ liệu đúng càng tăng, nhưng bù lại chip LoRa sẽ phải gửi nhiều dữ liệu hơn và làm tăng thời gian truyền.
Tóm lại tùy vào mục đích ứng dụng ưu tiên hơn về khoảng cách hay tốc độ truyền mà chúng ta có thể cấu hình các tham số BW, SF, CR phù hợp Ví dụ nếu mục đích của ứng dụng là thu thập các giá trị của cảm biến cần truyền ở khoảng cách xa không quá yêu cầu về thời gian, vì vậy sẽ không yêu cầu băng thông lớn nên chúng ta sẽ cấu hình các hệ số BW thấp (125 kHz), SF cao (12) và CR có thể tùy chỉnh Chúng ta có thể tính toán tốc độ dữ liệu data rate dựa vào các tham số ở đây.
2.6.3 Các tần số của LoRa
Khi nói đến truyền thông không dây, một vấn đề luôn được quan tâm hàng đầu khi sử dụng để nghiên cứu hoặc triển khai thực tế đó là dải ẩn số hay băng tần hoạt động của công nghệ đang sử dụng Dựa vào mục đích sử dụng, có thể chia thành 2 loại là băng tần cần được cấp phép (phải trả phí để sử dụng), gọi là licensed band và băng tần không cần cấp phép (miễn phí trong điều kiện ràng buộc nhất định), gọi là unlicensed và thường được biết đến với tên gọi là dải tần ISM (chuẩn băng tần được dành cho vô tuyến ngành công nghiệp, khoa học và y tế).
Sóng LoRa hoạt động trong dải tần ISM nghĩa là chúng ta không cần phải trả thêm bất kỳ chi phí nào để sử dụng nhưng bù lại sẽ phải tuân thủ các quy định về công suất phát, và dĩ nhiên là dễ chịu ảnh hưởng bởi các loại nhiễu Các khu vực khác nhau trên thế giới sẽ sử dụng ở các băng tần khác nhau: 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz (Châu Âu) và 915 (Châu Mỹ). Ở Việt Nam chúng ta hiện LoRa có thể sử dụng ở băng tần 433 MHz
2.6.4 Các loại module LoRa hiện nay Để có thể xây dựng ứng dụng với LoRa, hiện nay trên thị trường có rất nhiều module, kit phát triển để chúng ta có thể sử dụng Các module truyền nhận hiện nay bên trong đều tích hợp chip LoRa SX1276/77/78/79 của hãng Semtech, trong đó chip SX1278 là phổ biến nhất với các module sử dụng băng tần 433 MHz và SX1276 thường dùng cho các module hỗ trợ băng tần 868/915 MHz Các chip này hỗ trợ giao tiếp với vi điều khiển theo chuẩn SPI, sử dụng chuẩn này có thể cấu hình được đầy đủ các thông số mình nhắc đến bên trên như BW, SF, CR và các thông số khác như thay đổi tham số điều chế, băng tần, data rate, địa chỉ, công suất phát, các chế độ hoạt động, cấu hình tiết kiệm năng lượng,… nên ứng dụng có độ linh động và tùy biến cao Chúng ta có thể tham khảo một vài module giao tiếp theo chuẩn SPI: Heltec WiFi LoRa 32, Dragino LoRa Shield, RFM95/96/97/98W.
Hình 2-18 Module Heltec WiFi LoRa 32 và RFM98W
Ngoài ra còn có các module hỗ trợ giao tiếp theo chuẩn UART, bên trong module đã tích hợp sẵn một vi điều khiển trung gian (như STM8,
STM32,…) và một LoRa chip, các module loại này thường sẽ không hỗ trợ lập trình các tham số gốc như BW, SF, CR mà thông qua giao tiếp UART chỉ hỗ trợ cấu hình các tham số cơ bản khác để xây dựng ứng dụng truyền nhận đơn giản nhất có thể như: băng tần, địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, công suất phát, data rate, các chế độ hoạt động đã tùy biến,… Module loại này phổ biến nhất là các dòng E32 LoRa của hãng Ebyte như: E32-TTL-100 (433T20DC), E32-TTL-1W (433T30D),… [14].
Hình 2-19 Module E32-TTL-100 và E32-TTL-1W [14].
Kiến trúc mạng truyền thông không dây trong hệ thống chiếu sáng
Với bài toàn giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng trong khu đô thị, với công nghệ LoRa đã tìm hiểu, trong phần này sẽ trình bày tổng hợp một số kiến trúc mạng cảm biến không dây phù hợp cho ứng dụng đã đặt ra
2.7.1 Kiến trúc mạng một đường
Dưới đây là hai hình ảnh mô tả kiến trúc mạng một đường:
Hình 2-20 Kiến trúc mạng một đường trong thực tế [15]
Hình 2-21 Mô hình kiến trúc mạng một đường
Các cột đèn trong hệ thống được sắp xếp thành một đoạn đường thẳng Đây là mô hình mạng truyền thông dạng đường thẳng, mô hình này là mô hình đơn giản và phổ biến nhất cho một hệ thống chiếu sáng Vậy mô hình này phù hợp chiếu sáng ở các tuyến đường trong thành phố, khu đô thị, xung quanh khuôn viên nhà xưởng,…Nhìn vào hình mô hình kiến trúc mạng một đường thẳng , dữ liệu sẽ được gửi đồng thời đến các đèn.
