Giám sát điều khiển thiết bị điện chiếu sáng trong nhà từ xa qua mạng điện thoại

Từ những yêu cầu thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống, cộng với sự hợp tác, phát triển mạnh mẽ của GPRS nên tôi đã chọn đề tài "Giám sát, điều khiển thiết bị chiếu sáng tr

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN NAM QUÂN

Hà Nội – Năm 2011

M c l c 

Danh mục các kí hiệu, các từ viết tắt 4 

Lời mở đầu 6 

Phần mở đầu 8 

Lý do chọn đề tài 8 

Ý nghĩa khoa học của đề tài 9 

Tính tiết kiệm: 9 

Tính năng quản lý từ xa 9 

Tính năng về nâng cao sức khỏe người sử dụng: 9 

Tính năng bảo vệ môi trường: 10 

Mục đích nghiên cứu 10 

Tình hình nghiên cứu nước ngoài 11 

Tình hình nghiên cứu trong nước 13 

Giới hạn đề tài 14 

Phương pháp nghiên cứu 15 

Phương tiện nghiên cứu 15 

Chương 1  TỔNG QUAN HỆ THỐNG 16 

1.1 Mô hình tổng quan hệ thống 16 

1.2 Sơ đồ khối hệ thống 18 

Chương 2  PHÂN TÍCH YÊU CẦU 20 

2.1 Đối với Server 20 

2.1.1 Socket Server 20 

2.1.2 Yêu cầu lựa chọn Web Services 24 

2.2 Đối với phần mềm client 24 

2.3 Phân tích thiết bị điện chiếu sáng thông minh 25 

2.3.1 Khối giao tiếp mạng GSM 26 

2.3.2 Khối xử lý trung tâm 27 

2.3.3 Khối giao tiếp máy tính 27 

2.3.4 Khối hiển thị báo hiệu 27 

2.3.5 Khối cảm biến 28 

2.3.6 Cơ cấu chấp hành – khối công suất 28 

Chương 3  Thiết kế hệ thống 29 

3.1 Thiết kế phần mềm 29 

3.2 Server 34 

3.2.1 Socket Server 34 

3.2.2 Các bản tin TCP 35 

3.2.3 Web Services 37 

3.3 Database 37 

3.4 Client 38 

3.2 Thiết bị điện chiếu sáng thông minh 41 

3.2.1 Khối nguồn một chiều 43 

3.2.2 Mạch vi điều khiển: 44 

3.2.3 Mạch cơ cấu chấp hành: 44 

3.2.4 Mạch module Sim 548c 45 

3.2.2 Thiết kế phần mềm nhúng 46 

3.2.3 Thiết kế vỏ và mẫu mã sản phẩm 51 

Chương 4  KẾT LUẬN 52 

4.1 Kết luận 52 

4.2 Hướng phát triển đề tài 53 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 

PHỤ LỤC 57 

A Thiết kế vỏ máy thiết bị 57 

B Module Sim548c 62 

Phần cứng ứng dụng GSM của SIM548C: 62 

C.Tập lệnh AT 69 

Khởi tạo cho ứng dụng GSM 69 

Chuyển từ chế độ nghỉ sang chế độ hoạt động bình thường 70 

Một số tập lệnh AT cơ bản sử dụng cho ứng dụng GSM 70 

Danh m c các kí hi u, các t  vi t t t 

Kí hiệu, từ viết tắt Miêu tả, viết đầy đủ

CBM Cell Broadcast Message

DCE Data Communication Equipment

DM Diagnostic Monitor

DTE Data Terminal Equipment

DTMF Dual Tone Multi-Frequency

ESN Electronic Serial Number

MIDI Musical Instrument Digital Interface MIDI

MIN Mobile Identification Number

PCS Personal Communication Services

PDU Protocol Data Unit

PIN Personal Identification Number

PUK Personal Unlock Key

RSSI Received Signal Strength Indicator

SID System Identification

SIM System Identification

SMS Short Message Service

SMSC Short Message Service Center

TI Teleservice Identifier

Danh mục các thuật ngữ khoa học sử dụng

Thuật ngữ Nghĩa tiếng Việt

Network Mạng

Web-service Dịch vụ trên web

Database Cơ sở dữ liệu

Google map Bản đồ số của hãng Google

Danh mục các hình vẽ

Hình 1 Các thiết bị kết nối với máy tính thông qua GSM modem 12 

Hình 2 Kết nối các thiết bị với máy tính thông modem GSM 12 

Hình 3 Sơ đồ khối điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua mạng Internet 13 

