TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN CHIẾU SÁNG ĐÔ THỊ1.1 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
Trong quá khứ, chiếu sáng đơn thuần chỉ mang nhiệm vụ đẩy lùi bóng tối, nhưng với sự phát triển vượt bậc của cách mạng khoa học kỹ thuật, đời sống vật chất của con người đã được nâng cao rõ rệt Hiện nay, chức năng chiếu sáng không chỉ đảm bảo điều kiện sinh hoạt mà còn góp phần nâng cao giá trị thẩm mỹ của công trình kiến trúc, tạo nên môi trường sống và làm việc hài hòa, hiện đại.
Hiện tại, điện năng dành cho chiếu sáng chiếm khoảng 35% tổng lượng điện tiêu thụ tại Việt Nam Hệ thống chiếu sáng công cộng hiện nay đang cần được tối ưu hóa để tiết kiệm năng lượng, bởi vì việc thiết kế lắp đặt thiết bị chiếu sáng chưa đạt hiệu quả cao, dẫn đến tình trạng sử dụng điện lãng phí trong quá trình chiếu sáng công cộng.
Hiện nay, các thành phố lớn của Việt Nam chủ yếu sử dụng đèn thủy ngân cao áp cho hệ thống chiếu sáng, trong đó Hà Nội đạt tỷ lệ 52%, Bắc Giang 65%, Hội An 60% Loại đèn này tiêu thụ nhiều điện năng và có tuổi thọ trung bình chỉ từ 6.000 đến 18.000 giờ, dẫn đến hiệu quả năng lượng chưa tối ưu Hệ thống điều khiển đèn vẫn chủ yếu hoạt động bằng tủ cục bộ và phương pháp điều khiển thủ công, cần nâng cao công nghệ tự động hóa để tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn.
Hình 1-1 Đèn cao áp tiêu tốn nhiều năng lượng
Hiện nay, nhà nước tích cực kêu gọi tiết kiệm năng lượng điện, tuy nhiên hệ thống chiếu sáng công cộng vẫn đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo an toàn giao thông, duy trì trật tự xã hội và nâng cao vẻ đẹp cảnh quan đô thị Đầu tư xây dựng hệ thống chiếu sáng công cộng chất lượng chính là dấu hiệu hình thành các khu dân cư tập trung và thúc đẩy sự phát triển của đô thị mới Thách thức đặt ra cho các địa phương là nâng cao chất lượng chiếu sáng đồng thời giảm thiểu tiêu thụ điện năng, tạo ra một bài toán cần lời giải phù hợp với mục tiêu phát triển bền vững.
Yêu cầu chung đối với hệ thống chiếu sáng đô thị
Hệ thống chiếu sáng đô thị hiện nay cần đảm bảo cung cấp độ sáng phù hợp cho từng vị trí trên đường để nâng cao khả năng quan sát và an toàn giao thông Ngoài ra, việc đảm bảo an ninh cho người đi bộ, đi xe đạp và xe máy khi lưu thông trên đường là yêu cầu quan trọng nhằm tạo môi trường đô thị an toàn và an tâm cho cộng đồng.
Làm sáng rõ các biển chỉ dẫn giao thông.
Làm đẹp cảnh quan đô thị vào ban đêm.
Các hệ thống chiếu sáng hiện đại cần đáp ứng các mục tiêu chính về tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường Đồng thời, tích hợp hệ thống giám sát từ xa giúp tối ưu hóa hiệu quả vận hành, giảm thiểu chi phí và nhân công lao động Những công nghệ tiên tiến này góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và thúc đẩy phát triển bền vững cho hệ thống chiếu sáng.
Hình 1-2 Đèn chiếu sáng trong thành phố
Hệ thống chiếu sáng tại Việt Nam hiện nay
Những hệ thống cũ
Hiện nay tại Việt Nam, các hệ thống chiếu sáng đa phần vẫn được thiết kế dựa trên mô hình điều khiển tập trung thông qua các tủ động lực Một hệ thống chiếu sáng cơ bản bao gồm trạm biến áp và hệ thống hạ áp từ nguồn điện trung thế để cung cấp năng lượng cho các tủ động lực Các tủ này có nhiệm vụ điều khiển trực tiếp toàn bộ hệ thống đèn trên từng tuyến đường, đảm bảo hiệu quả và an toàn trong việc chiếu sáng công cộng.
Hình 1-3 Trạm biến áp cho cấp cho tủ điều khiển
Hệ thống chiếu sáng cổ điển và điều khiển thủ công thường gây ra hệ thống cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích để xây dựng trạm biến áp và tủ điều khiển Việc giám sát và bảo dưỡng hệ thống định kỳ giúp đảm bảo hoạt động ổn định, thông qua việc kiểm tra và khắc phục sự cố kịp thời.
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
Trong những năm qua, nhu cầu tiêu thụ năng lượng ở Việt Nam tăng mạnh, đặc biệt trong các ngành công nghiệp như xi măng và chiếu sáng công cộng Việc sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả trở thành nhu cầu cấp thiết để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và đảm bảo phát triển bền vững Hội thảo về tiết kiệm năng lượng kết hợp với kinh tế xanh trong ngành công nghiệp chiếu sáng diễn ra ngày 22/4 tại Hà Nội đã tập trung thảo luận các giải pháp hiệu quả nhằm giảm thiểu tiêu thụ điện năng trong lĩnh vực này.
Việc thiết kế hệ thống chiếu sáng ở Việt Nam hiện nay đang hướng đến xu hướng tiết kiệm năng lượng để nâng cao hiệu quả sử dụng ánh sáng Các giải pháp thực tế hoặc thí điểm đã được triển khai nhằm tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng trong hệ thống chiếu sáng Các phương án thiết kế tiết kiệm năng lượng có thể bao gồm việc sử dụng đèn LED tiết kiệm điện, tối ưu hóa bố trí chiếu sáng dựa trên nhu cầu thực tế và kết hợp các công nghệ tự động hóa để điều chỉnh sáng phù hợp với từng khu vực Áp dụng các giải pháp này giúp giảm chi phí vận hành, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao tính bền vững cho hệ thống chiếu sáng tại Việt Nam.
Sử dụng công nghệ chiếu sáng LED thay thế các hệ thống đèn cao áp, sợi đốt và huỳnh quang mang lại nhiều ưu điểm vượt trội, đặc biệt là hiệu suất phát sáng cao hơn đến 90% so với đèn sợi đốt Theo PGS.TS Dương Ngọc Huyền từ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đèn LED và công nghệ chiếu sáng rắn được xem là giải pháp tối ưu cho ánh sáng tương lai Về ứng dụng, đèn LED có khả năng thay thế mọi nguồn sáng truyền thống trong vòng chưa đầy 10 năm tới.
Trong vòng 15 năm tới, đèn LED được xem là thiết bị phát sáng có hiệu suất cao nhất do con người tạo ra, mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội Đặc biệt, công nghệ LED chuyển đổi điện thành ánh sáng hiệu quả hơn so với các loại đèn khác, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm lượng nhiệt tỏa ra Công nghệ này còn cho phép người dùng bật tắt nhiều lần mà không gây suy giảm đáng kể tuổi thọ bóng đèn Một trong những lợi ích lớn của đèn LED là tỷ lệ chuyển hóa năng lượng thành ánh sáng cao hơn nhiều so với năng lượng chuyển thành nhiệt, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng Ngoài ra, đèn LED có tuổi thọ rất cao, từ 30.000 đến 50.000 giờ, vượt xa so với đèn huỳnh quang và đèn sợi đốt, đồng thời ít bị hư hỏng do va đập và thân thiện với môi trường.
Một nhược điểm quan trọng của bóng đèn LED là hiệu suất của chúng phụ thuộc lớn vào nhiệt độ môi trường hoạt động Đặc biệt trong các ứng dụng như ô tô, ngoài trời, y tế và quân sự, nơi thiết bị phải hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rộng và yêu cầu tỷ lệ thất bại thấp để đảm bảo độ bền và hiệu quả liên tục.
