Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển điện chiếu sáng công cộng sử dụng công nghệ truyền thông không dây áp dụng cho đèn led

Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển điện chiếu sáng công cộng sử dụng công nghệ truyền thông không dây áp dụng cho đèn LED Dương Đông Hưng*, Lê Quyết Thắng, Đoàn Thị Như Quỳnh, Trầ

Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển điện chiếu sáng công cộng sử dụng công nghệ truyền thông không dây áp dụng cho đèn LED

Dương Đông Hưng*, Lê Quyết Thắng, Đoàn Thị Như Quỳnh, Trần Thị Thơm, Nguyễn Thị Trang,

Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh

* Email: duongdonghung@gmail.com

Mobile: 0987166914

Tóm tắt

Từ khóa:

4G, 5G, Chiếu sáng công cộng,

Công nghệ LORA, Truyền thông

không dây

Dựa trên kết quả khảo sát và đánh giá thực trạng hệ thống chiếu sáng tại một số đô thị ở Việt Nam, kết hợp với xu hướng phát triển của các đô thị thông minh trên thế giới, nhóm tác giả đề xuất giải pháp ứng dụng công nghệ truyền thông không dây vào hệ thống giám sát và điều khiển điện chiếu sáng công cộng áp dụng cho đèn LED Nền tảng thiết kế dựa trên công nghệ LoRa_LED, tín hiệu giám sát và điều khiển được truyền thông qua mạng dữ liệu di động GSM/GPRS/3G/4G/5G từ trung tâm tới các tủ điều khiển chiếu sáng có độ ổn định cao, tốc độ và khoảng cách lớn, hạn chế tối đa các sự cố trên đường truyền.

1 HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG

CÔNG CỘNG

Hiện nay các hệ thống chiếu sáng công cộng

đang dần được thay thế bằng công nghệ LED cho

phép tiết kiệm điện năng, kéo dài thời gian sử dụng,

giảm được ô nhiễm ánh sáng, tạo hệ thống giao

thông an toàn hơn, giảm khí CO2, trách độc hại do

thủy ngân và dễ điều khiển Ở Việt Nam, các hệ

thống chiếu sáng công cộng tại các thành phố lớn

như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh… đang triển

khai công nghệ này

Hiện trạng của các trung tâm điều khiển và

giám sát chiếu sáng công cộng đang sử dụng

đường truyền từ trung tâm đến các tủ điều khiển

khu vực qua đường điện thoại cố định dial-up và

theo đường điện chiếu sáng (công nghệ truyền

thông qua đường điện lưới - PLC) Việc truyền

nhận dữ liệu thông qua đường dây điện gặp rất

nhiều khó khăn: mất pha dẫn đến mất đường

truyền, nhiễu trên đường truyền tải điện, truyền

thông chậm Vì vậy thời gian giám sát và điều

khiển còn chậm, cần được nâng cao hiệu quả để

phục vụ cho vận hành quản lý

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ

truyền thông không dây của các mạng di động

trong các năm gần đây, việc ứng dụng công nghệ

truyền thông không dây vào việc truyền nhận dữ

liệu đối với các ứng dụng quản lý, điều khiển các

thiết bị từ xa, cụ thể ở đây là trong điều khiển chiếu

sáng công cộng sẽ là xu hướng của hiện tại và

tương lai

Ứng dụng công nghệ truyền thông không dây trong điều khiển chiếu sáng công cộng sẽ giải quyết được hoàn toàn các khó khăn mà truyền thông qua đường dây điện trước đây gặp phải

2 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI TIẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐIỀU KHIỂN

2.1 Hệ thống thông tin vô tuyến

Nguồn tin trước hết qua mã nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được mã kênh để chống các lỗi do kênh truyền gây ra Tín hiệu sau khi qua mã kênh được điều chế để có thể truyền tải được đi xa Các mức điều chế phải phù hợp để với điều kiện của kênh truyền Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ trải qua các bước ngược lại so với máy phát Kết quả tín hiệu được giải mã và thu lại được ở máy thu Chất lượng tín hiệu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền, các phương pháp điều chế và mã hóa khác nhau

Hình 1 Mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin

vô tuyến

2.2 Công nghệ GSM thế hệ 4 và 5

(GSM/GPRS/3G/4G/5G)

