BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Hệ thống quản lý tòa nhà thông minh

Để giảm thiểu tổn hao năng lượng và tăng hiệu suất cho hệ thống HVAC,một số giải pháp được đưa ra như: - Sử dụng vật liệu cách nhiệt tốt và thiết bị hiện đại - Sử dụng hệ thống quản lý t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

Hệ thống quản lý tòa nhà thông

minh Ngành Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Bùi Đăng Thảnh

Bộ môn: Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

Nhóm sinh viên: Phạm Viết Quân

Ngô Minh QuangĐặng Đức Mạnh Phạm Văn ĐồngNguyễn VănNhất

20181708 (Nhóm trưởng)20181713

201816402018139720181685

HÀ NỘI, 7/2022

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Giới thiệu chung hệ thống HVAC 1

1.2 Vấn đề về cải thiện hiệu suất HVAC 1

1.3 Giới thiệu đối tượng nghiên cứu 2

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA NHIỆT ĐỘ ĐA VÙNG 3

2.1 Tổng quan phương pháp mô hình hóa dựa trên mạng RC 3

2.2 Áp dụng phương pháp mô hình mạng RC 4

CHƯƠNG 3 CÁC CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN 6

3.1 Điều khiển tập trung 6

3.2 Điều khiển riêng lẻ 7

3.3 Thiết kế điều khiển cho hệ thống kiểm soát nhiệt độ đa vùng 7

3.3.1 Chiến lược điều khiển cho mùa hè 7

3.3.2 Chiến lược điều khiển cho mùa đông 8

CHƯƠNG 4 LỰA CHỌN THIẾT BỊ 11

4.1 Điều hòa nhiệt độ 11

4.2 Cảm biến nhiệt độ 12

4.3 Vi điều khiển 13

4.4 Bố trí các thiết bị 14

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN GIÁM SAT 16

5.1 Tổng quan và chọn phần mềm thiết kế điều khiển giám sát 16

5.1.1 Yêu cầu đối với phần mềm giám sát điều khiển hệ thống 16

5.1.2 Tổng quan về phần mềm Visual Studio 2019 16

5.2 Thiết kế các giao điện giám sát và điều khiển hệ thống 17

5.2.1 Giao diện đăng nhập vào hệ thống 17

5.2.2 Giao diện màn hình chính 18

5.2.3 Giao diện điều khiển phòng 411 18

5.3 Tổng kết các chức năng của hệ thống 19

CHƯƠNG 6 GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG 20

6.1 Tìm hiểu chung về giao thức truyền thông trong tòa nhà thông minh 20

6.2 Tại sao cần phải hiểu giao thức truyền thông? 21

vùng 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Commercial Building Energy Consumption in US, 2010 1

Hình 1.2 Sơ đồ tầng 4 thư viện Tạ Quang Bửu 2

Hình 2.1 Quy đổi các đại lượng nhiệt sang điện 3

Hình 2.2 Mô hình nhiệt của tường 4

Hình 2.3 Mô hình nhiệt của cửa 4

Hình 2.4 Mô hình mạng RC phòng 419 4

Hình 3.1 Cấu trúc chiến lược điều khiển tập trung 6

Hình 3.2 Cấu trúc chiến lược điều khiển riêng lẻ 7

Hình 3.3 Chiến lược điều khiển mùa hè 8

Hình 3.4 Cấu trúc điều khiên mùa đông 8

Hình 3.5 Nguyên lý ON máy sưởi 9

Hình 3.6 Nguyên lý OFF máy sưởi 9

Hình 4.1 Điều hòa DAIKIN FCF140CVM/RZA140DY1 11

Hình 4.2 Cảm biến nhiệt độ SHT30-HT533 12

Hình 4.3 Mô-đun Vi điều khiển ESP32 – WROVER 13

Hình 4.4 Bố trí điều hòa ở các phòng 14

Hình 4.5 Bố trí điều hòa 14

Hình 4.6 Bố trí cảm biến đo nhiệt độ ở các phòng 15

Hình 6.1 Giao thức truyền thông trong tòa nhà thông minh 20

Hình 6.2 Giao thức truyền thông giúp các thiết bị trong nhà thông minh nói chuyện với nhau 21

Hình 6.3 Truyền thông Wi-fi 22

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Các thông số cơ bản của điều hòa 12