Đèn Metal Halide có khả năng chiếu sáng vượt trội, sáng gấp 3-5 lần so với đèn sợi đốt nhờ vào hỗn hợp đặc biệt của Metal Halide, tạo ra nhiệt độ màu lên đến 5500K Ánh sáng từ đèn này có chất lượng cao, độ sáng rõ hơn so với các loại đèn thông thường Chính vì vậy, đèn Metal Halide thường được sử dụng để chiếu sáng các khu vực rộng lớn, như nhà xưởng, đèn xe ô tô và xe máy, mang lại hiệu quả chiếu sáng tối ưu.
Tuy nhiên, công nghệ của đèn Metal Halide cũ dẫn đến một số nhược điểm như thời gian khởi động lâu, từ 15-20 phút, gây khó khăn cho người dùng trong việc bật tắt linh hoạt Đặc biệt, độ bền của bóng không cao, tuổi thọ trung bình chỉ từ 6.000 đến 15.000 giờ, dẫn đến chi phí thay mới định kỳ cao hơn.
Giải pháp 3: Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như: mặt trời, gió,
Năng lượng tái tạo, bao gồm năng lượng mặt trời, thủy điện, gió, là nguồn năng lượng sạch và vô tận, không gây ô nhiễm không khí hay góp phần vào hiệu ứng nhà kính toàn cầu Các nguồn năng lượng này giúp giảm chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng nhờ tính tự nhiên, đồng thời cung cấp giải pháp bền vững cho ngành năng lượng Tuy nhiên, việc sản xuất ra công suất lớn từ các nguồn năng lượng tái tạo gặp nhiều khó khăn do công nghệ còn mới và chi phí đầu tư ban đầu cao.
Giải pháp 4 đề xuất hệ thống điều khiển bật tắt linh hoạt, cho phép điều chỉnh công suất chiếu sáng phù hợp với nhu cầu sử dụng, giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả hoạt động Hệ thống còn tích hợp các chế độ hoạt động đa dạng, đảm bảo điều chỉnh linh hoạt để phù hợp với từng tình huống cụ thể Đồng thời, xây dựng hệ thống giám sát sự cố giúp phát hiện nhanh các vấn đề, từ đó giảm thiểu thời gian và chi phí vận hành, nâng cao độ tin cậy của hệ thống chiếu sáng.
Việt Nam và thế giới đã áp dụng các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho chiếu sáng, trong đó hệ thống đèn LED tại TP Hồ Chí Minh là ví dụ điển hình, thể hiện rõ hiệu quả của giải pháp chiếu sáng bằng đèn LED trong việc giảm tiêu thụ năng lượng và nâng cao hiệu suất chiếu sáng đô thị.
Hình 1-5 Đèn đường LED trong chiếu sáng đô thị tại TP.HCM [4]
Trung tâm tiết kiệm năng lượng TP.HCM đã thay thế toàn bộ hệ thống đèn đường bằng đèn LED công suất từ 65-200W, giúp TP.HCM có tiềm năng tiết kiệm tới 55.315.699 kWh mỗi năm, tương đương khoảng 88 tỷ đồng và giảm 31 tấn phát thải CO2 ra môi trường hàng năm Ưu điểm nổi bật của đèn LED là khả năng tiết kiệm năng lượng, khi lượng điện tiêu thụ có thể giảm tới 60% so với 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 pháp 1)
Hình 1-6 Bóng đèn cao áp Metal Halide trên tuyến đường cao tốc tại Châu Âu.[5]
Hệ thống đèn đường Metal Halide được thiết kế bởi Trường Đại học Công nghệ Delft, Hà Lan, sử dụng công nghệ cảm biến chuyển động tích hợp để tự động điều chỉnh cường độ sáng Nhờ tính năng cảm biến này, đèn đường sẽ giảm cường độ ánh sáng khi không có người hoặc phương tiện giao thông qua lại, từ đó giúp tiết kiệm đến 20% năng lượng Đây là giải pháp chiếu sáng hiệu quả, thân thiện với môi trường và giảm chi phí vận hành.
Khi phương tiện hoặc người đi vào làn đường, hệ thống cảm biến của đèn đường gần nhất sẽ phát hiện và kích hoạt toàn bộ hệ thống đèn Sau khi phương tiện rời khỏi, hệ thống điều chỉnh giảm cường độ sáng để tiết kiệm năng lượng và tối ưu hiệu quả chiếu sáng.
Hệ thống đèn đường thông minh đã được thử nghiệm thành công tại khuôn viên của trường Đại học Delft, mang lại kết quả tích cực trong việc nâng cao hiệu quả chiếu sáng Sau đó, dự án đã được triển khai thử nghiệm tại 4 thành phố của Hà Lan và 1 thành phố của Ireland, cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi Hiện tại, hệ thống đèn đường thông minh đã sẵn sàng để tiến tới thương mại hóa, mở ra cơ hội cải thiện đô thị và tiết kiệm năng lượng cho các thành phố trên toàn cầu.
Hệ thống này không chỉ giúp giảm năng lượng tiêu thụ mà còn giảm phát thải khí CO2 đến 80%, góp phần bảo vệ môi trường Ngoài ra, nó còn giảm chi phí bảo trì và ô nhiễm ánh sáng, mang lại lợi ích kinh tế và môi trường bền vững cho cộng đồng.
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 năng lượng, tích hợp các ưu điểm hiện đang được áp dụng tại Việt Nam và trên thế giới, như được trình bày trong mục 3.2 Hệ thống này sử dụng các phương pháp tiết kiệm năng lượng đã được giới thiệu ở mục 1.3.2 để đảm bảo hiệu quả và tiết kiệm điện năng toàn diện.
Các cột đèn sử dụng đèn LED thay cho bóng đèn cao áp với mục đích tiết kiệm năng lượng tiêu thụ.
Hệ thống mạng cảm biến không dây giám sát và điều khiển bật tắt các cột đèn chiếu sáng từ xa bằng công nghệ truyền thông không dây giúp nâng cao hiệu quả quản lý chiếu sáng đô thị Việc tích hợp khả năng điều khiển từ xa qua máy tính và phát hiện sự cố tự động giúp tiết kiệm thời gian và chi phí bảo trì Công nghệ này hỗ trợ tối ưu hóa việc vận hành hệ thống chiếu sáng công cộng, giảm thiểu lãng phí năng lượng và nâng cao an ninh khu vực.
Đề xuất xây dựng mô hình mạng cảm biến tiên tiến tận dụng các ưu điểm của hệ thống chiếu sáng hiện có tại Việt Nam và trên thế giới, nhằm tối ưu hóa hiệu quả vận hành Mô hình này hướng theo xu hướng phát triển của khoa học công nghệ để đáp ứng nhu cầu tiết kiệm năng lượng một cách bền vững Việc áp dụng cảm biến trong hệ thống chiếu sáng giúp cải thiện chất lượng ánh sáng, giảm lãng phí điện năng và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng Nhờ đó, mô hình mạng cảm biến góp phần thúc đẩy phát triển các giải pháp thông minh, tiết kiệm năng lượng phù hợp với xu thế phát triển bền vững của ngành công nghiệp chiếu sáng.
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.
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Hệ thống này được kết nối với hệ thống điều khiển trung tâm qua Internet, giúp đảm bảo liên lạc hiệu quả và linh hoạt Với giao diện trực quan, hệ thống dễ dàng vận hành và sử dụng cho người điều khiển Ngoài ra, hệ thống quản lý còn hiển thị dữ liệu nhận được từ trung tâm điều khiển một cách rõ ràng, giúp người dùng dễ dàng giám sát và quản lý hệ thống một cách hiệu quả.
Hệ thống có khả năng vận hành chủ động, cho phép người quản lý dễ dàng giám sát toàn bộ tình trạng hoạt động của hệ thống từ trung tâm điều khiển Điều này giúp đưa ra các chỉ thị sửa chữa kịp thời khi có sự cố liên quan đến hệ thống chiếu sáng Ngoài ra, phương pháp này còn giúp tiết kiệm chi phí kiểm tra, quản lý và bảo trì, nâng cao hiệu quả vận hành.
Hệ thống chiếu sáng đề xuất được thiết kế sử dụng mạng cảm biến không dây LoRa, mang lại hiệu quả truyền tải dữ liệu ổn định và tiết kiệm năng lượng Trong phần tiếp theo, bài viết sẽ trình bày chi tiết về công nghệ mạng cảm biến không dây LoRa, lý do vì sao nó phù hợp cho hệ thống chiếu sáng tự động và các lợi ích mà công nghệ này mang lại.
TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY
Mạng truyền thông không dây là gì?
Mạng không dây (Wireless LAN) là công nghệ cho phép các thiết bị (Node) kết nối với nhau một cách linh hoạt và tiện lợi mà không cần sử dụng dây mạng Điểm nổi bật của Wireless LAN là khả năng truyền tải dữ liệu qua giao thức chuẩn, giúp các thiết bị dễ dàng liên kết và mở rộng mạng một cách hiệu quả Công nghệ này phù hợp cho các môi trường đòi hỏi sự di chuyển linh hoạt và tiết kiệm thời gian lắp đặt dây mạng phức tạp Wireless LAN ngày càng trở thành giải pháp phổ biến trong các khu văn phòng, trường học, và gia đình nhờ khả năng kết nối nhanh chóng và tiện ích cao.
Hình 2-10 Mạng truyền thông không dây
Các ví dụ điển hình về mạng không dây gồm có mạng Wi-Fi, 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 Những công nghệ này giúp kết nối dữ liệu không dây linh hoạt, mở ra nhiều ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày và doanh nghiệp Mạng không dây đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp các dịch vụ truyền thông và kết nối dữ liệu hiệu quả, nâng cao trải nghiệm người dùng và thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị IoT.
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 không dây như sóng vô tuyến và tia hồng ngoại để truyền dữ liệu giữa các điểm khác nhau mà không cần kết nối vật lý Các sóng vô tuyến đóng vai trò là sóng mang vô tuyến, giúp phân phối năng lượng một cách hiệu quả đến các máy thu ở xa, từ đó đảm bảo một mạng lưới truyền thông linh hoạt và tiện lợi.
Dữ liệu truyền tải được chồng lên trên sóng mang vô tuyến để gửi đến máy thu chính xác Để nhận dữ liệu, máy thu vô tuyến phải bắt sóng trên một tần số vô tuyến cụ thể, đồng thời loại bỏ tất cả các tín hiệu không cần thiết trên các tần số khác Đây là quá trình đảm bảo dữ liệu truyền đi một cách chính xác và hiệu quả qua các sóng vô tuyến.
Đặc điểm của mạng truyền thông không dây
Truyền thông không dây có những đặc điểm nổi bật giúp nổi bật vượt trội so với các hệ thống có dây Những ưu điểm này bao gồm tính linh hoạt, dễ dàng triển khai và khả năng mở rộng, giúp mạng không dây phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau Nhờ đó, truyền thông không dây dễ dàng ứng dụng trong các lĩnh vực như công nghiệp, giáo dục, y tế và các hệ thống doanh nghiệp hiện đại [8].
Trong mạng truyền thông không dây, các Node không dây hoạt động độc lập, trao đổi dữ liệu trực tiếp với nhau thông qua tín hiệu không dây, giúp tăng tính linh hoạt và mở rộng mạng dễ dàng hơn Việc sử dụng công nghệ truyền tin không dây không chỉ giảm thiểu cồng kềnh trong bố trí thiết bị mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống, đặc biệt so với phương thức truyền tin có dây truyền thống Các nút không dây gửi dữ liệu về nút Gateway qua các tín hiệu không dây, đảm bảo kết nối liên tục và ổn định trong môi trường mạng không dây ngày càng phát triển và mở rộng Công nghệ không dây tối ưu hóa khả năng truyền tải dữ liệu nhanh chóng, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống mạng wireless.
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 dễ dàng lắp đặt và phân bố dày đặc trong khu vực cần thu thập thông tin và điều khiển Việc phân bố nhiều thiết bị giúp truyền dữ liệu về nút chủ qua các đường ngắn nhất, giảm thời gian truyền và nâng cao độ chính xác của thông tin Không chỉ vậy, mạng lưới các Node không dây tăng cường khả năng giám sát và theo dõi khu vực hiệu quả hơn Trong trường hợp một nút gặp sự cố hoặc bị hỏng, mạng vẫn duy trì hoạt động bình thường và các Node lân cận giúp xác định nguyên nhân để có biện pháp sửa chữa kịp thời.
2.3.2 Phạm vi triển khai mạng truyền thông không dây rộng
Các Node trong mạng đảm nhiệm chức năng thu nhập, giám sát, điều khiển và truyền thông tin giữa các thiết bị, giúp việc mở rộng mạng trở nên dễ dàng Khi muốn mở rộng vùng giám sát và điều khiển, chỉ cần lắp thêm thiết bị mới, các Node sẽ được cấu hình theo nhu cầu người dùng, đảm bảo dễ dàng sử dụng Với số lượng thiết bị lớn và khoảng cách truyền tín hiệu xa, phạm vi triển khai của mạng có thể lên đến hàng chục, hàng trăm km, phù hợp cho các ứng dụng quy mô lớn.
2.3.3 Vấn đề tiết kiệm năng lượng cho mạng truyền thông không dây
Các nguồn cung cấp năng lượng cho các Node như pin, ắc quy và pin năng lượng mặt trời đều có giới hạn về thời gian sử dụng Vì vậy, việc tiết kiệm năng lượng là yếu tố quyết định để duy trì hoạt động của hệ thống lâu dài Các kỹ sư cần chú trọng đến cả phần mềm và phần cứng để tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng, đảm bảo các nguồn năng lượng hạn chế này được sử dụng hiệu quả nhất.
Các ứng dụng của mạng truyền thông không dây
Truyền thông không dây có nhiều ứng dụng thực tế đa dạng, từ việc hỗ trợ trong quân đội, giám sát môi trường, đến các lĩnh vực y tế, công nghiệp và nhà thông minh Các công nghệ không dây này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và tiện ích trong cuộc sống hàng ngày và hoạt động công nghiệp.
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 giúp theo dõi tình trạng sức khỏe toàn diện Trong bối cảnh dịch Covid-19 diễn biến phức tạp, việc sử dụng mạng truyền thông không dây kết hợp với các máy đo thân nhiệt trở thành giải pháp cấp thiết để phát hiện nhanh những người có nhiệt độ cao, từ đó kiểm soát và phòng ngừa lây lan dịch bệnh hiệu quả.
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.
Hệ thống dẫn đường. Định vị các phương tiện giao thông.
Hệ thống điều khiển đèn đường thông minh.
Công nghệ Bluetooth
Bluetooth là công nghệ truyền tin không dây bằng sóng vô tuyến với phạm vi ngắn, hoạt động trong dải tần số 2,4GHz đến 2,48GHz Trong khoảng cách từ 10 đến 100 mét, Bluetooth cung cấp tốc độ truyền dữ liệu ban đầu là 720 Kbps và có thể đạt tối đa 1 Mbps Hiện nay, công nghệ Bluetooth đã không ngừng được cải tiến, tốc độ truyền tải tăng lên đáng kể, đạt mức 2 Mbps và mở rộng phạm vi lên tới 240 mét, đáp ứng tốt hơn nhu cầu kết nối không dây ngày càng cao.
Bluetooth có một số nhược điểm, trong đó tiêu hao pin cho các thiết bị di động không dây như điện thoại thông minh là một yếu tố cần lưu ý, dù công nghệ và pin đã được cải thiện đáng kể giúp giảm thiểu vấn đề này Ngoài ra, Bluetooth sử dụng tín hiệu yếu dễ bị nhiễu trong môi trường “nhiễu loạn”, khiến việc kết nối của các thiết bị trở nên hạn chế hơn.
Phạm vi hoạt động của công nghệ không dây thường hạn chế chỉ khoảng 30 feet (hơn 9 mét) Ngoài ra, các chướng ngại vật như tường, sàn, hay trần nhà có thể làm giảm đáng kể khoảng cách truyền tải, ảnh hưởng đến hiệu quả của kết nối không dây.
Công nghệ Wifi
Công nghệ Wi-Fi sử dụng sóng vô tuyến để truyền tin không dây ở tần số từ 2,4GHz đến 2,48GHz Tuy nhiên, Wi-Fi dễ gặp phải độ trễ cao, nhiễu sóng và không ổn định do các yếu tố như bức tường dày, vật dụng nội thất gây chặn sóng và sóng nhiễu từ mạng Wi-Fi hàng xóm Điều này có thể dẫn đến các vấn đề như mất kết nối, ping cao và giảm tốc độ internet.