Vấn đề truyền thông được đặt ra giữa phòng

điều khiển trung tâm với các tủ với các tủ điều

khiển chiếu sáng Tuy lượng thông tin trao đổi

không lớn và yêu cầu về tính năng thời gian thực

trong hệ thống chiếu sáng không cần ngặt nghèo

nhưng phụ thuộc vào chất lượng của sóng

GSM/GPRS/3G/4G/5G do đó cần phải chọn nhà

cung cấp dịch vụ có chất lượng tốt

Căn cứ vào ưu nhược điểm của các phương

án truyền thông, mục tiêu đặt ra và các kỹ thuật

truyền thông đã được áp dụng cho các dự án tương

tự trên thế giới, phương án truyền thông được sử

dụng là: sử dụng dịch vụ GSM/GPRS/3G/4G/5G

GSM là một công nghệ dùng cho mạng

thông tin di động GSM được viết tắt theo từ tiếng

anh là Global System for Mobile Communications

Các mạng thông tin di động GSM cho phép có thể

roaming với nhau do đó những máy điện thoại di

động GSM của các mạng GSM khác nhau ở có thể

sử dụng được nhiều nơi trên thế giới [1]

Mạng 4G: (Fourth-generation), là công

nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép

truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện

lý tưởng lên tới 1 cho đến 1,5 Gb/giây Tên 4G do

IEEE (Institute of Electrical and Electronics

Engineers) đặt ra để diễn đạt ý nghĩa rằng công

nghệ này vượt trội hơn so với 3G [3]

Truyền thông GSM/GPRS/3G/4G sử dụng

mạng truyền thông GSM làm cốt lõi dữ liệu được

truyền qua thiết bị không dây (GSM/GPRS/3G/4G

modem) về tổng đài GSM và từ tổng đài GSM kết

nối với mạng internet toàn cầu tạo nên các dịch vụ

đa dạng của công nghệ truyền thông GPRS[4]

Là giải pháp đã được quốc tế thừa nhận

trong điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng công

cộng Hệ thống này đang được lắp đặt với một quy

mô rộng lớn và nhanh chóng chứng tỏ là một hệ

thống đáng tin cậy cung cấp nhiều lợi ích cho

người sử dụng[5]

Truyền thông giữa trung tâm và các tủ điều

khiển chiếu sáng sử dụng công nghệ truyền thông

GSM/GPRS/3G/4G Đây là công nghệ hiện đại,

khả năng mở rộng lớn, giá thành hợp lý Công

nghệ GSM/GPRS/3G/4G đã được áp dụng trong

nhiều lĩnh vực cũng như trong điều khiển Hệ thống

chiếu sáng chiếu sáng cộng

Mạng 5G: (Thế hệ mạng di động thứ 5 hoặc

hệ thống không dây thứ 5) là thế hệ tiếp theo của

công nghệ truyền thông di động sau thế hệ 4G,

các nhà phát minh, mạng 5G sẽ có tốc độ nhanh hơn khoảng 100 lần so với mạng 4G hiện nay, giúp

mở ra nhiều khả năng mới và hấp dẫn Lúc đó, xe

tự lái có thể đưa ra những quyết định quan trọng tùy theo thời gian và hoàn cảnh Tính năng chat video sẽ có hình ảnh mượt mà và trôi chảy hơn, làm cho chúng ta cảm thấy như đang ở trong cùng một mạng nội bộ Các cơ quan chức năng trong thành phố có thể theo dõi tình trạng tắc nghẽn giao thông, mức độ ô nhiễm và nhu cầu tại các bãi đậu

xe, do đó có thể gửi những thông tin này đến những chiếc xe thông minh của mọi người dân theo thời gian thực[2]

Thay vì những trạm cơ sở trên mặt đất đang được sử dụng bởi mạng 2G, 3G và 4G, có thể 5G

sẽ sử dụng các trạm HAPS (High Altitude Stratospheric Platform Stations) Về cơ bản, các trạm HAPS là những chiếc máy bay treo lơ lửng ở một vị trí cố định trong khoảng cách từ 17km~22km so với mặt đất và hoạt động như một

vệ tinh Cách này sẽ giúp đường tín hiệu được thẳng hơn và giảm tình trạng bị cản trở bởi những kiến trúc cao tầng