Hình 4 Mô hình hoạt động của hệ thống 17 

Hình 5 Sơ đồ hệ thống 18 

Hình 6 Sơ đồ khối hệ thống 18 

Hình 7 Các bước kết nối thiết bị với server 21 

Hình 8 Thiết bị gửi dữ liệu đo định kì về server 23 

Hình 9 Theo dõi lịch bật tắt thiết bị 23 

Hình 10 Mô hình phần cứng hệ thống 25 

Hình 11 Cách thức lắp đặt thiết bị phần cứng 26 

Hình 12 Các bảng trong cơ sở dữ liệu 38 

Hình 13 Giao diện cơ bản của phần mềm Client 39 

Hình 14 Giao diện đối với đối tượng trường học, tòa nhà 40 

Hình 15 Giao diện với đối tượng đèn cao áp trên đường phố 41 

Hình 16 Sơ đồ thiết kế phần cứng 42 

Hình 17 Mạch điều khiển hoàn chỉnh 46 

Hình 18 Lưu đồ thuật toán tổng quát 1 

Hình 19 So sánh vỏ thiết kế và sản phẩm mẫu 57 

Hình 20 Lắp máy 57 

Hình 21 Tấm sườn 58 

Hình 22 Tấm gá thiết bị 58 

Hình 23 Tấm đáy và hai mắt trước sau 59 

Hình 24 Tấm mắt 59 

Hình 25 Tấm gá tụ bù 60 

Hình 26 Vỏ cảm biến 60 

Hình 27 Đáy cảm biến 61 

Hình 28 Sim 548c 62 

Hình 29 Cấu tạo đế SIM card 6 chân 67 

Hình 30 Chuyển từ chế độ bình thường sang chế độ nghỉ (sleep mode) 69 

Hình 31 Đưa module trở về trạng thái hoạt động 70 

L i m  đ u 

Hiện nay, Hà Nội nói riêng và cả nước nói chung đang không ngừng phát triển và mở rộng Nhiều công trình cao tầng được xây dựng, các khu công nghiệp

được đầu tư quy mô hay như các trung tâm thương mại, siêu thị ngày càng nhiều

Do vậy một hiện trạng thực tế đặt ra là vấn đề quản lý chiếu sáng cho các tòa nhà, cho các xưởng sản xuất, cho các khu văn phòng hay chung cư hay chiếu sáng công cộng phục vụ dân sinh còn nhiều điểm chưa hợp lý Ví dụ như cường

độ chiếu sáng trong các văn phòng vào buổi trưa đến cuối giờ chiều ánh sáng tự nhiên vào lớn, nhưng nếu tắt điện đi lại không đủ sáng, bật nên lại quá sáng Hay như chiếu sáng không tập trung, dài trải như Đại học Bách Khoa chẳng hạn Cho sinh viên học tối nhưng nếu một phòng học chỉ có vài sinh viên thì rất lãng phí Tại sao không quản lý chiếu sáng, chỉ cho phép bật điện một số phòng? Vậy giám sát, điều khiển hay quản lý chiếu sáng như thế nào cho hiệu quả trong hoàn cảnh đất nước đang thiếu điện và phải mua điện ở nước ngoài?

Một trong những điểm khởi sắc trong công nghệ gần đầy của nước ta đó là mạng điện thoại rất phát triển Hiện nay các nhà mạng đã cung cấp các dịch vụ cho mạng 2G, 3G và đặc biệt là GPRS Đó là những mặt thuận lợi của việc hình thành ý tưởng điều khiển các thiết bị chiếu sáng bằng cách sử dụng GPRS Đây

là một hình thức điều khiển thiết bị thuận lợi, tiết kiệm được nhiều thời gian cho việc điều khiển, giám sát thiết bị, vừa tiết kiệm được chi phí lắp đặt khi sử dụng Bên cạnh đó, vấn đề khai thác hệ thống chiếu sáng tối ưu, thông minh đang là một vấn đề lớn Xuất phát từ ý tưởng và tình hình thực tế nêu trên, em quyết định

chọn đề tài “Giám sát, điều khiển thiết bị điện chiếu sáng trong nhà từ xa qua mạng điện thoại” làm đề tài nghiên cứu

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS Nguyên Nam Quân đã hướng dẫn em tận tình trong thời gian qua, cũng như chân thành cảm ơn các đồng nghiệp công ty BKAT đã hỗ trợ, tạo điều kiện cơ sở vật chất, thiết bị đo để đề tài hoàn thiện đề tài

Ph n m  đ u 

Lý do ch n đ  tài. 