Ví dụ mô hình chiếu sáng có mười đèn, cả mười đèn cùng được đánh 1 địa chỉ Khi gói dữ liệu điều khiển từ Gateway gửi đến địa chỉ đó, đồng thời cả 10 đèn sẽ nhận được gói dữ liệu đó và bộ xử lý trong mỗi đèn sẽ phân tích dữ liệu và thực thi dữ liệu đó theo đúng yêu cầu là bật hoặc tắt đèn. Sau khi thực hiện lệnh, các Node sẽ gửi lại cho Gateway gói dữ liệu, Gateway sẽ phân tích gói dữ liệu đó để biết được đèn có bị cháy hay gặp sự cố hay không và vị trí của đèn gặp sự cố.[15].
Hình 2-22 Kiến trúc mạng hai đường trong thực tế
Hình 2-23 Mô hình kiến trúc mạng hai đường
Nhìn hai hình trên ta có thể thấy các cột đèn được sắp xếp hai bên đường Ứng dụng chính của mô hình này chủ yếu là chiếu sáng trên các tuyến đường lớn, đường cao tốc có nhiều đường cần mật độ chiếu sáng cao Nhìn tổng quan ta thấy cấu trúc này là cấu trúc mở rộng của mô hình mạng một đường Với mô hình này thì cách thức hoạt động sẽ giống như mô hình mạng một đường [16].
2.7.3 Kiến trúc mạng ngã tư
Dưới đây là hai hình ảnh minh họa cho kiến trúc mạng ngã tư:
Hình 2-24 Kiến trúc mạng ngã tư trong thực tế
Hình 2-25 Mô hình kiến trúc mạng ngã tư
Kiến trúc mạng ngã tư có ứng dụng chính cho các đoạn đường rẽ nhánh, các ngã tư trong thành phố Với cấu trúc mạng này, các đèn trên cùng một đường sẽ được gắn chung một địa chỉ, mỗi đường sẽ được quy định bằng một địa chỉ riêng biệt Khi gói dữ liệu điều khiển từ Gateway gửi đi, gói dữ liệu sẽ chứa địa chỉ của đường cần điều khiển Các Node sẽ so sánh địa chỉ của bản tin gửi đến và địa chỉ của mình, nếu địa chỉ khác nhau thì các Node sẽ bỏ qua và không phân tích gói dữ liệu đó Node nào có trùng địa chỉ thì vi xử lý bên trong sẽ nhận và phân tích gói dữ liệu đó,sau đó thực hiện lệnh điểu khiển.
Kết luận
Trong chương 2 chúng em đã giới thiệu tổng quan về mạng truyền thông không dây hiện nay Qua việc phân tích những ưu, nhược điểm của từng mạng truyền thông chúng em đã đưa ra phương án lựa chọn mạng truyền thông phù hợp với bài toán của mình.
XÂY DỰNG HỆ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN
Mô hình hệ thống chiếu sáng và điều khiển chiếu sáng đề xuất
Hình 3-26 Mô hình chiếu sáng hệ thống đề xuất
Hình 3.1 mô tả chi tiết hệ thống được đề xuất Hệ thống bao gồm một phần mềm quản lý trên máy tính đảm bảo tính trực quan và dễ điều khiển, một Gateway có chức năng gửi các lệnh điều khiển và phân tích dữ liệu nhận về sau đó hiển thị lên phần mềm máy tính, các Node cảm biến được gắn trên các cột đèn có chức năng nhận, phân tích, thực thi dữ liệu từ bản tin Gateway, sau đó gửi bản tin phản hồi về cho Gateway
Mỗi Node cảm biến gắn trên các cột đèn sẽ được đánh một địa chỉ được mã hóa khác nhau Bản tin Gateway gửi đi sẽ bao gồm địa chỉ đèn nhận, trạng thái đèn mong muốn (bật, tắt) Các Node sẽ so sánh địa chỉ của bản tin gửi đến và địa chỉ của mình, nếu địa chỉ khác nhau thì cácNode sẽ bỏ qua và không phân tích gói dữ liệu đó Node nào có trùng địa chỉ thì vi xử lý bên trong sẽ nhận và phân tích gói dữ liệu đó, sau đó thực hiện lệnh điểu khiển Và cuối cùng Node gắn trên các cột đèn sẽ sử dụng cảm biến quang để nhận biết đèn cháy hay gặp sự cố gì không Sau đóNode sẽ gửi lại cho Gateway một bản tin bao gồm vị trí đèn đường, trạng thái đèn (hoạt động, cháy) Gateway sẽ phân tích gói dữ liệu đó để biết được đèn có bị cháy hay gặp sự cố hay không và vị trí của đèn gặp sự cố.Mạng cảm biến thiết kế cần được đảm bảo rằng Gateway gửi đủ các bản tin đến tất cả các địa chỉ đèn đường và nhận bản tin phản hồi đầy đủ.