Bảng 4.2 Các thông số cơ bản của cảm biến 13

Bảng 4.3 Các thông số cơ bản của Mô-đun vi điều khiển 14

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung hệ thống HVAC

Hệ thống HVAC (Heating, Ventilating, Air Conditioning) bao gồm:

- Ventilating: Hệ thống thông gió, lọc bụi, vi khuẩn, khói, C O2, cung cấpkhí tươi và giám sát chất lượng không khí cho tòa nhà

- Air Conditioning: Hệ thống điều hòa làm mát, điều chỉnh nhiệt độ và độ

ẩm thích hợp

Một trong những vẫn đề của hệ thống HVAC là kiểm soát nhiệt độ đa vùng(Multi-zone temperature Control) Mục tiêu của hệ thống kiểm soát nhiệt độ đavùng là đáp ứng nhu cầu khác nhau của người dùng trong tòa nhà, đồng thờinâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng

1.2 Vấn đề về cải thiện hiệu suất HVAC

Hình 1.1 Commercial Building Energy Consumption in US, 2010

Những năm gần đây, năng lượng tiêu thụ trong các hệ thống HVAC ngàycàng tăng, đặt ra vấn đề hiệu suất hệ thống, tuổi thọ thiết Theo số liệu của Mỹnăm 2010, 41% năng lượng tiêu thụ là dành cho hệ thống HVAC

Để giảm thiểu tổn hao năng lượng và tăng hiệu suất cho hệ thống HVAC,một số giải pháp được đưa ra như:

- Sử dụng vật liệu cách nhiệt tốt và thiết bị hiện đại

- Sử dụng hệ thống quản lý tòa nhà để giám sát và tối ưu năng lượng sửdụng

- Thay đổi thói quen người dùng

- Sử dụng các thuật toán điều khiển nâng cao (Advanced control methodfor HVAC system)

Trong số các phương pháp kể trên, phương pháp đầu tiên và thứ hai tuy cóhiệu quả lớn nhất nhưng chi phí đầu tư ban đầu rất lớn Phương pháp thứ bathường không được ưu tiên trong thực tế do người dùng HVAC đa dạng nên khó

thay đổi thói quen người dùng Do đó, phương pháp bốn thường được ưu tiên sửdụng.

1.3 Giới thiệu đối tượng nghiên cứu

Hình 1.2 Sơ đồ tầng 4 thư viện Tạ Quang Bửu

Đối tượng nghiên cứu của bài tập này là điều khiển nhiệt độ đa vùng củatầng 4 thư viên Tạ Quang Bửu Công việc thực hiện bao gồm:

- Mô hình hóa nhiệt độ đa vùng

- Đưa ra chiến lược điều khiển nhiệt độ

- Lựa chọn thiết bị điều khiển

- Thiết kế giao diện điều khiển Web-based

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA NHIỆT ĐỘ ĐA VÙNG

2.1 Tổng quan phương pháp mô hình hóa dựa trên mạng RC

Mô hình hóa mạng nhiệt dựa trên mạng RC về bản chất là quy đổi các giátrị nhiệt độ, nhiệt trở, nhiệt dung, nhiệt lượng sang các đại lượng điện áp, điệntrở, điện dung, dòng điện Cách quy đổi được mô tả như Hình [2.1]

Hình 2.3 Quy đổi các đại lượng nhiệt sang điện

Hình 2.4 Mô hình nhiệt của tường

Hình 2.5 Mô hình nhiệt của cửa

- Các hệ số ρ , c p , k tra trong bảng A.1, tài liệu [2]

Áp dụng tương tự với các phòng khác, ta sẽ tìm được mô hình mạng nhiệtcủa các phòng dựa trên mô hình mạng RC

CHƯƠNG 3 CÁC CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN

Hiện nay, có thể chia chiến lược điều khiển thành ba kiểu chính:

- Điều khiển tập trung

- Điều khiển riêng lẻ

Mỗi chiến lược điều khiển có ưu nhược điểm riêng và phù hợp cho từng bàitoán thiết kế Nhiệm vụ của người thiết kế là chọn chiến lược điều khiển sao chophù hợp với nhu càu và tối ưu về mặt kinh tế và kỹ thuật Sau đây, ưu nhượcđiểm chi tiết của ba chiến lược điều khiển sẽ được trình bày, thiết kế chi tiết cho

hệ thống kiểm soát nhiệt độ đa vùng cũng được đưa ra

3.1 Điều khiển tập trung

Chiến lược điều khiển tập trung hoạt động dựa trên mô hình chung cho cảtòa nhà Tức là mô hình để thiết kế điều khiển sẽ là mô hình cả tòa nhà Trong