Hiện nay, theo thống kê năng lượng của Tập đoàn Điện lực, năng lượng điện dành cho chiếu sáng chiếm khoảng 20% đến 22% tổng năng lượng điện quốc gia Trong số đó, thiết bị chiếu sáng chủ yếu vẫn sử dụng các loại đèn huỳnh quang và đèn cao áp Việc sử dụng lãng phí năng lượng điện chiếu sáng chiếm khoảng 8% tổng năng lượng chiếu sáng Việt Nam (INFOTV, báo cáo Tập đoàn Điện lực Việt Nam năm 2009) Do đó, việc quản lý cũng như điều khiển hệ thống chiếu sáng thông minh, tối ưu và hiệu quả thì sẽ tiết kiệm cho nhà nước một lượng lớn điện năng

Bên cạnh đó, hiện nay, các đối tượng hướng tới bao gồm các tòa nhà, khu sản xuất, may mặc, thủy hải sản, trường học, siêu thị,… chủ yếu sử dụng hệ thống đèn huỳnh quang cho mục đích chiếu sáng Theo thống kê năm 2008 thì hiện cả nước có khoảng 9711 đơn vị hành chính sự nghiệp, hơn 2,7 triệu doanh nghiệp Chính vì thế, một thị trường lớn cho sản phẩm tiết kiệm điện cho hệ thống chiếu sáng là rất lớn, chưa kể các thị trường nước ngoài Ví dụ, khảo sát tại công ty may sông Hồng, công ty có 17 phân xưởng, mỗi phân xưởng may có khoảng 300 bóng đèn huỳnh quang T10 đang sử dụng Tại Công ty may X20 có

6 xí nghiệp, mỗi xí nghiệp có 3 đến 5 phân xưởng may Mỗi phân xưởng là 364 bóng đèn huỳnh quang Như vậy, có thể thấy ngay trong ngành may mặc thì số lượng bóng đèn cho một doanh nghiệp cũng rất nhiều nên khẳng định nhu cầu cho việc quản lý chiếu sáng là rất lớn

Từ những yêu cầu thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống, cộng với

sự hợp tác, phát triển mạnh mẽ của GPRS nên tôi đã chọn đề tài "Giám sát, điều khiển thiết bị chiếu sáng trong nhà từ xa qua mạng điện thoại " để đáp ứng

được nhu cầu ngày càng cao của con người và góp phần vào sự tiến bộ xã hội Trong đó thiết bị điện chiếu sáng được quan tâm nhất là đèn huỳnh quang trong

nhà và đèn cao áp chiếu sáng sáng ngoài trời cho các tòa nhà, khu công nghiệp, xưởng xản xuất, siêu thị…

Ý nghĩa khoa h c c a đ  tài 

Tính tiết kiệm:

- Tận dụng ánh sáng tự nhiên để cân bằng ánh sáng trong phòng sao cho đạt tiêu chuẩn chiếu sáng Nói cách khác, khi phòng có ánh sáng tự nhiên vào thì giảm năng lượng tạo ánh sáng nhân tạo để đảm bảo ánh sáng không thay đổi theo thiết kế ánh sáng chuẩn ban đầu

- Giảm tổn hao điện năng trên mỗi bóng

- Nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng (nâng cao hệ số cosphi, đạt trên 0.85)

- Nâng cao tuổi thọ bóng đèn: Việc điều khiển dòng điện cho bóng đèn được căn chỉnh tại mức tối ưu cho mỗi bóng nên đảm bảo được việc nâng cao tuổi thọ bóng đèn Thông số dòng bóng và tuổi thọ đã được viện nghiên cứu Ressenlaer công bố

Tính năng quản lý từ xa

- Đối với việc quản lý chiếu sáng từ xa, hệ thống cho phép bật tắt hệ thống chiếu sáng cục bộ trong phạm vi tòa nhà hay một khu vực nhất định như trường học hay các cao ốc, tòa nhà văn phòng Ngoài ra quản lý từ xa còn phục vụ mục đích kiểm toán năng lượng trong một tương lai gần khi được

áp dụng

Tính năng về nâng cao sức khỏe người sử dụng:

- Do thiết bị cân bằng sáng trong phòng nên đảm bảo người lao động, học tập dưới môi trường ánh sáng này sẽ không bị mỏi mắt Điều này là do với các hệ thống chiếu sáng thông thường, khi ánh sáng tự nhiên tăng

hoặc giảm sẽ dẫn đến việc đồng tử của người lao động/học tập luôn thay đổi và điều tiết dẫn đến hiện tượng mỏi mắt, cận thị hoặc năng suất làm việc và học tập không cao, cụ thể như trường hợp sinh viên ngủ gật rất nhiều trong mùa hè, đặc biệt khi trời nắng và ánh sáng thay đổi nhiều Do

đó, khi sử dụng thiết bị này, ngoại trừ đảm bảo được việc tiết kiệm năng lượng thì đồng thời cũng đảm bảo được sức khỏe về mắt của người lao động/ học tập dưới môi trường ánh sáng này