2.3 Ứng dụng công nghệ GSM/GPRS/4G/5G

để truyền thông trong hệ thống

2.3.1 Sơ đồ tổng quan của hệ thống

Với việc ứng dụng dịch vụ truyền thông qua mạng GSM/GPRS/3G/4G/5G cho việc điều khiển

và giám sát các tủ điều khiển chiếu sáng thì các phần tử truyền thông phải có chức năng lập trình được để thiết lập cấu hình kết nối mạng và bảo mật cho hệ thống thiết bị tại tủ điều khiển chiếu sáng

Sơ đồ thiết lập cấu hình cho hệ thống được trình bày trong hình sau:

Hình 2 Sơ đồ tổng quan hệ thống ứng dụng công

nghệ GSM/GPRS

Hệ thống được phân chia là 2 cấp điều khiển:

- Cấp điều khiển từ trung tâm:

Điều khiển đóng cắt tới bất kỳ tủ điều khiển chiếu sáng nào;

Giám sát được các thông số: trạng thái điều

khiển, điện áp, dòng điện, công suất, hệ số công

suất, công năng tiêu thụ của trạm đèn chiếu sáng;

Thay đổi thời gian và chế độ đóng cắt của tủ

điều khiển chiếu sáng;

- Cấp điều khiển tại tủ điều khiển:

Điều khiển đóng cắt theo các chế độ;

Đặt thời gian, chu trình giám sát;

Đo lường giám sát trực tiếp các thông số:

trạng thái điều khiển, điện áp, dòng điện, công suất,

hệ số công suất, công năng tiêu thụ của trạm đèn

chiếu sáng;

Thay đổi thời gian và chế độ đóng cắt của tủ

điều khiển chiếu sáng;

Các tính năng khác cho việc cấu hình truyền

thông cho tủ điều khiển chiếu sáng

2.3.2 Các yêu cầu kỹ thuật chung đối với hệ thống:

Hệ thống đèn chiếu sáng cần được đóng cắt

đồng bộ theo thời gian thực được đặt sẵn tại phần

mềm quản lý vận hành tại trung tâm, thời gian

đóng cắt cho các tủ điều khiển chiếu sáng sẽ được

gửi qua mạng GSM/GPRS/3G/4G đến các tủ điều

khiển chiếu sáng Các tủ điều khiển chiếu sáng

nhận được thời gian đóng cắt sẽ tự động điều khiển

các trạm đèn chiếu sáng Hệ thống hoạt động theo

hai cấp độ:

Điều khiển đóng cắt, đặt thời gian đóng cắt

từ trung tâm đến các tủ chiếu sáng

Điều khiển đóng cắt, đặt thời gian đóng cắt

từ tủ chiếu sáng đến các điểm sáng

Khi không có sự can thiệp của người vận

hành tại trung tâm hoặc trực tiếp tại tủ, thiết bị điều

khiển tại tủ sẽ điều khiển tự động theo chu trình

thời gian đã được đặt sẵn trong bộ nhớ của thiết bị

Khi người quản lý vận hành thay đổi thời

gian đóng cắt từ trung tâm thì dữ liệu sẽ được

truyền qua mạng GSM/GPRS/3G/4G/5G đến thiết

bị điều khiển tại tủ điều khiển chiếu sáng làm cho

lịch trình đóng cắt của thiết bị tại tủ được thay đổi

đồng bộ với thời gian đóng cắt tại trung tâm

Người vận hành có thể đóng cắt tại trung

tâm điều khiển chiếu sáng theo 3 mức sáng khác

nhau: Bật 100% số đèn, bật 2/3 số đèn, bật 1/3 số

đèn hoặc tắt toàn bộ

Cùng với việc điều khiển các trạm đèn các

thiết bị có khả năng giám sát liên tục các trạm đèn

và gửi thông số giám sát về trung tâm điều khiển:

các thông số gửi về là: trạng thái đóng cắt, điện áp,

dòng điện, công suất, hệ số công suất, năng lượng

tiêu thụ của cả 3 pha

Các thông số cho hệ thống có thể đặt được

từ trung tâm là: thời gian đóng cắt, thời gian giám

sát và các thông số khác của thiết bị

Đường truyền áp dụng cho hệ thống là đường truyền số liệu qua mạng GSM/GPRS/3G/4G/5G (có thể sử dụng SMS khi mất mạng), từ trung tâm điều khiển đến tủ điều khiển CS