đó, các dữ liệu về nhiệt độ, tín hiệu cảm biến từ các phòng riêng lẻ đều được đưa

về làm một mô hình chung Hình [3.1] mô tả cấu trúc điều khiển tập trung

Hình 3.7 Cấu trúc chiến lược điều khiển tập trung

Có thể thấy, mọi tín hiệu riêng từ các phòng khác nhau đều gửi về cùng mộtmáy tính chung Chiến lược này chỉ cần một bộ điều khiển trung tâm cho toàn bộ

hệ thống Bằng cách hoạt động này, có thể tiết kiệm chi phí vận hành nhờ vàoviệc giảm thiểu máy tính điều khiển Không chỉ vậy, nhờ vào việc chỉ dùng một

mô hình chung, các tín hiệu ở các phòng sẽ có sự ảnh hưởng qua lại lẫn nhau Do

đó, chiến lược này giúp tối ưu về mặt năng lượng về tăng hiệu suất chung chotoàn bộ hệ thống Tuy nhiên, nhược điểm chính của chiến lược này chính là độđáng tin cậy Do tín hiệu từ cảm biến ở các phòng có sự ảnh hưởng qua lại lẫnnhau, nếu bất kỳ một phòng nào có lỗi sẽ có nguy cơ gây lỗi cho toàn bộ hệthống Bởi lý do đó, độ tin cậy của chiến lược này không được đánh giá cao trongthực tế và không được ứng dụng cho các hệ thống yêu cầu tính ổn định cao

3.2 Điều khiển riêng lẻ

Trái với chiến lược điều khiển tập trung, chiến lược này đề cao tính ổn địnhcủa hệ thống Hình [3.1] mô tả cấu trúc điều khiển riêng lẻ

Hình 3.8 Cấu trúc chiến lược điều khiển riêng lẻ

Có thể thấy, các tín hiệu từ các phòng được gửi về các bộ điều khiển riêng.Tức là mỗi phòng sẽ có một mô hình riêng và có bộ điều khiển riêng tương ứng.Các bộ điều khiển này hoạt động hoàn toàn riêng biệt, dựa trên các tín hiệu phảnhồi không ảnh hưởng bởi phòng khác Do đó, các phòng sẽ không bị ảnh hưởngbởi tín hiệu của phòng khác, tăng tính ổn định chung của hệ thống Một ví dụ nhưtrên, khi một phòng nào đó có vấn đề, các phòng còn lại sẽ không hề bị ảnhhưởng Tuy nhiên, vì có nhiều bộ điều khiển riêng, xét về khía cạnh kinh tế thìphương pháp này không tối ưu Không chỉ vậy, vì các phòng hoạt động một cáchđộc lập nên không tối ưu được năng lượng tiêu thụ, có thể gây lãng phí nhiênliệu

3.3 Thiết kế điều khiển cho hệ thống kiểm soát nhiệt độ đa vùng

Phần trên đã trình bày về ưu nhược điểm của từng chiến lược điều khiển Ở

hệ thống kiểm soát nhiệt độ đa vùng, tính ổn định của hệ thống yêu cầu cao [1]

Do đó, lựa chọn chiến lược điều khiển riêng lẻ cho toàn bộ hệ thống là hợp lý.Thực tế, khi điều khiển nhiệt độ, bộ điều khiển Tỉ lệ - tích phân (PI) được sửdụng rất rộng rãi bởi vì bản chất nhiệt độ có sự thay đổi động học chậm, mặtkhác bộ điều khiển PI rất dễ để lập trình số hóa để triển khai trên vi điều khiển

3.3.1 Chiến lược điều khiển cho mùa hè

Vì căn phòng được điều khiển nằm trên thư viện nên ban ngày lượng người

ra vào thay đổi một cách phi tuyển liên tục Do đó, lựa chọn chiến lược điều

khiển phản hồi để điều khiển điều hòa vào ban ngày Cấu trúc điều khiển mô tả ởHỉnh [3.3].