Tính năng bảo vệ môi trường:

Do tiết kiệm được một lượng lớn năng lượng điện nên sản phẩm tiết kiệm điện thông minh có khả năng giảm được một lượng lớn cacbon thải ra môi trường hàng năm Với giả thuyết, thiết bị tiết kiệm được 30% năng lượng điện tiêu thụ cho đèn huỳnh quang, chỉ bật 10h trong ngày, 24 ngày trong tháng và 12 tháng trong một năm thì một năm mức năng lượng tiết kiệm được 1728 số điện tương đương với việc cắt giảm được khoảng 0,74 tấn cacbon thải ra môi trường mỗi năm

M c đích nghiên c u 

Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thiết bị chiếu sáng mà trọng tâm là 2 nhóm thiết bị: Đèn huỳnh quang và đèn cao áp Đèn huỳnh quang dùng cho chiếu sáng tại các văn phòng, siêu thị và đặc biệt là các khu công nghiệp lên đến hàng nghìn bóng Đèn cao áp sử dụng nhiều cho chiếu sang quanh tòa nhà hay quanh nhà máy, xưởng xản suất… Một số siêu thị cũng dùng đèn cao áp cho chiếu sáng trong nhà

Kết quả cuối cùng của đề tài là xây dựng một hệ thống phần cứng kế hợp phần mềm để khai tác hệ thống chiếu sáng sẵn có một cách hiệu quả và thông minh nhất Điều khiển chuyên sâu và triệt để cho một nhóm các thiết bị mà cụ

thể là các thiết bị điện chiếu sáng cho tòa nhà bằng việc khai thác hệ thống GPRS sẵn có

Phần cứng hệ thống trực tiếp giám sát môi trường và đưa ra các phương

án điều khiển hệ thống chiếu sáng hợp lý, thông báo và trao đổi các thông tin với trung tâm điều khiển Phần mềm cho phép người vận hành giám sát và đưa ra các tùy chọn phù hợp với yêu cầu, điều khiện của đơn vị

Tình hình nghiên c u n c ngoài 

Hiện nay trên thế giới, việc sử dụng mạng thông tin để điều khiển thiết bị

từ xa không còn vấn đề mới mẻ nữa vì được nghiên cứu và đã áp dụng vào thực

tế trong các nhà máy xí nghiệp Kĩ thuật sử dụng mạng điện thoại nhất là mạng GSM có khả năng truyền tin không dây với phạm vi rất rộng lớn và đảm bảo độ tin cậy cao Chính vì vậy, người dùng có thể gửi các bản tin để điều khiển thiết bị

từ xa mang lại hiệu quả cao Người dùng chỉ cần sử dụng mạng điện thoại di động của mình để theo dõi và kiểm soát các ứng dụng khác nhau Những hệ thống được điều khiển bởi GSM thì chỉ cần điều khiển thông qua việc gửi nhận các bản tin Điều này có nghĩa là việc điều khiển có phạm vi rất xa Hệ thống điều khiển bằng tin nhắn GSM được thiết kế để điều khiển những thiết bị và ứng dụng cho: máy móc nhà xưởng, hệ thống xử lí nước thải, lò sưởi, ướp lạnh, máy điều hòa

Ví dụ một mô hình sử dụng mạng điện thoại trong việc điều khiển trong tự động hóa của Công Ty KlinkMann GSM-Control là phần mềm trên Window được sử dụng bằng 2 phương pháp điều khiển từ xa trong tự động hóa và những ứng dụng khác sử dụng chuẩn GSMModem, điện thoại, mạng Dựa trên chuẩn GSM-Modem và những thiết bị có tính năng GSM, GSM-Control cho phép ta tạo

ra một mạng điều khiển không dây và giám sát ứng dụng mà giá thấp nhất và dễ dàng vận chuyển Tất cả việc điều khiển đều thông qua các bản tin GSM với độ tin cậy cao Mô hình như hình 1

Hình 1 Các thiết bị kết nối với máy tính thông qua GSM modem

Công việc chính của GSM-Control là làm cầu nối giao tiếp giữa GSM với Window Bằng cách sử dụng tin nhắn SMS với Điện thoại trên tay làm giao diện giao tiếp với người sử dụng để điều khiển PLC, truy cập dữ liệu DDE/OPC/SQL

để điều khiển các phần mềm như Excel/Scada Sau khi nhận tín hiệu điều khiển thì chúng sẽ gửi trả lại tin nhắn SMS để báo tình trạng cho người dùng như hình 2