Các Node cảm biến gắn trên mỗi cột đèn có khả năng:
Năng lượng tiêu thụ thấp.
Nhận biết trạng thái hoạt động của đèn thông qua cảm biến Bóng đèn có hai trạng thái: hoạt động bình thường và bị hỏng.
Điều khiển bật/tắt đèn bằng rơ-le.
Sử dụng công nghệ truyền thông không dây LoRa để truyền các bản tin giữa các Node và Gateway.
Mục tiêu thiết kế
Với một hệ thống điều khiển lớn trong một không gian rộng, để dễ dàng quan sát hoạt động của toàn bộ hệ thống người quản lý không thể lúc nào cũng có thể di chuyển đến từng phần tử để quan sát và ghi lại các thông số Việc làm việc thủ công sẽ khiến chi phí, công sức giám sát quản lý là rất lớn và mất thời gian Do đó để cải thiện và khắc phục nhược điểm này cần đề xuất phát triển một hệ thống các phần mềm điều khiển, giám sát giúp cho người quản lý có thể dễ dàng điều khiển hệ thống một cách linh hoạt, giảm chi phí, nhân lức và thời gian giám sát.
Bài toán đặt ra cần xây dựng một hệ thống điều khiển giám sát hệ thống chiếu sáng giải quyết những nhiệm vụ:
Điều khiển linh hoạt bật tắt đèn
Giám sát trực quan – hiển thị cho người điều khiển biết chích xác tình trạng hoạt động của từng cột đèn cảnh báo khi hỏng hóc của đèn.
Từ những nhiệm vụ trên cần phải thiết kế các phần mềm trên Gateway:
Phần mềm điều khiển trên từng cột – điều khiển hoạt động bật tắt của đèn,xác định trạng thái đèn, xác định sự cố và vị trí sự cố xảy ra.
Kiến trúc hệ thống giám sát và chiếu sáng tự động
Hệ thống giám sát và chiếu sáng tự động bao gồm mạng lưới các cột đèn và Gateway Trong đó trên mỗi cột đèn được gắt một nút cảm biến phục vụ cho việc điều khiển và giám sát vận hành của hệ thống Các cột đèn sẽ trực tiếp liên hệ với Gateway tạo thành một mạng hình sao (hình 2.
2) Cụ thể như người điều khiển gửi bản tin bật/tắt đèn trong hệ thống,bản tin sẽ được lan truyền từ Gateway tới trực tiếp cột đèn đó
Hình 3-27 Kiến trúc hình sao của hệ thống chiếu sáng sử dụng công nghệ LoRa
Thiết kế nút cảm biến gắn trên cột đèn
3.4.1 Mục tiêu thiết kế và cấu trúc phần cứng a Mục tiêu thiết kế
Với những ứng dụng dành cho hệ thống chiếu sáng các cột đèn trên một tuyến đường Chúng em đã đặt ra một vài mục tiêu thiết kế nút cảm biến như sau:
Công suất tiêu thụ của các nút gắn trên cột đèn có công suất tiêu thụ nhỏ.
Khoảng cách truyền tin lên tới 3000m.
Có khả năng phát hiện đèn gặp sự cố để báo về.
Giá thành hợp lý, cạnh tranh được các sản phẩm khác.
Dễ dàng chế tạo hàng loạt. b Cấu trúc một nút mạng cảm biến gắn trên đèn.
Cấu trúc một nút mạng cảm biến không dây gắn trên đèn gồm 5 phần chính (hình 2 3):
Hình 3-28 Cấu trúc một nút cảm biến gắn trên đèn đường
3.4.2 Tính toán thiết kế các phần tử a Tính toán chọn lựa và thiết kế phần cứng cảm biến Để biết được bóng đèn đang bật, đang tắt, hay đang hỏng chúng ta phải dựa vào cảm biến Việc điều khiển cũng như giám sát bóng đèn khi có lệnh điều khiển là yêu cầu mà mạch phải đảm bảo Vậy để biết đèn có bật hay không ta có 2 phương pháp:
Sử dụng cảm biến quang kết hợp với lắp đặt khéo léo.
Đo dòng điện chạy qua bóng đèn. Đo dòng điện chạy qua đèn không phải là việc khó khăn nhưng mạch sử dụng để đo dòng thường cồng kềnh, sử dụng nhiều bộ biến đổi sẽ làm cho mạch của ta cồng kềnh Chưa tính nếu ta sử dụng các IC chuyên dụng để đo dòng thường có giá thành cao Vì thế ta sẽ không sử dụng phương pháp này.