Công nghệ Zigbee
Công nghệ truyền tin dành cho các ứng dụng công nghiệp và khoa học, sử dụng các tần số như 868MHz và 915MHz ở Mỹ và Châu Úc, cùng với 2,4GHz trên hầu hết các quốc gia trên thế giới Với khả năng tiêu thụ năng lượng thấp, chi phí hợp lý và tốc độ truyền dữ liệu cao, công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
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.
Khả năng xuyên tường của Wi-Fi không cao, đặc biệt là khi nhà có nhiều phòng, dẫn đến giảm tín hiệu và độ ổn định mạng so với thiết bị có dây Đây là nhược điểm chung của tất cả các loại sóng không dây, ảnh hưởng đến chất lượng kết nối trong môi trường nhiều phòng.
Công nghệ LoRa
LoRa là chuẩn không dây mới được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng mạng diện rộng công suất thấp Công nghệ này có khả năng hỗ trợ liên lạc liên tục trong phạm vi lên tới 15-20 km và kết nối hàng triệu Node mạng, phù hợp cho các thiết bị thông minh cần truyền dữ liệu ở mức thấp LoRa hoạt động trên băng tần không cần cấp phép và có tốc độ truyền dữ liệu từ 0,3kbps đến 30kbps, giúp duy trì kết nối lâu dài trong các ứng dụng IoT.
Các kết quả trên cho thấy các số liệu minh họa rõ ràng về hiệu năng hoạt động của công nghệ LoRa so với các công nghệ không dây phổ biến khác Điều này giúp làm rõ ưu điểm của LoRa trong việc mở rộng phạm vi truyền tải dữ liệu và giảm tiêu thụ năng lượng, phù hợp cho các ứng dụng IoT cần kết nối lâu dài và ổn định Việc so sánh này cung cấp cơ sở tin cậy để lựa chọn công nghệ phù hợp với yêu cầu của từng dự án hoặc hệ thống.
Bảng 1: So sánh các chuẩn giao tiếp không dây
Các công nghệ kết nối không dây như Bluetooth, Zigbee, Wifi và LoRa đang được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điều khiển và mạng băng thông nhỏ Chúng hỗ trợ hệ thống giám sát từ xa, thu thập dữ liệu và quản lý thiết bị hiệu quả, mang lại khả năng giám sát diện rộng và thu thập thông tin chính xác trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Số thiết bị 255 Hơn 64000 Phụ thuộc 10000 trong mạng vào số địa chỉ
Dòng tiêu 30 mA 30 mA 100 mA 28 mA thụ
Công nghệ FHSS DSSS OFDM CSS điều chế (Frequency (Direct (Orthogonal (Chirp Spread
Trong quá trình lựa chọn công nghệ truyền thông không dây phù hợp, LoRa nổi bật với những ưu điểm về tiết kiệm năng lượng và khả năng truyền dữ liệu xa, phù hợp để điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng trên các đoạn đường dài Với số lượng đèn lớn cần điều khiển và yêu cầu giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, công nghệ LoRa là lựa chọn tối ưu cho bài toán này Chính vì vậy, chúng ta đã quyết định sử dụng công nghệ LoRa để truyền nhận không dây trong hệ thống của mình.
Mạng không dây LoRa
Hình 2-16 Mạng không dây LoRa
LoRa là công nghệ truyền dữ liệu dài hạn, được phát triển bởi Semtech dựa trên kỹ thuật điều chế “Chirp Spread Spectrum” (CSS) Kỹ thuật Chirp, viết tắt của “Compressed High Intensity Radar Pulse”, là phương pháp phổ biến trong sonar và radar, sử dụng tín hiệu có biên độ không đổi nhưng tần số thay đổi liên tục Trong đó, up-chirp là kỹ thuật tần số tăng từ thấp đến cao, còn down-chirp là tần số giảm từ cao xuống thấp, giúp mở rộng phạm vi truyền dữ liệu và tăng khả năng chống nhiễu cho các thiết bị IoT dựa trên LoRa.
Dựa trên kỹ thuật này, điều chế LoRa giúp tăng phạm vi truyền thông đáng kể với công suất thấp nhất Một module LoRa với công suất phát 100 mW có thể truyền xa hơn 3 km, trong khi với công suất 1W, khoảng cách truyền có thể lên đến gần 10 km Nhờ ưu điểm này, LoRa phù hợp để xây dựng các hệ thống IoT với các Node đặt ở khoảng cách xa hàng kilometer, sử dụng nguồn năng lượng nhỏ như pin kéo dài lên đến vài năm, với chi phí thấp và không phụ thuộc vào hệ thống internet toàn cầu.
2.6.2 Các thông số của LoRa
Khi truyền đi một gói tin, hai thông số quan trọng cần quan tâm là khoảng cách truyền (range) và tốc độ truyền dữ liệu (data rate) Đối với công nghệ LoRa, việc tối ưu hóa cả phạm vi truyền và tốc độ truyền là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất mạng IoT hoạt động hiệu quả và ổn định.
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).
Băng thông (BW) xác định phạm vi tần số mà tín hiệu chirp có thể thay đổi, ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu của thiết bị LoRa Các chip LoRa khác nhau cho phép tùy biến cấu hình băng thông với ba mức phổ biến là 125kHz, 250kHz và 500kHz Băng thông lớn hơn giúp mã hóa tín hiệu nhanh hơn, từ đó rút ngắn thời gian truyền dữ liệu, tuy nhiên lại làm giảm khoảng cách truyền sóng xa hơn.
Hình 2-17 Thông số của LoRa
Trong bài viết, Spreading Factor (SF) hay hệ số mở rộng là yếu tố xác định số lượng tín hiệu chirp được sử dụng để mã hóa dữ liệu đã điều chế tần số SF có giá trị nguyên từ 7 đến 12, ví dụ SF = 12 tương đương với việc mỗi mức logic của tín hiệu được mã hóa bằng 12 xung chirp Giá trị SF càng lớn thì thời gian truyền dữ liệu sẽ lâu hơn, nhưng đồng thời tỉ lệ lỗi bit (BER) sẽ giảm và phạm vi truyền dữ liệu sẽ mở rộng hơn, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống truyền thông.
Coding Rate (CR) là tỷ lệ số lượng bit bổ sung thêm vào payload của gói tin LoRa nhằm giúp mạch nhận phục hồi các bit dữ liệu bị sai và tái tạo dữ liệu chính xác CR thường là các giá trị nguyên từ 1 đến 4, được biểu thị dưới dạng 4/CR+4 (ví dụ: 4/5, 4/6, 4/7, 4/8) Việc chọn CR cao hơn sẽ cải thiện khả năng nhận dữ liệu đúng, nhưng sẽ làm tăng lượng dữ liệu gửi đi và kéo dài thời gian truyền tải Tối ưu CR phù hợp giúp cân bằng giữa độ chính xác và hiệu suất truyền dữ liệu trong hệ thống LoRa.
Tùy vào mục đích ứng dụng, ta có thể ưu tiên giữa khoảng cách truyền xa hoặc tốc độ truyền dữ liệu bằng cách cấu hình các tham số BW, SF, CR phù hợp Nếu ứng dụng yêu cầu thu thập dữ liệu cảm biến ở khoảng cách xa mà không cần truyền trong thời gian ngắn, nên lựa chọn băng thông thấp (ví dụ 125 kHz), SF cao (ví dụ 12) và CR có thể điều chỉnh linh hoạt Dữ liệu tốc độ truyền (data rate) có thể được tính toán dựa trên các tham số này để đảm bảo hiệu quả truyền dữ liệu phù hợp với mục tiêu của hệ thống.
2.6.3 Các tần số của LoRa
Trong truyền thông không dây, dải tần hoạt động hoặc băng tần là yếu tố quan trọng nhất cần xem xét để đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống Băng tần có thể được chia thành hai loại chính dựa trên quy định sử dụng: băng tần được cấp phép (licensed band), yêu cầu trả phí để sử dụng, và băng tần không cần cấp phép (unlicensed), miễn phí trong những điều kiện nhất định Thường gặp trong các công nghệ như Wi-Fi hay các thiết bị viễn thông cá nhân là dải tần ISM, thuộc nhóm băng tần không cần cấp phép, phù hợp với các ứng dụng khoa học, công nghiệp và y tế Hiểu rõ về các loại băng tần này giúp nhà phát triển và doanh nghiệp lựa chọn công nghệ phù hợp, tối ưu hóa hiệu suất truyền thông không dây.