Hình 2 Kết nối các thiết bị với máy tính thông modem GSM

Tình hình nghiên c u trong n c 

Hiện tại, trong nước đã có một số nghiên cứu sử dụng yếu tố chính là mạng Internet để điều khiển các thiết bị điện, điện tử ở trong nhà chẳng hạn như điều khiển, giám sát và cho hiển thị được hình ảnh thông qua camera và các tính năng khác, tìm hiểu các vấn đề về internet, các giao thức truyền thông, giao tiếp, dịch vụ từ phía máy chủ, hệ thống thiết kế giao diện điều khiển trên máy chủ (sever) và trang web điều khiển trên máy khách (client) Giao diện gồm có nhiều cửa sổ, được xây dựng tương ứng với từng phần cứng và bao gồm các tính năng điều khiển thiết lập Ngôn ngữ Java và HTML được lựa chọn trong thiết kế và điều khiển Hệ thống có sơ đồ khối như hình 3

Hình 3 Sơ đồ khối điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua mạng Internet

Với hệ thống như trên, đã khai thác, ứng dụng rất tốt sự phát triển của mạng internet vào trong thực tế

Song, theo ý kiến chủ quan thì các mô hình này vẫn còn một số thiếu sót cần khắc phục chẳng hạn như: hệ thống trên chỉ ứng dụng cho những địa điểm, vị trí nào có gắn mạng internet và trong quá trình thực thi hệ thống thì ngoài việc

giao diện phần mềm xây dựng hoạt động ổn định thì phải luôn đảm bảo được không mất mạng xảy ra bất ngờ Nếu hệ thống không duy trì được những yếu tố trên thì sẽ không thực thi được quá trình điều khiển thiết bị điện trong nhà

Bên cạnh mô hình nêu trên còn có một số đề tài khác đề cập đến vấn đề điều khiển thiết bị từ xa khác Nhưng vẫn chưa có đề tài nào sử dụng GPRS để điều khiển thiết bị Tuy nhiên, các đề tài đi trước đã tạo nền tảng cho việc phát triển ý tưởng điều khiển thiết bị điện chiếu sáng từ xa qua GPRS

Tóm lại, việc nghiên cứu sử dụng GPRS hiện nay tại Việt Nam đang còn rất mới mẻ và chưa đi vào thực tiễn ứng dụng nhiều Tuy nhiên, một trong những

xu hướng về dịch vụ viễn thông cũng như các dịch vụ giá trị gia tăng khác bắt đầu tăng lên đáng kể Điều này là một lợi thế cho việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng trong giám sát, điều khiển, tự động hóa

Thêm vào đó việc có những nghiên cứu khai khác sâu hệ thống chiếu sáng, loại bỏ những dư thừa, tối ứu cũng như nâng cao tuổi thọ bóng đèn ở Việt Nam chưa kết hợp thành một hệ thống hoàn chỉnh và thông minh

Gi i h n đ  tài 

Để thực thi một hệ thống điều khiển thiết bị điện chiếu sáng từ xa thông qua GPRS áp dụng cho một tòa nhà hoàn chỉnh như nói trên là rất phức tạp, quy

mô và tốn kém Để đáp ứng việc điều khiển toàn bộ các thiết bị này đòi hỏi phải

có một lượng thời gian, kiến thức nhất định Bên cạnh đó còn là vấn đề tài chính Với lượng thời gian và kiến thức có hạn, trong đề tài này thực hiện chỉ thực thi một phần của hệ thống hoàn chỉnh đó Đó là:

- Điều khiển đóng mở đèn chiếu sáng theo địa điểm mong muốn

- Điều khiển độ sáng đèn theo ánh sáng môi trường, đảm bảo cân bằng ánh sáng

- Đo và hiển thị nhiệt thông số hệ thống cũng như giám sát hệ thống trên phần mềm ứng dụng

- Xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ việc kiểm toán dữ liệu trong tương lại

Ph ng pháp nghiên c u 

Trong đề tài này người thực hiện đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu:

• Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin từ sách, tạp chí về điện tử và truy cập từ mạng internet

• Phương pháp quan sát: khảo sát một số mạch điện thực tế đang có trên thị trường và tham khảo thêm một số dạng mạch từ mạng Internet

• Phương pháp thực nghiệm: từ những ý tưởng và kiến thức vốn có của mình kết hợp với sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn, người thực hiện đã thiết kế, vận hành thử nghiệm nhiều dạng mô hình khác nhau

để từ đó chọn lọc những phương án tối ưu

Ph ng ti n nghiên c u 

Với đề tài này, người thực hiện dựa vào sự trợ giúp của máy tính và những thông tin sách báo, internet Ngoài ra, còn có những thiết bị trợ giúp trong quá trình thiết kế mạch do người thực hiện tự trang bị như oxilocope, đồng hồ đo điện đa năng, đồng hồ đo độ sáng (lux metter)…