Sử dụng cảm biến quang kết hợp với lắp đặt khéo léo Ý tưởng của phương pháp này là ta sử dụng cảm biến quang để phát hiện xem đèn có sáng không, để tránh trường hợp khi đèn không sáng mà cảm biến vẫn báo do có ánh sáng từ các nguồn khác như từ đèn bên cạnh, ánh sáng từ phương tiện giao thông hay do ánh sáng mặt trời Vì vậy ta cần có thêm cách lắp đặt khéo léo Cảm biến quang trên thị trường có rất nhiều, giá thành cũng khác nhau từ rẻ cho tới đắt Ta chỉ là xem đèn có sáng hay không nên chúng em đã lựa chọn quang trở (Hình 2 4) với giá thành rẻ,tính toán dễ dàng việc đèn có sáng hay không.
Hình 3-29 Cảm biến quang trở
Lựa chọn quang trở GL5537 có các thông số sau:
Nhiệt độ hoạt động (°C): -30 đến 70
Điện trở khi có ánh sáng (KΩ): 20 đến 45.
Điện trở khi trời tối (MΩ): 2.
Điện áp tối đa: 150VDC.
Trong thực tế và quá trình thực nghiệm khi quang trở của mình đặt sát nguồn đèn, cường độ sáng lớn thì điện trở của quang trở giảm: 500Ω – 5KΩ Ta sẽ sử dụng bộ ADC để xác định được giá trị khi đèn sáng và đèn tối Tiếp theo là cách mắt cảm biến sao cho hợp lý để ta tránh được ánh sáng từ mặt trời Vì vậy vị trí lắp cảm biến được lắp bên trong hộp đèn, đón ánh sánh từ bóng đèn (Hình 2 6) Hình 2 5 là sơ đồ nguyên lý cho khối cảm biến quang trở.
Hình 3-30 Thiết kế phần cứng quang trở
Cảm biến quang sẽ được nối với chân ADC0 của vi điều khiển Sử dụng biến trở R2 = 10K và cảm biến quang trở PR1 Mục đích ở đây em dùng biến trở 10K là để có thể thay đổi được tỉ lệ chia điện áp Vout trên cảm biến quang trở và Vin đầu vào, từ đó điều chỉnh cho chính xác giá trị. Để tính được điện áp Vout chúng em áp dụng công thức: Vout PR1
Hình 3-31 Nơi lắp cảm biến quang trở b Tính toán lựa chọn và thiết kế phần cứng cho Rơ – Le Để lựa chọn Rơ le điều khiển đóng cắt cho phù hợp ta phải biết được các thông số sau:
Điện áp điều khiển, điện áp cuộn hút, dòng qua cuộn hút.
Về nguồn cung cấp, đèn chiếu sáng 220VAC cho đèn LED và nguồn 5VDC dùng cho vi điều khiển Vậy ta sẽ sử dụng chính nguồn này để nuôi Rơ le, Rơ le có cuộn hút là 5VDC
Về công suất điều khiển các bóng đèn Các bóng đèn LED chiếu sáng cho đường thường có công suất 30W, 40W, 50W, 60W Vì là bóng đèn LED nên có độ sáng tương đương với các bóng đèn sợi đổ có công suất: 120W, 160W, 200W, 240W
Trong trường hợp này ta sẽ lựa chọn Rơ Le cho dòng tối đa chạy qua là lớn hơn 10A để cho Rơ le luôn hoạt động ổn định và tránh làm nóng rơ le Vậy Rơ Le ta có thông số: 5V/10A.
Có một vấn đề trong trường hợp nếu rơ le gặp sự cố, vì nguồn cung cấp cho rơ le là 5V, các tín hiệu điều khiển từ VĐK thường là điện áp 3.3V hay 5V Nếu có sự cố sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới mạch điều khiển, nên trong trường hợp này tín hiệu điều khiển sẽ tiếp tục được các ly bằng cách ly quang Hình 2 7 là sơ đồ nguyên lý cho khối Rơ Le.
Hình 3-32 Sơ đồ nguyên lý khối Rơ-le
Việc đóng cắt tải là bóng đèn công suất cần có bộ khuếch đại tín hiệu Ở đây, nhóm sử dụng transistor đóng cắt rơ-le.
Điện trở hạn dòng R7 bảo vệ transistor (thường chọn từ 1k trở lên).
Diode D3 dùng để hạn chế ảnh hưởng của dòng ngược từ bóng đèn.
OPTO cách ly quang ISO1 dùng để cách ly 2 nguồn.
Điện trở hạn dòng R6 để bảo vệ cho LED trong OPTO cách ly quang và LED D4.