Sóng LoRa hoạt động trong dải tần ISM, giúp giảm thiểu chi phí sử dụng, tuy nhiên cần tuân thủ các quy định về công suất phát và chịu ảnh hưởng từ nhiễu Các khu vực khác nhau trên thế giới sử dụng các băng tần khác nhau như 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz (Châu Âu) và 915 MHz (Châu Mỹ) Tại Việt Nam, LoRa hiện chủ yếu hoạt động ở băng tần 433 MHz, phù hợp với quy định địa phương.
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,
Các module LoRa kết hợp với vi điều khiển như STM32 thường không hỗ trợ lập trình tham số gốc như BW, SF, CR mà chỉ có thể cấu hình qua giao tiếp UART để thiết lập các tham số cơ bản như băng tần, địa chỉ nguồn và đích, công suất phát, data rate và các chế độ hoạt động tùy biến Các module này giúp xây dựng các ứng dụng truyền nhận dữ liệu đơn giản nhưng hiệu quả Trong đó, dòng E32 LoRa của hãng Ebyte là phổ biến nhất, gồm các phiên bản như E32-TTL-100 (433T20DC) và E32-TTL-1W (433T30D), được biết đến với khả năng cấu hình linh hoạt và dễ tích hợp trong các dự án IoT.
Hình 2-19 Module E32-TTL-100 và E32-TTL-1W [14].
Kiến trúc mạng truyền thông không dây trong hệ thống chiếu sáng
Trong bài viết này, chúng tôi tập trung vào giải pháp giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng đô thị bằng công nghệ LoRa, một công nghệ truyền thông không dây hiệu quả cho các ứng dụng đô thị thông minh Chúng tôi đã nghiên cứu và lựa chọn các kiến trúc mạng cảm biến không dây phù hợp nhất để tối ưu hóa hệ thống, đảm bảo khả năng mở rộng, độ tin cậy cao và tiết kiệm năng lượng Các kiến trúc mạng này góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành hệ thống chiếu sáng, đáp ứng nhu cầu phát triển đô thị thông minh ngày càng tăng.
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 bố trí thành một đoạn đường thẳng, tạo thành mô hình mạng truyền thông dạng tuyến tính đơn giản và phổ biến nhất cho hệ thống chiếu sáng Mô hình này phù hợp để chiếu sáng các tuyến đường trong thành phố, khu đô thị và quanh khuôn viên nhà xưởng Đặc biệt, trong hình mô hình kiến trúc mạng một đường thẳng, dữ liệu sẽ được gửi đồng thời đến tất cả các đèn trên đường, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và đồng bộ.
Ví dụ về mô hình chiếu sáng, khi tất cả mười đèn cùng nhận chung một địa chỉ, giúp điều khiển đồng bộ dễ dàng hơn Khi Gateway gửi gói dữ liệu điều khiển đến địa chỉ này, tất cả các đèn đều nhận được tín hiệu cùng lúc, và bộ xử lý trong mỗi đèn sẽ phân tích và thực thi lệnh bật hoặc tắt phù hợp Sau khi thực hiện lệnh, các Node sẽ gửi lại phản hồi về Gateway để báo cáo trạng thái hoạt động của đèn, giúp Gateway phân tích để xác định xem đèn có gặp sự cố hoặc bị cháy và xác định vị trí chính xác của đèn đó.
Hình 2-22 Kiến trúc mạng hai đường trong thực tế
Hình 2-23 Mô hình kiến trúc mạng hai đường
Hai hình trên cho thấy các cột đèn được bố trí dọc hai bên đường, phù hợp cho hệ thống chiếu sáng các tuyến đường lớn và cao tốc với mật độ chiếu sáng cao Mô hình này là một mở rộng của cấu trúc mạng một đường, hoạt động dựa trên nguyên lý của mô hình mạng đơn, giúp tối ưu hóa hiệu quả chiếu sáng trên các tuyến đường chính.
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 chủ yếu ứng dụng cho các đoạn đường rẽ nhánh và ngã tư trong đô thị, giúp quản lý giao thông hiệu quả Với cấu trúc này, các đèn giao thông trên cùng một tuyến đường được gán chung một địa chỉ, trong khi mỗi tuyến đường có địa chỉ riêng biệt Khi Gateway gửi gói dữ liệu điều khiển, gói này chứa địa chỉ của tuyến đường cần điều chỉnh Các Node sẽ so sánh địa chỉ trong gói dữ liệu với địa chỉ của mình; nếu không khớp, Node sẽ bỏ qua gói dữ liệu, còn Node có địa chỉ phù hợp sẽ nhận, phân tích và thực hiện lệnh điều khiển, đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác và hiệu quả.
Kết luận
Trong chương 2, chúng tôi đã giới thiệu tổng quan về các loại mạng truyền thông không dây hiện nay để giúp độc giả hiểu rõ hơn về các công nghệ này Qua phân tích ưu điểm và nhược điểm của từng mạng truyền thông, chúng tôi đã đề xuất phương án lựa chọn mạng phù hợp nhất với bài toán cụ thể của mình, đảm bảo tối ưu về hiệu quả và khả năng mở rộng.
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
Hệ thống được đề xuất bao gồm phần mềm quản lý trên máy tính, giúp dễ dàng điều khiển và trực quan hóa dữ liệu Gateway đóng vai trò trung tâm trong việc gửi lệnh điều khiển và phân tích dữ liệu nhận về trước khi hiển thị trên phần mềm máy tính Các Node cảm biến lắp đặt trên các cột đèn có khả năng nhận, phân tích và thực thi dữ liệu từ Gateway, sau đó gửi phản hồi trở lại hệ thống.
Các Node cảm biến gắn trên cột đèn được đánh địa chỉ mã hóa riêng biệt, giúp hệ thống nhận dạng chính xác từng đèn Bản tin Gateway gửi đi bao gồm địa chỉ đèn nhận và trạng thái mong muốn của đèn (bật hoặc tắt); các Node sẽ so sánh địa chỉ trong gói dữ liệu để xác định xem có phù hợp hay không, chỉ nhận và xử lý dữ liệu của các đèn trùng địa chỉ Node chủ động phân tích dữ liệu và thực hiện lệnh điều khiển dựa trên thông tin nhận được Ngoài ra, các Node cảm biến còn dùng cảm biến quang để phát hiện đèn cháy hoặc gặp sự cố, rồi gửi phản hồi về Gateway bao gồm vị trí và trạng thái của đèn Hệ thống mạng cảm biến cần đảm bảo Gateway gửi đủ các bản tin đến tất cả các đèn đường và nhận phản hồi đầy đủ để duy trì hoạt động ổn định.
Các Node cảm biến gắn trên mỗi cột đèn có khả năng:
Năng lượng tiêu thụ thấp.
Để nhận biết trạng thái hoạt động của đèn, bạn có thể sử dụng cảm biến để kiểm tra Bóng đèn có hai trạng thái chính: hoạt động bình thường và bị hỏng, giúp dễ dàng xác định tình hình sửa chữa hoặc bảo trì cần thiết Việc điều khiển đèn bật/tắt được thực hiện bằng rơ-le, đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả trong hệ thống điện.
Sử dụng công nghệ truyền thông không dây LoRa để truyền các bản tin giữa các Node và Gateway.
Mục tiêu thiết kế
Trong các hệ thống điều khiển lớn trong không gian rộng, việc giám sát thủ công thường gây tốn kém về thời gian, công sức và chi phí Để nâng cao hiệu quả quản lý, cần phát triển các phần mềm điều khiển và giám sát tự động, giúp người quản lý dễ dàng kiểm soát toàn bộ hệ thống từ xa Các giải pháp này không những giảm chi phí và nhân lực cần thiết mà còn nâng cao khả năng phản ứng nhanh chóng, đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định của hệ thống điều khiển lớn.