Cùng với việc điều khiển giám sát, phần mềm thu thập số liệu có thể cảnh báo những sự cố nghiệm trọng cho người vận hành tại trung tâm Quy mô quản lý: Trung tâm có khả năng điều khiển và giám sát đến từng tủ chiếu sáng và đến từng điểm sáng; có các phầm mềm quản lý tiên tiến; có tính mở, linh hoạt và kết cấu module

Yêu cầu bảo mật cho hệ thống: vừa tích hợp bảo mật hệ thống trên phần mềm vừa bảo mật ở cơ chế cứng

Chu trình lắp đặt thiết bị đơn giản gọn nhẹ phù hợp với tất cảc các điểm lắp đặt các trạm đèn chiếu sáng trong thành phố

Tại trung tâm điều khiển cần 01 thuê bao mạng GSM/GPRS/3G/4G/5G, 01 thuê bao di động

sử dụng cho mục đích nhắn tin SMS đi và đến các

tủ điều khiển chiếu sáng và 01 đường mạng Internet Các tủ điều khiển chiếu sáng cần được lắp đặt một SIM điện thoại di động được đăng ký thuê bao dịch vụ GPRS và SMS, không sử dụng thuê bao cuộc gọi Các điểm sáng cần lắp đặt một thiết

bị điều khiển, nhận, truyền tín hiệu và một SIM điện thoại di động được đăng ký thuê bao dịch vụ GPRS và SMS Một đường điện thoại cố định để nghe phản ánh của nhân dân và các cán bộ khi có sửa chữa bảo dưỡng

2.3.3 Các yêu cầu đối với trung tâm điều khiển

Trung tâm điều khiển phải được thiết kế gọn nhẹ và dễ dàng quan sát toàn bộ Hệ thống chiếu sáng công cộng, phát hiện sự cố kịp thời Các thiết

bị tại trung tâm được thiết kế dễ dàng lắp đặt và có thể di chuyển tới vị trí khác nếu cần thiết

Phòng điều khiển trung tâm: được thiết kế với nội dung chính như sau:

Hệ thống máy tính phục vụ cho người vận hành: 1 Máy chủ, 2 máy trạm

Phần mềm điều khiển và cơ sở dữ liệu cho

hệ thống

2.3.4 Các yêu cầu kỹ thuật cho tủ điều khiển chiếu sáng

Tự động điều khiển đóng cắt các trạm đèn theo các mốc thời gian được đặt tại trung tâm hoặc đặt trực tiếp tại tủ điều khiển chiếu sáng;

Nhận lệnh đóng cắt hoặc đặt thời gian từ trung tâm điều khiển;

Đo trực tiếp các giá trị dòng điện và truyền

về trung tâm điều khiển;

Có khả năng mở rộng cao

3 THIẾT KẾ MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐÈN

CHIẾU SÁNG LED TRÊN CƠ SỞ CÔNG

NGHỆ LORA

3.1 Công nghệ LORA

Được phát minh bởi Cycleo năm 2010 tại

Pháp, sau đó được công ty Semtech mua lại vào

năm 2012, LoRa là công nghệ với các module vô

tuyến được phát triển cho các ứng dụng có tốc độ

thấp, tiêu thụ năng lượng thấp nhưng có khoảng

cách truyền thông lớn và có tốc độ truyền dữ liệu

từ 0,3 kbps đến 50 kbps với độ rộng băng thông

125 Khz Trên cơ sở LoRa tổ chức LoRa

Alliance đã phát triển và chuẩn hóa mạng LoRa

diện rộng gọi là LoRaWAN [6]

LoRaWAN gồm các thành phần chủ chốt:

Trạm cơ sở hoặc Gateway (LRR, LRC) , máy

chủ mạng LoRaWAN, hệ thống trợ giúp hoạt

động (OSS) để giám sát và quản lý hệ thống

mạng [7]