Hình 3.9 Chiến lược điều khiển mùa hè

Hình [3.3] bao gồm chiến lược điều khiển mùa hè và cấu trúc điều hòa Bảnchất của việc điều khiển nhiệt độ cho căn phòng này là điều khiển tốc độ quạt gióđiều hòa Do đó, chỉ cần một mạch vòng điều khiển là đủ Tín hiệu nhiệt độ ởcảm biến được chuyển thành điện và được phản hồi về để so sánh với tín hiệuđặt Bộ điều khiển được thiết kế để tín hiệu phản hồi này bám theo giá trị đặt Do

mô hình nhiệt rất đơn giản nên chỉ cần một bộ điều khiển PI để điều khiển

3.3.2 Chiến lược điều khiển cho mùa đông

Thực tế, với môi trường nóng ẩm ở Việt Nam, mùa đông thường không quálạnh hoặc sẽ không kéo dài lâu cho nên hệ thống làm ấm vào mùa đông có thểkhông cần thiết Vì vậy, chiến lược điều khiển cho mùa đông đưa ra ở phần dướidung để tham khảo hoặc có thể áp dụng thực tế

Điều khiển nhiệt độ mùa đông được quy về điều khiển nhiệt độ của máysưởi Lựa chọn chiến lược điều khiển ON/OFF để điều khiển nhiệt độ mùa đông.Cấu trúc chiến lược điều khiển như Hình [3.4]

Hình 3.10 Cấu trúc điều khiên mùa đông

Nguyên lý chính của chiến lược điều khiển này như sau:

Nguyên lý hoạt động của chiến lược này khá đơn giản, nhiệm vụ cần làm làtăng độ linh hoạt cho hệ thống và tối ưu về mặt kinh tế

Hình [5] mô tả nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển ON máy sưởi

Hình 3.11 Nguyên lý ON máy sưởi

Có thể thấy, trong Hình [3.5] có sử dụng tới 3 amp, nhiệm vụ của 3 amp này như sau:

Op- Op-amp 1 dùng để tạo độ khuếch đại điện áp của cảm biến nhiệt độ

 Op-amp 2 dùng để tạo mức nhiệt độ

 Op-amp 3 dùng để so sánh, bật tắt máy sưởi

Điện áp từ cảm biến nhiệt độ sẽ được đưa vào Op-amp 1 để khuếch đại lên

Độ khuếch đại này phụ thuộc vào giá trị của điện trở R1,R3 Điện áp sau Op-ampđược tính bằng công thức sau:

Hình 3.12 Nguyên lý OFF máy sưởi

Cũng giống như mạch ON, nguyên lý mạch này chỉ khác ở chỗ đổi chiềuOp-amp 3 Bằng cách đó, nếu nhiệt độ trên cảm biến lớn hơn nhiệt độ đặt, đồng

thời phải đang bật hệ thống điều khiển, máy sưởi sẽ tắt Nhờ vào biến trở AR1,nhiệt độ đặt có thể thay đổi một cách dễ dàng, từ đó làm tăng tính linh hoạt của

hệ thống điều khiển

CHƯƠNG 4 LỰA CHỌN THIẾT BỊ

Trong thiết kế điều khiển, kiểm soát nhiệt độ đa vùng cho các tòa nhà thôngminh, việc lựa chọn các thiết bị phần cứng, cơ cấu chấp hành là hết sức quantrọng Việc lựa chọn không chỉ phải phù hợp các yêu cầu kỹ thuật đề ra mà cầnphải thỏa mãn tính có sẵn, tức là số lượng sản phẩm phải có mặt và đang đượcbán trên thị trường Mặt khác, vấn đề giá cả cũng đáng quan tâm, bởi vì kinh phí

đã được quyết định từ đầu, việc chọn sản phẩm có giá hợp túi tiền sẽ tránh đượcnhững khoản tiền bị đội lên

Các thiết bị phần cứng, cơ cấu chấp hành cơ bản của một hệ thống kiểmsoát nhiệt độ đa vùng gồm; Điều hòa nhiệt độ, cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm, viđiều khiển Những thiết bị khác như lò sưởi có thể không cần thiết ở môi trườngViệt Nam khi hầu hết mùa đông không quá lạnh Sau khi lựa chọn, việc thiết kế,tính toán để bố trí các thiết bị cũng được triển khai

4.1 Điều hòa nhiệt độ.