Bài toán đặt ra là xây dựng hệ thống điều khiển giám sát hệ thống chiếu sáng nhằm đảm bảo điều khiển linh hoạt việc bật tắt đèn Hệ thống cần có khả năng quản lý và vận hành hiệu quả, tự động hoá quá trình điều chỉnh ánh sáng theo nhu cầu sử dụng Việc này giúp nâng cao hiệu quả vận hành, tiết kiệm năng lượng và đảm bảo an toàn cho không gian chiếu sáng Trong đó, điều khiển linh hoạt bật tắt đèn là yếu tố cốt lõi, giúp hệ thống đáp ứng nhanh chóng và chính xác với các yêu cầu của người dùng.
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.
Để đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống gateway, cần thiết kế phần mềm điều khiển cho từng cột, giúp bật tắt đèn tự động hoặc theo lịch trình Phần mềm này còn có chức năng xác định trạng thái hoạt động của đèn, từ đó phát hiện sự cố kịp thời Ngoài ra, hệ thống phải có khả năng xác định vị trí vị trí sự cố xảy ra nhằm nhanh chóng xử lý và duy trì hệ thống chiếu sáng ổn định.
Kiến trúc hệ thống giám sát và chiếu sáng tự động
Hệ thống giám sát và chiếu sáng tự động được xây dựng dựa trên mạng lưới các cột đèn và Gateway nhằm tối ưu hóa hoạt động và tiết kiệm năng lượng Mỗi cột đèn đều được gắn một nút cảm biến để điều khiển và giám sát vận hành hệ thống hiệu quả Các cột đèn này kết nối trực tiếp với Gateway tạo thành mạng hình sao, đảm bảo sự liên lạc ổn định và tối ưu cho toàn bộ hệ thống chiếu sáng tự động.
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
Chúng tôi đã đặt ra các mục tiêu thiết kế cho nút cảm biến trong các ứng dụng hệ thống chiếu sáng cột đèn dọc theo tuyến đường, nhằm tối ưu hiệu quả và tiết kiệm năng lượng Hệ thống này giúp tự động điều chỉnh độ sáng dựa trên điều kiện ánh sáng môi trường, nâng cao tiện ích và an toàn cho người tham gia giao thông Thiết kế nút cảm biến cần đảm bảo độ nhạy cao, độ bền và khả năng hoạt động liên tục trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt Việc triển khai công nghệ cảm biến trong hệ thống chiếu sáng không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường, giảm lượng tiêu thụ năng lượng.
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 là một phương pháp hiệu quả để đo dòng điện qua bóng đèn Mặc dù đo dòng điện qua đèn không gặp nhiều khó khăn, nhưng các mạch đo thường cồng kềnh và phức tạp do yêu cầu nhiều bộ biến đổi Thêm vào đó, việc sử dụng các IC chuyên dụng để đo dòng có thể khiến chi phí trở nên cao, do đó không phù hợp cho các dự án tiết kiệm ngân sách.
Sử dụng cảm biến quang kết hợp với lắp đặt khéo léo là phương pháp hiệu quả để phát hiện trạng thái đèn, tránh nhầm lẫn do ánh sáng từ các nguồn khác như đèn bên cạnh, phương tiện giao thông hoặc ánh sáng mặt trời Để đảm bảo chính xác, cần có cách lắp đặt tinh tế và phù hợp Trên thị trường có nhiều loại cảm biến quang với mức giá khác nhau, từ rẻ đến đắt, nhưng chúng tôi đã chọn sử dụng quang trở (Hình 2.4) vì tính đơn giản, chi phí thấp và dễ dàng trong việc xác định đèn có sáng hay không.
Hình 3-29 Cảm biến quang trở
Lựa chọn quang trở GL5537 có các thông số sau: giá thị trường 3000đ.
Nhiệt độ hoạt động (°C): -30 đến 70. Điện trở khi có ánh sáng (KΩ): 20 đến 45.): 20 đến 45. Điện trở khi trời tối (MΩ): 20 đến 45.): 2. Điện áp tối đa: 150VDC.
Trong quá trình thực nghiệm, quang trở đặt gần nguồn đèn với cường độ sáng lớn, điện trở của quang trở giảm xuống đáng kể (từ 500Ω xuống 20-45Ω) Chúng tôi sử dụng bộ ADC để đo giá trị điện áp khi đèn sáng và tắt, giúp phân biệt trạng thái của đèn Để tránh tác động của ánh sáng mặt trời, cảm biến được lắp bên trong hộp đèn, đón ánh sáng trực tiếp từ bóng đèn (Hình 2.6) Sơ đồ nguyên lý của khối cảm biến quang trở thể hiện rõ cấu trúc và hoạt động của hệ thống (Hình 2.5).
Hình 3-30 Thiết kế phần cứng quang trở
Cảm biến quang được kết nối với chân ADC0 của vi điều khiển, sử dụng biến trở R2 = 10K cùng cảm biến quang trở PR1 Mục đích của việc dùng biến trở 10K là để điều chỉnh tỉ lệ chia điện áp Vout trên cảm biến quang trở so với Vin đầu vào, giúp điều chỉnh chính xác giá trị đo được Để tính điện áp Vout, chúng em áp dụng công thức: Vout = PR1 × Vin.
Hình 3-31 mô tả vị trí lắp cảm biến quang trở Để thiết kế phần cứng cho rơ-le điều khiển đóng cắt, cần phải tính toán và lựa chọn rơ-le phù hợp dựa trên các thông số kỹ thuật như dòng điện, điện áp và khả năng chịu tải Việc xác định các thông số này giúp đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, an toàn và hiệu quả trong điều kiện vận hành thực tế Chọn đúng rơ-le phù hợp là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống điều khiển tự động.
Nguồn cung cấp. Điện áp điều khiển, điện áp cuộn hút, dòng qua cuộn hút.
Nguồn cung cấp chủ yếu gồm đèn chiếu sáng 220VAC cho đèn LED và nguồn 5VDC dùng cho vi điều khiển Chúng ta có thể tận dụng chính nguồn này để cấp nguồn cho rơ le, vì rơ le có cuộn hút 5VDC phù hợp với nguồn cung cấp hiện tại Việc sử dụng nguồn phù hợp giúp hệ thống hoạt động ổn định, tiết kiệm chi phí và đảm bảo an toàn cho mạch điện.
Các bóng đèn LED chiếu sáng đường phố thường có công suất từ 30W đến 60W, bao gồm các dòng 30W, 40W, 50W, và 60W Nhờ công nghệ LED tiên tiến, những bóng đèn này có độ sáng tương đương với các loại bóng đèn sợi đốt có công suất lớn hơn nhiều, cụ thể là từ 120W đến 240W, như 120W, 160W, 200W và 240W Điều này giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả và nâng cao hiệu quả chiếu sáng đường phố.
Trong trường hợp này, chúng ta nên chọn Rơ le có dòng tối đa vượt quá 10A để đảm bảo hoạt động ổn định và tránh tình trạng nóng chảy của relay Phần tử Rơ le có thông số kỹ thuật phù hợp là 5V/10A, giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả cho hệ thống điện của bạn.
Một vấn đề quan trọng xảy ra khi rơ le gặp sự cố, do nguồn cung cấp cho rơ le là 5V trong khi các tín hiệu điều khiển từ VĐK thường là 3.3V hoặc 5V, dẫn đến nguy cơ ảnh hưởng trực tiếp đến mạch điều khiển Để đảm bảo an toàn cho hệ thống, tín hiệu điều khiển nên được cách ly quang, giúp ngăn chặn tác động của sự cố tới mạch điều khiển Hình 2.7 minh họa sơ đồ nguyên lý của khối rơ le, thể hiện cách phân tách tín hiệu và bảo vệ hệ thống điều khiển khỏi những rủi ro tiềm tàng.
Hình 3-32 Sơ đồ nguyên lý khối Rơ-le
Việc đóng cắt tải yêu cầu sử dụng bóng đèn có công suất phù hợp kèm theo bộ khuếch đại tín hiệu Trong hệ thống này, nhóm sử dụng transistor để đóng cắt rơ-le nhằm đảm bảo hoạt động ổn định Điện trở hạn dòng R7 được thêm vào để bảo vệ transistor khỏi quá dòng, thường chọn giá trị từ 1kΩ trở lên để đảm bảo hiệu quả.
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
Chúng tôi cần thiết kế một nút cảm biến nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và sử dụng công nghệ LoRa phù hợp với thị trường Việt Nam Vì vậy, chúng tôi đã lựa chọn module LoRa SX1278 Ra 01/02, được sản xuất bởi hãng uy tín, đảm bảo dễ dàng mua và lắp đặt Module LoRa SX1278 giúp tối ưu hóa tiêu thụ công suất, phù hợp với yêu cầu về thiết kế nhỏ gọn và hiệu quả của dự án.