• Quản lý ánh sáng tập chung theo nhu cầu sử dụng

• Nâng cao hệ số cosphi của các thiết bị chiếu sáng đặt gần 0.9

Hệ thống giám sát, điều khiển thiết bị điện chiếu sáng thông minh được thiết kế theo hai tầng

• Tầng thứ nhất là tầng thiết bị tiết kiệm điện cho hệ thống đèn huỳnh quang, đèn cao áp Thiết bị có khả năng đóng mở hệ thống chiếu sáng và điều tiết ánh sáng khi có ánh sáng tự nhiên vào nhiều

- tiết kiệm điện cho hệ thống

• Tầng thứ hai là hệ thống quản lý, giám sát và điều khiển chiếu sáng

Hình 4 Mô hình hoạt động của hệ thống

Trong mô hình hệ thống, các thiết bị tiết kiệm điện có điều chỉnh mức sáng là

thiết bị cơ sở tầng dưới (tầng 1) Bản thân thiết bị làm nhiệm vụ cân bằng sáng

tại các khu vực lắp đặt, tiết kiệm điện và nâng cao hiệu quả sử dụng điện chiếu

sáng Các thông số tiết kiệm năng lượng được tự động truyền về server trung tâm

của đơn vị quản lý Tại trung tâm quản lý (tầng 2), các dữ liệu sẽ được sử dụng

cho nhiệm vụ:

• Thực hiện chức năng thống kê năng lượng sử dụng đồng thời hỗ trợ chức

năng kiểm toán năng lượng của toàn bộ hệ thống thiết bị

• Thực hiện thao tác điều khiển từ xa như cắt nguồn điện chiếu sáng từng

khu vực nhằm tiết giảm cao nhất năng lượng dành cho chiếu sáng tại các

khu vực không sử dụng năng lượng

Thiết bị chiếu sáng Đèn huỳnh quang Đèn cao áp Thiết bị điều khiển

GPRS Server

Client

Cảm biến

Giao diện

TCP TCP

Giao diện

Hệ thống Tầng 1

Hình 5 Sơ đồ hệ thống

Như vậy, với hệ thống tiết kiệm điện thông minh này, toàn bộ hệ thống chiếu sáng sẽ được điều tiết giảm đến mức tối đa năng lượng điện tiêu thụ dành cho chiếu sáng, khẳng định không có khả năng dư thừa như hiện trạng hiện nay

1.2. S  đ  kh i h  th ng 

Sơ đồ khối thiết kế hệ thống như sau:

Hình 6 Sơ đồ khối hệ thống

Để thực hiện mô hình quản lý tập trung, hệ thống có một server trung tâm lưu trữ toàn bộ thông tin về thiết bị trong cơ sở dữ liệu Socket Server là một thành phần của server thực hiện chức năng giao tiếp với thiết bị, giao thức truyền nhận là TCP/IP Khi có thiết bị kết nối, server sẽ đọc thông tin trong cơ sở dữ liệu để xác thực, sau đó sẽ cấu hình thiết bị với các thông số được lưu trước, ví dụ như ngưỡng sáng tối đa, chế độ log, chế độ điều khiển, … Tiếp đó thiết bị sẽ định kỳ gửi bản tin log thông số năng lượng tiêu thụ về server Các thông tin này được lưu lại trong cơ sở dữ liệu Server cũng thường xuyên kiểm tra lịch hoạt động thiết bị để để bật tắt thiết bị tại đúng thời điểm

Bên cạnh đó để phục vụ cho việc quản lý theo dõi từ xa, server cung cấp các dịch

vụ chuẩn web service cho kết nối internet Phần mềm client sử dụng các dịch vụ này để lấy thông tin trạng thái thiết bị và đưa ra một giao diện đồ họa giúp người quản lý có thể sử dụng dễ dàng, với nhiều tác vụ như theo dõi, điều khiển từ xa, cắt nguồn điện chiếu sáng từng khu vực, các chức năng thống kê báo cáo, in ấn,

…

Các cấu hình cho thiết bị bao gồm:

• Ngưỡng sáng tối đa

• Lịch trình bật tắt

• Chế độ gửi bản tin đo đạc: tự động theo chu kì hoặc chỉ gửi khi được yêu cầu

• Chu kì gửi bản tin đo đạc

Các thông tin thu thập từ thiết bị bao gồm

• Trạng thái hoạt động của thiết bị Một trong 3 trạng thái: tắt, không tiết kiệm, tiết kiệm