Việc lựa chọn điều hòa phù hợp có khá nhiều cách, tuy nhiên để dễ dàng vàthuận tiện thì lựa chọn theo diện tích sử dụng là hợp lý nhất hầu hết các phòngthường có chiều cao từ 2.8 đến 3.5 mét nên có thể bỏ qua sự khác nhau về thểtích Mặt khác, nếu lựa chọn theo công năng, nhiệt độ hấp thụ thì sẽ khó để tínhtoán xác định

Để có tính thẩm mỹ cho các phòng thì điều hòa dạng âm trần là một lựachọn sáng suốt Khi trang bị điều hòa âm trần, gần như toàn bộ thân điều hòa sẽđược che khuất, chỉ có mặt quạt gió được lộ ra, vừa thẩm mỹ, vừa tạo cảm giácrộng rãi cho căn phòng

- Sản phẩm lựa chọn: DAIKIN FCF140CVM/RZA140DY1

Hình 4.13 Điều hòa DAIKIN FCF140CVM/RZA140DY1

Bảng 4.1 Các thông số cơ bản của điều hòa

Đây là dòng điều hòa được sử dụng phổ biến ở các nơi có khôn gian rộng.Với các công nghệ tiên tiến và giá cả phù hợp, đây là một sản phẩm sẽ mang lạihiệu quả tốt và tiết kiệm trong việc vận hành hệ thống

4.2 Cảm biến nhiệt độ

Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ điển hình như:Cặp nhiệt độ, nhiệt điện trở, thermistor, cảm biến nhiệt bán dẫn, hỏa kế,… Mỗiloại có ưu nhước điểm khác nhau và được sử dụng cho các mục đích và yêu cầu

Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm SHT30 HT533 được sử dụng để đo nhiệt độ và

độ ẩm với chuẩn giao tiếp I2C rất dễ dàng để kết nối và giao tiếp với vi điềukhiển, vỏ chống thấm PE được làm từ vật liệu polyme, chống bụi, chống thấmnước, thoáng khí tốt Cảm biến có cấu tạo gồm cảm biến SHT30 phía trong, bênngoài là lớp vỏ bảo vệ cảm biến khỏi các tác động vật lý từ môi trường như bụi,nước,… Dây của cảm biến nhiệt độ và độ ẩm SHT30 HT533 sử dụng cáp PVVđồng nguyên chất, điện trở thấp, điện áp ổn định, chống mài mòn, mềm và chốngcháy Cảm biến thường được sử dụng trong nhà kính nông nghiệp, môi trường độ

ẩm cao, ngoài trời và hầu hết các loại môi trường, có thể kiểm tra độ ẩm khôngkhí trong đất, khuếch tán nước.

Bảng 4.2 Các thông số cơ bản của cảm biến

- Sản phẩm lựa chọn: ESP32 – WROVER

Hình 4.15 Mô-đun Vi điều khiển ESP32 – WROVER

Mô-đun vi điều khiển ESP32 WROVER có IC trung tâm là D0WD-V3 với nhân xử lý dual-core Xtensa® 32-bit LX6 microprocessors đầymạnh mẽ, tích hợp chuẩn Wi-Fi 802.11 b/g/n/e/I , Bluetooth BR/EDR & BLEv4.2, thường được sử dụng trong các sản phẩm hoặc nghiên cứu về IoT hiện nay.Với kích thước nhỏ gọn, ra chân đầy đủ của IC ESP32, mô-đun được thiết kế và

ESP32-gia công chất lượng tốt với vỏ bọc kim loại chống nhiễu và anten PCB + cổng kếtnối anten ngoài Ipex cho khoảng các truyền xa và ổn định.

Bảng 4.3 Các thông số cơ bản của Mô-đun vi điều khiển

4.4 Bố trí các thiết bị

Dựa theo tính toán điện tích mặt sàn của các phòng trong thư viện, số lượngđiều hòa trong từng phòng được lựa chọn phù hợp để đảm bảo vận hành đúngyêu cầu đề ra Với:

Với không gian rộng, nhiệt độ ở các vùng trong phòng sẽ khác nhau, vìthế việc bố trí nhiều cảm biến trong một phòng là điều cần thiết Tuy nhiên, đểtiết kiệm chi phí, hoàn toàn có thể sử dụng 2 cảm biến cho các phòng 401, 402,

411, 419 Nhiệt độ đo được sẽ là trung bình cộng của kết quả hai cảm biến đođược Phòng 418 chỉ cần bố trí 1 cảm biến Cụ thể được mô tả trong Hình [4.6]

Hình 4.18 Bố trí cảm biến đo nhiệt độ ở các phòng