LED D4 dùng để nhận biết khi nào rơ le đóng cắt. c Tính toán lựa chọn và thiết kế mạch LoRa
Theo yêu cầu ta cần thiết kế một nút cảm biến nhỏ gọn có công suất tiêu thụ nhỏ và loại LoRa phải dễ mua ở Việt Nam Do đó chúng em lựa chọn Module LoRa Sx1278 Ra 01/02 Lora Ra được sản xuất bởi hãng
AI Thinker có 2 phiên bản là Ra 01 và Ra 02 Hai phiên bản này chỉ khác nhau việc gắn anten còn sơ đồ cấu tạo chân thì giống nhau Phiên bản 01 (Hình 2 8) sử dụng anten hàn cứng trên mạch còn phiên bản 02 (Hình 2.9) sử dụng lỗ gắn anten nên có thể thay đổi nhiều loại khác nhau sao cho phù hợp
Hình 3-33 Mặt trước và mặt sau của LoRa-01
Hình 3-34 Mặt trước và mặt sau của LoRa-02
Module LoRa Ra 01/02 giao tiếp với vi xử lý bằng giao thức SPI. Mức điện áp hoạt động 3.3V Chân DIO0 sau khi cài đặt có thể được sử dụng như 1 chân báo ngắt khi nhận được một gói tin hoặc truyền 1 gói tin thành công Các chân còn lại từ DIO1 tới DIO5 có thể không cần sử dụng.
Trong đồ án lần này chúng em lựa chọn LoRa Ra 02 Lý do quan trọng là ăn ten dễ dàng thay thế và tháo gỡ, có thể gắn trực tiếp lên thành hộp một cách dễ dàng làm cho khoảng cách truyền nhận được cải thiện đáng kể Một vài thông số của LoRa Ra 02:
Khoảng cách truyền siêu dài: 10KM.
Công suất đầu ra: +20 dBm-100mW
Độ nhạy cao: thấp tới -148dBm
Tốc độ Bit lập trình lên tới 300kbps
Phạm vi động RSSI 127dB Hình 2 10 dưới đây là sơ đồ mạch nguyên lý của khối truyền thông LoRa Ra 02.
Hình 3-35 Mô hình nguyên lý LoRa 02
Nguồn cấp cho module LoRa Ra 02 là 3.3V Nguồn cấp này được lấy từ khối nguồn
Thiết kế mạch Gateway
Hình 3-42 Tổng quan về Gateway
Gateway là một nút mạng được sử dụng trong viễn thông nhằm kết nối hai mạng có giao thức truyền thông khác nhau có thể giao tiếp được với nhau Nhiệm vụ chính của Gateway là thu thập dữ liệu và chuyển đổi giao thức ở cấp cao thường được thực hiện bằng các thành phần phần mềm Qua Gateway, các máy tính trong các mạng sử dụng cách thức khác nhau có thể dễ dàng “nói chuyện” được với nhau.
Gateway được sử dụng chủ yếu trong các tình huống cá nhân hoặc doanh nghiệp muốn đơn giản hóa việc kết nối internet cho một thiết bị
3.5.2 Yêu cầu bài toán, giải pháp xử lý và các chức năng của Gateway a Yêu cầu bài toán
Thực hiện trong khu đô thị
Khoảng cách truyền nhận giữa thiết bị hiện trường và Gateway xa (từ vài trăm mét trở lên khi không có vật cản, tiết kiệm năng lượng)
Tốc độ truyền có thể thấp, gói tin truyền nhỏ
Tối ưu hóa kích thước mạch thiết bị hiện trường khi lựa chọn linh kiện
Có giao tiếp được với máy tính
Có kết nối được với Web Server
Lấy được tín hiệu từ vi xử lý để điều khiển mạch rơ-le
Có nhiều chân tín hiệu điều khiển
Sử dụng luôn nguồn điện lưới 220V
Có vỏ hộp bảo vệ
Từ các yêu cầu được đặt ra như trên của bài toán, ta cần đưa ra được các giải pháp xử lý tương ứng Bên cạnh đó giải pháp cũng cần phù hợp khi bài toán được mở rộng về khoảng cách truyền nhận b Giải pháp xử lý
Sử dụng công nghệ LoRa để truyền nhận dữ liệu giữa thiết bị hiện trường và Gateway bởi công nghệ này phù hợp với yêu cầu bài toán được đưa ra là: tiết kiệm năng lượng, khoảng cách truyền lớn và không cần yêu cầu tốc độ truyền cao
Sử dụng kết nối có dây và kết nối không dây WiFi để giao tiếp với máy tính
Sử dụng kết nối không dây WiFi để kết nối lên Web Server
Sử dụng adapter và IC nguồn để kết nối với nguồn 220V trong nhà.
Chức năng của mạch Gateway:
Nhận dữ liệu từ các thiết bị hiện trường thông qua sóng LoRa
Truyền dữ liệu lên máy tính.