• Giá trị điện áp cấp cho thiết bị

• Giá trị điện áp ra tải

• Giá trị dòng điện ra tải

• Ngưỡng sáng tối đa

• Cường độ sáng đo được từ cảm biến

• Tọa độ GPS của thiết bị

Các bước thực hiện khi kết nối thiết bị với Server được mô tả trong hình 7 Trong hình này, ban đầu thiết bị gửi tín hiệu kết nối tới Socket Server Sau khi nhận,

socket server sẽ trả lại thông tin chấp nhận kết nối Khi quá trình kết nối được thiết lập, các bản tin ban đầu sẽ được gửi từ thiết bị tới server Server thực hiện kiểm tra trong cơ sở dữ liệu và trả về thông tin thiết bị Nếu trong cơ sở dữ liệu không có sẽ thực hiện hủy kết nối Khi có trong cơ sở dữ liệu, quá trình xác thực được hoàn thành và chuyển sáng giai đoạn khởi tạo thiết bị bao gồm việc đặt ngưỡng, đặt các thông số, gửi báo thông tin dữ liệu,… Lúc này dữ liệu sẽ được hoàn toàn gửi về server trung tâm nhằm hỗ trợ cho các chức năng khác của chương trình

Hình 7 Các bước kết nối thiết bị với server

Kết nối và chấp nhận kết nối là các bước đầu tiên để thiết lập kết nối TCP, do giao thức TCP qui định Bước này nhằm tạo ra một kết nối đáng tin cậy để liên lạc giữa thiết bị và server, đảm bảo luồng dữ liệu qua lại không bị thất lạc và đúng thứ tự Các bản tin TCP sau đó sẽ đóng gói thông tin trao đổi giữa tầng ứng

dụng của server với thiết bị Mỗi loại thông tin khác nhau có một kiểu bản tin riêng Các kiểu bản tin được đánh mã để phần mềm thiết bị và server có thể nhận biết và xử lý

Bản tin Hello là bản tin đầu tiên mà thiết bị gửi tới server sau khi đã thiết lập kết nối TCP thành công Bản tin Hello chứa số điện thoại của thiết bị (11 số) dùng để xác thức thiết bị

Server đối chiếu số điện thoại trong cơ sở dữ liệu, nếu không tồn tại, server thực hiện hủy kết nối TCP

Các cấu hình cần thiết để thiết bị vận hành được bao gồm: Ngưỡng sáng tối đa, là ngưỡng sáng thiết bị dùng để so sánh điều chỉnh mức sáng; chế độ gửi bản tin, là cách thức thiết bị gửi thông tin dữ liệu tiêu thụ điện về server Chế độ gửi bản tin

có thể là tự động hoặc thủ công Chế độ gửi mặc định là tự động, thiết bị gửi định

kì thông tin về server

Các cấu hình này có thể thay đổi theo thời gian, khu vực hay các yêu cầu khác nhau Do đó thông tin cấu hình thiết bị được lưu trong cơ sở dữ liệu và thay đổi được bởi phần mềm quản lý Khi một thiết bị mới kết nối, server sẽ đọc thông tin cấu hình từ cơ sở và gửi cho thiết bị Các bản tin này là:

• Bản tin đặt ngưỡng sáng tối đa, trường thông tin 2 byte chứa giá trị

• Bản tin đặt chế độ gửi dữ liệu, gồm 2 trường, một trường chế độ, một trường lưu chu kì gửi bản tin tính bằng phút

Sau khi đã cấu hình và khởi động thành công, thiết bị sẽ gửi dữ liệu định kì về server (mặc định chế độ log là tự động) Dữ liệu ở đây là các thông số tiêu thụ điện mà thiết bị đo được Thời gian gửi hiện tại của các thiết bị là 5 phút/lần, giá trị này có thể thay đổi trong cơ sở dữ liệu tùy theo yêu cầu Các bước này được

mô tả trong hình 8

Hình 8 Thiết bị gửi dữ liệu đo định kì về server

Thông tin log bao gồm: Trạng thái của thiết bị, đang tắt, đang trong chế độ không tiết kiệm hoặc đang trong chế độ tiết kiệm; điện áp lưới hay điện áp cấp cho thiết bị; điện áp ra tải (bóng đèn); cường độ dòng điện ra tải; ngưỡng sáng tối đa; ngưỡng sáng đo được Như vậy bản tin log cần những trường thông tin như sau: Bản tin log: có 6 trường: trạng thái thiết bị (3 trạng thái), giá trị điện áp lưới (tối đa 300V), điện áp trên tải (tối đa 300V), dòng tải (tối đa 20A, số thập phân), ngưỡng sáng tối đa (tối đa 400), ngưỡng sáng đo được (tối đa 400)