AI Thinker có hai phiên bản là Ra 01 và Ra 02, chủ yếu khác nhau về cách gắn anten Phiên bản Ra 01 sử dụng anten hàn cứng trực tiếp trên mạch, trong khi đó, phiên bản Ra 02 được thiết kế với lỗ gắn anten, cho phép người dùng dễ dàng thay đổi các loại anten phù hợp Tuy nhiên, sơ đồ cấu tạo chân của cả hai phiên bản đều giống nhau, đảm bảo tính tiện lợi trong quá trình sử dụng và dễ dàng nâng cấp.
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 qua giao thức SPI, hoạt động ở mức điện áp 3.3V để đảm bảo tương thích và ổn định Chân DIO0 sau khi thiết lập có thể được sử dụng như một chân báo ngắt để cảnh báo khi nhận được gói tin hoặc truyền thành công, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền thông Các chân còn lại từ DIO1 đến DIO5 có thể bỏ qua nếu không cần sử dụng, giúp giảm độ phức tạp của hệ thống.
Thiết kế mạch Gateway
Hình 3-42 Tổng quan về Gateway
Gateway là một nút mạng quan trọng trong viễn thông, giúp kết nối hai mạng có giao thức truyền thông khác nhau có thể giao tiếp hiệu quả 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 Nhờ Gateway, các máy tính trong các mạng sử dụng hệ thống khác nhau có thể trao đổi thông tin dễ dàng hơn, từ đó nâng cao khả năng giao tiếp liên mạng.
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
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. Đặt ở trong nhà.
Sử dụng luôn nguồn điện lưới 220V.
Có vỏ hộp bảo vệ.
Dựa trên các yêu cầu của bài toán, chúng ta cần đề xuất các giải pháp xử lý phù hợp nhằm đảm bảo hiệu quả truyền nhận dữ liệu Các giải pháp này phải linh hoạt và thích nghi tốt khi phạm vi truyền nhận được mở rộng, giúp duy trì khả năng hoạt động ổn định và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.
Công nghệ LoRa được sử dụng để truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị hiện trường và Gateway, đáp ứng các yêu cầu về tiết kiệm năng lượng, khoảng cách truyền dữ liệu xa và không yêu cầu tốc độ truyền cao LoRa phù hợp với các ứng dụng yêu cầu truyền dữ liệu dài khoảng cách mà vẫn đảm bảo tiêu thụ năng lượng thấp Với công nghệ này, hệ thống có thể hoạt động bền bỉ trong môi trường không cần kết nối internet tốc độ cao Tận dụng đặc điểm của LoRa, việc truyền dữ liệu hiệu quả và tiết kiệm năng lượng trở thành ưu điểm vượt trội trong các hệ thống IoT.
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.
Dựa trên các yêu cầu và chức năng đã phân tích, chúng tôi đã chọn mạch Gateway gồm Module Raspberry Pi 3 làm bộ xử lý trung tâm, kết hợp với Module truyền thông không dây LoRa Ra-02 để gửi dữ liệu đi xa một cách hiệu quả.
3.5.3 Module Raspberry Pi a Raspberry là gì?
Raspberry Pi là một chiếc máy tính nhỏ gọn tích hợp phần cứng mạnh mẽ, đủ khả năng chạy hệ điều hành và nhiều ứng dụng khác nhau Với mức giá chỉ vài chục USD, Raspberry Pi đã trở thành dòng minicomputer phổ biến nhất hiện nay Ban đầu, dự án Raspberry Pi được phát triển bởi Raspberry Pi Foundation nhằm mục đích giảng dạy máy tính cho trẻ em và cung cấp công cụ giá rẻ cho sinh viên nghiên cứu học tập Tuy nhiên, nhờ phần cứng được hỗ trợ tốt và tính linh hoạt cao, Raspberry Pi nhanh chóng được cộng đồng đánh giá cao về khả năng ứng dụng rộng rãi Raspberry Pi phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu xử lý mạnh mẽ, đa nhiệm hoặc giải trí với mức chi phí thấp, đã có hàng nghìn ứng dụng đa dạng được cài đặt trên thiết bị này.
Hình 3-43 Rasberry có kích thước rất nhỏ
Raspberry Pi được xem như một máy tính mini nhờ tích hợp tất cả các thành phần cần thiết như bộ xử lý SoC Broadcom BCM2835 gồm CPU, GPU, RAM, khe cắm thẻ microSD, Wi-Fi, Bluetooth và 4 cổng USB 2.0, giúp người dùng dễ dàng sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau.
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$, là một giải pháp lý tưởng để thực hiện những ứng dụng hàng ngày như lướt web, lập trình và xem phim Ngoài ra, Raspberry Pi còn giúp bạn biến ý tưởng thành hiện thực với các dự án như điều khiển robot và xây dựng nhà thông minh Thiết bị này tiết kiệm điện và có khả năng chạy liên tục 24/24, phù hợp cho các dự án cần vận hành liên tục Chạy hệ điều hành Linux, Raspberry Pi cho phép người dùng thực hiện gần như tất cả các công việc trên máy tính phổ biến, đồng thời miễn phí và dễ sử dụng.
Raspberry Pi có kích thước nhỏ gọn như một chiếc thẻ ATM, chưa đến 50gram, giúp dễ dàng kết nối với tivi để biến thành thiết bị giải trí thông minh hoặc tạo thành một chiếc máy tính đầy đủ tính năng khi gắn với màn hình, bàn phím và chuột Cộng đồng Raspberry Pi phát triển rất nhanh trên toàn thế giới, cung cấp các câu trả lời nhanh chóng cho mọi thắc mắc, đồng thời chia sẻ nhiều dự án sáng tạo và ý tưởng độc đáo để tận dụng tối đa khả năng của thiết bị này.
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 cho Raspberry 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
Raspberry Pi có tính năng nổi bật là hàng chân GPIO (đầu vào/ra đa năng) nằm dọc theo cạnh trên của bảng mạch Trên Raspberry Pi 3, có tổng cộng 40 chân I/O đa năng, cho phép người dùng tùy chỉnh trong phần mềm để sử dụng làm chân đầu vào hoặc đầu ra Tính linh hoạt này giúp Raspberry Pi phù hợp cho nhiều dự án điều khiển và tự động hóa khác nhau.
Hình 3-47 Chức năng cơ bản của GPIO
Chân voltages của Raspberry Pi bao gồm 2 chân 3V3 và 2 chân 5V, có khả năng cung cấp dòng điện tối đa khoảng 50 mA, phù hợp để cấp nguồn cho các thiết bị nhỏ như đèn LED hoặc bộ vi xử lý Từ Model B+ trở đi, Raspberry Pi có thể cung cấp lên đến 500mA nhờ vào bộ điều chỉnh chuyển mạch, đảm bảo nguồn năng lượng ổn định và an toàn cho các dự án phần cứng của bạn.
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
Trong các ứng dụng của Raspberry Pi, việc cấu hình các chân GPIO như GPIO2 và GPIO3 có điện trở kéo lên cố định giúp đảm bảo tín hiệu ổn định và đúng chuẩn Đối với các chân GPIO khác, người dùng có thể dễ dàng cấu hình điện trở kéo lên hoặc kéo xuống thông qua phần mềm, hỗ trợ truyền thông hiệu quả Ngoài ra, Raspberry Pi còn hỗ trợ giao thức truyền thông SPI, giúp kết nối các thiết bị ngoại vi nhanh chóng và ổn định, nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.
SPI (Serial Peripheral Bus) là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao, sử dụng mô hình Master-Slave trong đó một chip Master điều phối quá trình truyền dữ liệu và các chip Slave được điều khiển bởi Master Truyền thông SPI chỉ diễn ra giữa Master và Slave, không trực tiếp giữa các Slave với nhau Công nghệ này hỗ trợ truyền song công (full duplex), cho phép gửi và nhận dữ liệu cùng lúc trên cùng một dây dẫn SPI thường được gọi là chuẩn "4 dây" do sử dụng bốn đường giao tiếp chính gồm SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Output Slave Input) và CE, giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu và giảm độ trễ trong các ứng dụng kỹ thuật số.