Truyền dữ liệu lên Web Server thông qua WiFi
Điều khiển đóng mở các relay bằng cách gửi các lệnh điều khiển
Từ các yêu cầu, chức năng đã phân tích như trên chúng em đưa ra lựa chọn cho mạch Gateway như sau: Module Raspberry Pi 3 làm bộ xử lý trung tâm kết nối Module truyền thông không dây LoRa Ra-02 để gửi dữ liệu đi xa
3.5.3 Module Raspberry Pi a Raspberry là gì?
Raspberry Pi là chiếc máy tính kích thước nhỏ được tích hợp nhiều phần cứng mạnh mẽ đủ khả năng chạy hệ điều hành và cài đặt được nhiều ứng dụng trên nó Với giá chỉ vài chục USD, Raspberry hiện đang là minicomputer nổi bật nhất hiện nay Ban đầu, tổ chức Raspberry Pi Foundation phát triển dự án Raspberry với mục tiêu chính là giảng dạy máy tính cho trẻ em và tạo ra một công cụ giá rẻ để sinh viên nghiên cứu học tập Tuy nhiên, sau khi xuất hiện, Raspberry Pi được cộng đồng đánh giá cao về tính ứng dụng với phần cứng được hỗ trợ tốt, Pi đã nhanh chóng phát triển một cách rộng rãi Pi phù hợp cho những ứng dụng cần khả năng xử lý mạnh mẽ, đa nhiệm hoặc giải trí và đặc biệt cần chi phí thấp Hiện nay đã có hàng ngàn ứng dụng đa dạng được cài đặt trên Rasberry Pi.[17].
Hình 3-43 Rasberry có kích thước rất nhỏ
Raspberry Pi như một máy vi tính bởi người ta đã tích hợp mọi thứ cần thiết trong đó Bộ xử lí SoC Broadcom BCM2835 của nó bao gồmCPU, GPU, RAM, khe cắm thẻ microSD, Wi-Fi, Bluetooth và 4 cổngUSB 2.0.
Hình 3-44 Cấu tạo cơ bản của Raspberry b Điểm nổi bật của Raspberry
Raspberry Pi có mức giá hấp dẫn: chỉ từ 25$ cho một chiếc bo mạch có thể làm hầu như mọi ứng dụng hàng ngày như lướt web, lập trình, xem phim đến những ý tưởng bất ngỡ như điều khiển robot, nhà thông minh,… Một điều quan trọng là nó tiết kiệm điện và khả năng chạy liên tục 24/24.
Raspberry Pi chạy hệ điều hành Linux: 99% những thứ ta có thể làm trên máy tính đều có thể làm trên Window và quan trọng là tất cả đều miễn phí!
Raspberry Pi có kích thước tí hon: chỉ tương đương một chiếc thẻ ATM và năng chưa đầy 50gram Gắn với chiếc tivi, ta có thể biến nó thành một thiết bị giải trí thông minh Gắn với màn hình, bàn phím và chuột, ta có thể biến nó thành một chiếc máy tính đúng nghĩa Nó nhỏ gọn và tiện lợi.
Cộng đồng Raspberry Pi phát triển rất nhanh trên thế giới: hầu hết những thắc mắc đều được giải đáp rất nhanh và còn hơn thế nữa: ta có thể tìm thấy nhiều dự án đã thực hiện và vô số ý tưởng độc đáo.
3.5.4 Raspberry Pi 3 a Thông số cơ bản của Raspberry 3
Trái tim của Raspberry Pi 3: Là bộ vi xử lý ARM Cortex A53, tốc độ 1.2GHz gấp 10 lần so với thế hệ đầu tiên.
1 HDMI Video/Cổng kết nối âm thanh: kết nối Pi với màn hình máy tính
Hệ thống GPIO: Gồm 40 chân chia làm hai hàng Từ đây ta có thể kết nối và điều khiển rất nhiều thiết bị điện tử khác.
Ngõ HDMI: dùng để kết nối Pi với màn hình máy tính hay màn hình tivi.
Ngõ audio 3.5mm: kết nối Pi với loa ngoài
Cổng CSI: khe cắm này là để cắm module camera vào Raspberry.
Cổng DSI: nơi đây sẽ giúp ta có thể cắm module camera vào Raspberry.
Cổng USB: Raspberry Pi tích hợp 4 cổng USB.
Cổng Ethernet: cho phép kết nối Internet dễ dàng.
Khe cắm thẻ SD: Raspberry Pi không tích hợp ổ cứng Thay vào đó là dùng thẻ SD.
Nguồn cho Raspberry: Jack nguồn micro USB 5V với nguồn lý tưởng choRaspberry là nguồn DC 5V-2.5A. b Các chân GPIO kết nối của Raspberry Pi 3
Hình 3-46 Các GPIO của Raspberry Pi 3
Một tính năng tiện ích của Raspberry Pi là hàng chân GPIO (đầu vào / ra đa năng) dọc theo cạnh trên của bảng Trên Rasberry Pi 3 có 40 chân I/O Bất kỳ chân GPIO nào cũng có thể được chỉ định (trong phần mềm) làm chân đầu vào hoặc đầu ra và được sử dụng cho nhiều mục đích. [18].