Hình 3 Kiến trúc “star of star” của LoraWAN

3.2 Giải pháp giám sát, điều khiển hệ thống

chiếu sáng với công nghệ LORA_WAN

Trên cơ sở những hạn chế của hệ thống

chiếu sáng ở Việt Nam hiện nay, những ưu,

nhược điểm của các hệ thống chiếu sáng của các

hãng trên thế giới đối với điều kiện Việt Nam,

Nhóm tác giả đề xuất giải pháp hệ thống giám

sát, điều khiển hệ thống chiếu sáng với công nghệ

LED là LORA_LED Hệ thống LORA_LED có

cấu trúc như hình 4 Hệ thống gồm các đèn LED

riêng rẽ, mỗi đèn LED được gắn một nút

End-LoRa (Sensor Notes) Các nút End-LoRa-End có thể

truyền qua nhiều Gateway khác nhau để chuyển

dữ liệu về server trung tâm hoặc nhận lệnh từ

trung tâm server qua các Gateway khác nhau

Các nút LoRa-End được gắn với mỗi LED có thể

trải dài theo một tuyến đường hoặc theo cụm với

các Gateway là trung tâm, tùy từng ứng dụng Hệ

thống LORA_LED gồm các nút đầu cuối

(LoRa-End) gắn với các đèn Led, Gateway, máy chủ

trung tâm, các máy chủ ứng dụng và đường

Hình 4 Mô hình giám sát, điều khiển HTCS

ứng dụng công nghệ LoRa WAN Trong hệ thống này các khối LoraWAN_i với i=1,2,…n là các hệ thống con của các hệ thống chiếu sáng công cộng của từng tuyến đường hoặc khu vực (Tủ điều khiển) Dữ liệu thu thập từ các hệ thống con này được truyền qua mạng truyền thông GPRS hoặc 3G hoặc Internet

về máy chủ giám sát (server) và lưu trữ trong cơ

sở dữ liệu Người sử dụng có thể giám sát, điều khiển từ xa thông qua máy chủ hoặc trực tiếp qua các thiết bị đầu cuối như latop, máy tính bảng, điện thoại di động… Người giám sát cũng có thể gửi lệnh điều khiển từ xa trực tiếp tới các hệ thống con LoRaWAN_i hoặc qua máy chủ

Hình 5 Cửa sổ điều khiển LED qua mạng LoRa

Hệ thống thử nghiệm giám sát và điều khiển

từ xa tiến hành trong mạng cục bộ theo cả 2 trường hợp: có kết nối có dây và không dây qua WiFi sử dụng thiết bị di động

4 KẾT LUẬN

Giải pháp Mạng không dây sử dụng dịch

vụ GSM/GPRS/3G/4G/5G và ứng dụng công nghệ LoRaWAN cho các hệ thống chiếu sáng

công cộng LED thật sự là một giải pháp hiệu quả,

mềm dẻo, giá thành hạ, an toàn và dễ dàng tích

hợp với các hệ thống khác trong tiến trình xây

dựng thành phố thông minh Nhóm tác giả đã và

đang tiến hành thực hiện được các công việc sau:

Tiến hành khảo sát hệ thống chiếu sáng

thực tế,

Nghiên cứu và đưa ra giải pháp với công

nghệ LoRa

Tiến hành xây dựng hệ thống thử nghiệm

với công nghệ LED

Tiến hành các kịch bản thử nghiệm

Đánh giá kết quả thử nghiệm

Kết quả thực nghiệm sẽ cho thấy hoạt động

của hệ thống đáng tin cậy, đáp ứng được yêu cầu

và có thể triển khai trong các hệ thống chiếu sáng

LED công cộng trong thực tế

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng (2007), Bài

giảng “Thông tin di động” cho đào tạo từ xa,

Học Viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông , Hà

Nội

[2] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng (2008), Giáo

trình “Lộ trình phát triển thông tin di động 3G

lên 4G”, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn

thông, Hà Nội

[3] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng (2001), Thông

tin di động thế hệ ba, NXB Bưu Điện

[4] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng (2003)

cdmaOne và cdma2000, NXB Bưu Điện

[5] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng (2006), An

ninh trong thông tin di động, NXB Bưu Điện

[6] LoRa Alliance, “LoRaWAN™ -What is it? “,

A technical overview of LoRa® and

LoRaWAN™ , Technical Marketing Workgroup 1.0, November 2015

[7] N Sornin , M Luis, T Eirich, T Kramp, O.Hersent, “LoRa Specification “,Copyright ©

2015 LoRa Alliance, Inc

[8] Nicolas DUCROT, Dominique RAY, Ahmed SAADANI, “ LoRa Device Developer Guide”, Orange Connected Objects & Partnerships, April

2016

[9] Semtech, “SX1272/3/6/7/8: LoRa Energy Consumption Design”, Application Note AN1200.17