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) is a crucial communication line in SPI protocols When the chip operates as a Master, MISO functions as an input, whereas in Slave mode, it serves as an output The MISO lines from the Master and its Slaves are interconnected directly, enabling effective data transfer between devices Proper understanding of MISO's role is essential for designing reliable SPI communication systems.
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
Chân giữ nhịp (SCK) trong giao thức SPI báo hiệu mỗi nhịp trên chân SCK truyền 1 bit dữ liệu đến hoặc đi, giúp phân biệt rõ với truyền thông không đồng bộ như UART Sự tồn tại của chân SCK tăng độ chính xác và giảm lỗi trong quá trình truyền dữ liệu, cho phép tốc độ truyền của SPI đạt mức cao Xung nhịp này chỉ được tạo ra bởi chip Master, đảm bảo tính ổn định và đồng bộ cho toàn hệ thống.
Trong hệ thống truyền thông SPI, chân CE (Chip Enable) là đường chọn Slave cần giao tiếp Trên các chip Slave, đường CE ở mức cao khi không hoạt động, giúp xác định trạng thái sẵn sàng của thiết bị Khi chip Master kéo đường CE của một Slave cụ thể xuống mức thấp, quá trình truyền dữ liệu sẽ bắt đầu giữa Master và Slave đó Chỉ có một đường CE duy nhất được sử dụng để chọn một Slave, đảm bảo quá trình truyền thông diễn ra chính xác và không xung đột.
CE trên mỗi Slave nhưng có thể có nhiều đường điều khiển CE trên Master, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng.
Giao thức SPI được mô tả như sau:
Hình 3-49 Mô tả giao thức SPI
Hệ thống giám sát và điều khiển
Nhóm chúng tôi đã sử dụng Web Server để xây dựng hệ thống giám sát đèn chiếu sáng, cho phép theo dõi trạng thái đèn một cách dễ dàng Hệ thống này hỗ trợ điều khiển thiết bị từ xa qua trình duyệt mạng, mang lại tiện ích và linh hoạt trong quản lý Việc giám sát và điều khiển trực tuyến giúp nâng cao hiệu quả vận hành và tiết kiệm thời gian cho người dùng Đây là giải pháp công nghệ hiện đại, phù hợp với xu hướng tự động hóa và số hóa trong các hệ thống quản lý chiếu sáng.
Web Server là máy chủ web chịu trách nhiệm xử lý các yêu cầu truy cập từ Web Client, như trình duyệt web, và phản hồi nội dung phù hợp dựa trên thông tin yêu cầu Hầu hết nội dung mà Web Server phục vụ bao gồm HTML, Javascript, CSS, JSON và dữ liệu nhị phân, góp phần xây dựng trải nghiệm web tương tác và đa dạng HTML, Javascript và CSS là ba ngôn ngữ chính dùng để phát triển và thiết kế giao diện web chuyên nghiệp, tối ưu hóa trải nghiệm người dùng.
HTML, viết đầy đủ là Hyper Text Markup Language, là ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản dùng để cấu trúc nội dung của một trang web Nó cho phép chỉ định các đoạn văn bản, tiêu đề, bảng dữ liệu, cũng như nhúng hình ảnh hoặc video vào trang web Mỗi trang web gồm nhiều liên kết đến các trang khác gọi là hyperlinks hoặc siêu liên kết, giúp người dùng dễ dàng chuyển đổi giữa các nội dung Một trang web được tạo thành từ nhiều thẻ HTML khác nhau, giúp tổ chức và trình bày nội dung một cách hợp lý và trực quan.
Javascript là ngôn ngữ lập trình chủ yếu để tạo tương tác và phát triển ứng dụng web Các đoạn script Javascript có thể được nhúng trực tiếp vào mã HTML của website, giúp chúng chạy theo nhiều hoạt động như mở trang, nhấp chuột, gõ phím, gửi biểu mẫu, cập nhật dữ liệu hoặc giao tiếp với cơ sở dữ liệu Để tích hợp Javascript vào trang HTML, chỉ cần thêm các thẻ `` phù hợp.
CSS (Cascading Style Sheets) là ngôn ngữ thiết kế giúp nâng cao giao diện website, cho phép kiểm soát màu sắc, phông chữ và kích thước chữ để trang web trở nên đẹp hơn và chuyên nghiệp hơn.
PHP, viết tắt của “Personal Home Page” được Rasmus Lerdorf sáng tạo từ năm 1994, đã trở thành một ngôn ngữ lập trình quan trọng nhờ tính hữu dụng và khả năng mở rộng của nó PHP hay “Hypertext Preprocessor” là một ngôn ngữ kịch bản mã nguồn mở, chủ yếu dùng để phát triển các ứng dụng máy chủ, đặc biệt phù hợp cho web và dễ dàng nhúng vào trang HTML Nhờ tối ưu hóa cho ứng dụng web, tốc độ nhanh, cú pháp giống C và Java, cùng khả năng dễ học và thời gian phát triển ngắn, PHP nhanh chóng trở thành một trong những ngôn ngữ lập trình web phổ biến nhất thế giới Nó là một công nghệ phía máy chủ (Server-Side) cực kỳ chặt chẽ với máy chủ, không phụ thuộc vào hệ điều hành (cross-platform), cho phép PHP hoạt động trên nhiều nền tảng như Windows, Unix và các biến thể của chúng mà không cần chỉnh sửa mã Điều này giúp các mã kịch bản PHP chạy mượt mà trên các máy chủ khác nhau, nâng cao tính linh hoạt và hiệu quả trong phát triển web.
Hình 3-56 Lưu đồ thuật toán của Web Server
MySQL là hệ quản trị cơ sở dữ liệu phổ biến nhất thế giới, được ưa chuộng bởi các nhà phát triển trong quá trình xây dựng ứng dụng nhờ tính tốc độ cao, ổn định và dễ sử dụng Hệ thống này có khả năng chuyển đổi linh hoạt, hoạt động trên nhiều nền tảng như Windows, Linux, Mac OS X, Unix, FreeBSD, và các hệ điều hành khác, đồng thời cung cấp một bộ hàm tiện ích mạnh mẽ Với khả năng xử lý nhanh chóng và bảo mật cao, MySQL thích hợp cho các ứng dụng truy cập CSDL qua internet MySQL hỗ trợ nhiều phiên bản phù hợp cho các hệ điều hành khác nhau như Win32, Linux, Mac OS X, Unix, và Solaris Là một ví dụ tiêu biểu của hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ sử dụng ngôn ngữ SQL, MySQL thường được tích hợp trong các nền tảng phát triển web như NodeJs, PHP, Perl để lưu trữ thông tin trên các trang web.
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) cho biết hiện tại không có lệnh điều khiển nào đang hoạt động Để truy cập vào Web Server, bạn cần nhập địa chỉ IP của máy chủ, thường có dạng 192.168.x.y, trong đó địa chỉ của bài toán là 192.168.137.1 Giao diện của Server gồm ba phần chính: các nút bấm để điều khiển như bật, tắt các thiết bị, và chức năng bật/tắt đồng thời toàn bộ bằng cách nhấn nút bật toàn bộ hoặc tắt toàn bộ.
Trạng thái của đèn được thể hiện qua các màu sắc khác nhau như xanh dương, xám và vàng theo hình 3-33 Đèn xanh dương biểu thị đèn đang hoạt động và bật, trong khi đèn xám cho biết đèn tắt và không hoạt động Khi đèn chuyển sang màu vàng, điều này cho thấy đèn gặp lỗi hoặc gặp sự cố cần được kiểm tra và xử lý kịp thời Các màu sắc này giúp người dùng dễ dàng nhận biết tình trạng của đèn và đảm bảo hệ thống vận hành an toàn và hiệu quả.
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
Trong chương 3, chúng tôi đã xây dựng mô hình mạng cảm biến không dây giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng, bao gồm Gateway, Node cảm biến và Web Server giám sát điều khiển Chúng tôi đề xuất phương án thiết kế phần cứng tối ưu, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và ổn định Đồng thời, bài viết cũng trình bày thuật toán hoạt động của các thành phần trong hệ thống, giúp nâng cao khả năng giám sát và điều khiển đèn chiếu sáng từ xa một cách chính xác và tin cậy.