Hình 3-47 Chức năng cơ bản của GPIO
Chân Voltages: Có 2 chân 3V3 và 2 chân 5V: Có dòng điện tối đa khoảng 50 mA, đủ để cấp nguồn cho một vài đèn LED hoặc bộ vi xử lý. Tất cả Raspberry Pi kể từ Model B + có thể cung cấp lên đến 500mA để duy trì ở mức an toàn, nhờ một bộ điều chỉnh chuyển mạch.
Outputs: Các chân GPIO có thể cài đặt thành chân output với mức điện áp 3.3V (chân 3V3), 5V (chân 5V) và 0V (chân GND)
Inputs: Chân GPIO có thể cài đặt làm chân đầu vào và được đọc là cao
(3V3) hoặc thấp (0V) Điều này được thực hiện dễ dàng hơn với việc sử dụng điện trở kéo lên hoặc kéo xuống bên trong Các chân GPIO2 vàGPIO3 có điện trở kéo lên cố định, nhưng đối với các chân khác, có thể được cấu hình trong phần mềm. c Giao thức truyền thông SPI trong Raspberry
SPI (Serial Peripheral Bus) là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao. Đây là kiểu truyền thông Master-Slave, trong đó có 1 chip Master điều phối quá trình tuyền thông và các chip Slaves được điều khiển bởi Master vì thế truyền thông chỉ xảy ra giữa Master và Slave SPI là một cách truyền song công (full duplex) nghĩa là tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có
4 đường giao tiếp trong chuẩn này đó là SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Ouput Slave Input) và CE
Hình 3-48 Các GPIO của giao thức SPI trên Raspberry
SPI0: MOSI (GPIO10); MISO (GPIO9); SCLK (GPIO11); CE0
SPI1: MOSI (GPIO20); MISO (GPIO19); SCLK (GPIO21); CE0
(GPIO18); CE1(GPIO17); CE2 (GPIO16)
MISO: Master Input / Slave Output: nếu là chip Master thì đây là đường
Input còn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output MISO của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau.
MOSI: Master Output / Slave Input: nếu là chip Master thì đây là đường
Output còn nếu là chip Slave thì MOSI là Input MOSI của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau.
SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên cần 1 đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1bit dữ liệu đến hoặc đi Đây là điểm khác biệt với truyền thông không đồng bộ mà chúng ta đã biết trong chuẩn UART Sự tồn tại của chân SCK giúp quá trình tuyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền của SPI có thể đạt rất cao Xung nhịp chỉ được tạo ra bởi chip Master
Hệ thống giám sát và điều khiển
Nhóm chúng em sử dụng Web Server làm hệ thống giám sát đèn chiếu sáng Việc giám sát và điều khiển sẽ được thực hiện được trên trình duyệt mạng.
Web Server là một máy chủ Web mà khi có bất kỳ một Web Client nào (chẳng hạn Web Browser) truy cập vào, thì nó sẽ căn cứ trên các thông tin yêu cầu truy cập để xử lý, và phản hồi lại nội dung Đa phần các nội dung Web Server phục vụ là HTML, Javascript, CSS, JSON và bao gồm cả các dữ liệu Binary HTML, Javascript và CSS là ba ngôn ngữ để xây dựng và phát triển Web.
HTML viết đầy đủ là Hyper Text Markup Language - ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản dùng để cấu trúc nội dung của một trang Web, ví dụ như: chỉ định các đoạn văn bản, tiêu đề, bảng dữ liệu, hoặc nhúng hình ảnh hoặc video vào Web Mỗi trang Web chứa một loạt các liên kết đến các trang khác được gọi là hyperlinks (siêu liên kết) Mỗi trang được tạo ra từ nhiều tag (thẻ) khác nhau.
Javascript là một ngôn ngữ được thiết kế chủ yếu để thêm tương tác vào các trang Web, và tạo ra các ứng dụng Web Các chương trình Javascript có thể được nhúng trực tiếp vào HTML của Web Và tùy vào mục đích cụ thể, script có thể chạy khi mở trang Web, nhấp chuột, gõ phím, gửi biểu mẫu, cập nhật dữ liệu, giao tiếp với cơ sở dữ liệu… Để nhúng chương trình viết bằng Javascript vào trang HTML, chỉ cần thêm tag.
CSS là từ viết tắt của Cascading Style Sheets, là một ngôn ngữ được thiết kế để xử lý giao diện Web, giúp các trang Web được đẹp hơn CSS có thể kiểm soát được màu sắc của văn bản, phong chữ, kích cỡ chữ…
PHP là chữ viết tắt của “Personal Home Page” do Rasmus Lerdorf tạo ra năm 1994 Vì tính hữu dụng của nó và khả năng phát triển, PHP bắt đầu được sử dụng trong môi trường chuyên nghiệp và nó trở thành “PHP: Hypertext Preprocessor” PHP là một ngôn ngữ lập trình kịch bản hay một loại mã lệnh chủ yếu được dùng để phát triển các ứng dụng viết cho máy chủ, mã nguồn mở, dùng cho mục đích tổng quát Nó rất thích hợp với web và có thể dễ dàng nhúng vào trang HTML Do được tối ưu hóa cho các ứng dụng web, tốc độ nhanh, nhỏ gọn, cú pháp giống C và Java, dễ học và thời gian xây dựng sản phẩm tương đối ngắn hơn so với các ngôn ngữ khác nên PHP đã nhanh chóng trở thành một ngôn ngữ lập trình web phổ biến nhất thế giới PHP là một ngôn ngữ lập trình được kết nối chặt chẽ với máy chủ, là một công nghệ phía máy chủ (Server-Side) và không phụ thuộc vào môi trường (cross-platform) Đây là hai yếu tố rất quan trọng, thứ nhất không phụ thuộc vào môi trường (cross-platform) Đây là hai yếu tố rất quan trọng, thứ nhất khi nói về công nghệ phía máy chủ tức là nói đến mọi thứ trong PHP đều xảy ra trên máy chủ, thứ hai, chính vì tính chất không phụ thuộc môi trường cho phép PHP chạy trên hầu hết các mã kịch bản PHP trên máy chủ này sẽ làm việc bình thường trên máy chủ khác mà không cần phải chỉnh sửa hoặc chỉnh sửa rất ít.
Hình 3-56 Lưu đồ thuật toán của Web Server
MySQL là hệ quản trị cơ sở dữ liệu tự do nguồn mở phổ biến nhất thế giới và được các nhà phát triển rất ưa chuộng trong quá trình phát triển ứng dụng Vì MySQL là hệ quản trị cơ sở dữ liệu tốc độ cao, ổn định và dễ sử dụng, có tính khả chuyển, hoạt động trên nhiều hệ điều hành cung cấp một hệ thống lớn các hàm tiện ích rất mạnh Với tốc độ và tính bảo mật cao, MySQL rất thích hợp cho các ứng dụng có truy cập CSDL trên internet MySQL có nhiều phiên bản cho các hệ điều hành khác nhau: phiên bản Win32 cho các hệ điều hành dòng Windows, Linux, Mac OS X, Unix, FreeBSD, NetBSD, Novell NetWare, SGI Irix, Solaris, SunOS,… MySQL là một trong những ví dụ rất cơ bản về Hệ Quản trị Cơ sở dữ liệu quan hệ sử dụng Ngôn ngữ truy vấn có cấu trúc (SQL - Structured Query Language) MySQL được sử dụng cho việc bổ trợ NodeJs, PHP, Perl, và nhiều ngôn ngữ khác, làm nơi lưu trữ những thông tin trên các trang web viết bằng NodeJs, PHP hay Perl,
Cơ sở dữ liệu MySQL của Web Server thể hiện trên hình sau:
Hình 3-57 Cơ sở dữ liệu của Web Server
id: đỉa chỉ của Node.
position: vị trí của Node.
status: trạng thái của Node, trong đó: status = 1 (đèn đang sáng), status
2 (đèn đang tắt), giá trị khác (đèn bị lỗi).
update_time: thời gian gần nhất server nhận được dữ liệu từ các Node.
action: lệnh hành động, trong đó: action = 1 (lệnh bật đèn), action = 0
(lệnh tắt đèn), action = -1 (đang không có lệnh điều khiển). Để truy cập vào Web Server, nhập IP của máy Server Thông thường, link có dạng 192.168.x.y Trong bài toán của chúng em link IP cần truy cập là 192.168.137.1 Giao diện của Server gồm ba phần chính:
Các nút bấm để điều khiển: bật, tắt, ngoài ra có thể bật/tắt đồng thời bằng cách nhấn bật toàn bộ/tắt toàn bộ.
Trạng thái của đèn: được thể hiện bằng các màu như trên hình 3-33 Màu xanh dương là đèn đang bật, màu xám là đèn đang tắt, màu vàng là đèn đang bị lỗi.
Vị trí của đèn: Tên đường đặt cột đèn, ví dụ trên hình 3-33, Node 3 đang được đặt tại đường Yên Lãng và đèn đang được bật.
Dưới đây là giao diện hệ thống điều khiển trên máy tính.
Hình 3-58 Giao diện Web Server điều khiển trên máy tính
Ngoài ra, Web Server còn có chức năng thông báo lỗi khi gặp sự cố mất kết nối giữa Gateway và các Node (Node mất điện, lỗi đường truyền,
…) Khi quá 5 phút mà Server không nhận được trạng thái cập nhật từGateway thì sẽ thông báo lỗi.
Kết luận
Ở chương 3 chúng em đã tiến hành xây dựng mô hình mạng cảm biến không dây giám sát, điều khiển đèn chiếu sáng bao gồm: Gateway,Node cảm biến và hệ thống giám sát điều khiển Web Server Đồng thời đưa ra phương án thiết kế phần cứng, cũng như chỉ ra thuật toán hoạt động của các thành phần trong hệ thống.