Với mô hình quản lý tập trung, server điều khiển toàn bộ quá trình hoạt động của thiết bị Lịch trình bật tắt thiết bị được lưu trong cơ sở dữ liệu Khi một thiết bị

đã kết nối, server sẽ đưa thiết bị vào chế độ theo dõi Tại thời điểm thích hợp server sẽ gửi lệnh yêu cầu bật/tắt tới thiết bị Các bước này được mô tả trong hình

9

Hình 9 Theo dõi lịch bật tắt thiết bị

Bản tin lệnh bật tắt: gồm một trường thiết đặt trạng thái bật hoặc tắt

Ngoài ra một số bản tin lệnh sau được dùng khi tùy theo yêu cầu cụ thể:

Bản tin cài đặt mặc định: Yêu cầu thiết bị sử dụng cấu hình mặc định lưu trong thiết bị

Bản tin yêu cầu lấy tọa độ GPS: Lấy tọa độ GPS lần gần nhất của thiết bị

Bản tin lấy lại tọa độ GPS: Yêu cầu thiết bị lấy thông tin GPS mới

Bản tin kiểm tra tài khoản: Kiểm tra tài khoản trong SIM của thiết bị

Nếu thiết bị đang kết nối yêu cầu ngắt kết nối hoặc đột ngột ngắt kết nối, server

sẽ lưu thông tin trạng thái này của thiết bị vào cơ sở dữ liệu, sau đó server sẽ giải phóng thông tin và ngắt các hoạt động liên quan đến thiết bị này

2.1.2 Yêu cầu lựa chọn Web Services

Server phải đưa ra một giao diện để người quản lý (phần mềm client) có thể truy vấn thông tin về thiết bị qua mạng internet Do khối lượng thông tin trao đổi – thông tin về các thiết bị, các khu vực, các thông số đo đạc – là không cố định nên giao thức truyền nhận giữa client và server cần sự mềm dẻo và linh động cao

2.2. Đ i v i ph n m m client 

Chức năng của phần mềm client là thực hiện quản lý thiết bị theo khu vực Trong đối tượng quản lý của hệ thống bao gồm 02 hệ thống chính mà cụ thể là quản lý cho các doanh nghiệp, trường học và đối tượng thứ hai là hệ thống chiếu sáng công cộng

Với hệ thống chiếu sáng trong các doanh nghiệp hoặc trường học là do chính bản thân các đơn vị này quản lý Chính vì thế, sự khác nhau trong quy hoạch tòa nhà, kiến trúc dẫn đến yêu cầu giao diện của phần mềm client là rất linh động hay nói cách khác là phần mềm cho phép tự lập được sơ đồ tòa nhà hoặc phân xưởng tùy theo yêu cầu của mỗi doanh nghiệp hay trường học

Với phần mềm quản lý các thiết bị chiếu sáng công cộng thì khả năng cần sử dụng giao diện hiển thị là bản đồ số là lớn do các thông tin gửi về từ thiết bị, ngoài các thông tin về dữ liệu thông số điện tiêu thụ, còn có các thông tin của hệ thống GPS, cho phép định vị vị trí của từng cột đèn cao áp trên thành phố Chính

vì thế việc sử dụng giao diện bản đồ số sẽ trở nên thuận lợi hơn nhiều so với các

hệ thống khác

2.3. Phân tích thi t b  đi n chi u sáng thông minh   

Hệ thống giám sát, điều khiển thiết bị điện chiếu cho tòa nhà bằng GPRS có mô hình tổng quát như hình dưới

Hình 10 Mô hình phần cứng hệ thống

Yêu cầu chức năng:

• Phần cứng hệ thống giám sát và trực tiếp điều khiển hệ thống chiếu sáng của tòa nhà Tùy vào yêu cầu khách hàng và hiện trạng thực tế tòa nhà mà một thiết bị phần cứng có khả năng quản lý một địa điểm nhất định như quản lý theo phòng, theo tầng hoặc theo khu vực riêng

• Với bóng đèn huỳnh mỗi một thiết bị thiết kế khối công xuất khác nhau có thể điều khiển đồng thời: 16 bóng đèn cho khối văn phòng loại T8, T10 hoặc 30 bóng đèn cho trường học, hoặc 50 bóng cho khối sản xuất Cụ thể thiết bị điều khiển tối đa cho 50 bóng đèn huỳnh quang loại T10 (40w) Nên công suất thiết bị thiết kế sẽ là: 2,5kw

• Thiết bị được thiết để lắp ngay tại tử điện, ngay sau atomat tổng

Hình 11 Cách thức lắp đặt thiết bị phần cứng

• Về mặt kỹ thuật phần cứng hệ thống gồm các khối: Bộ xử lý trung tâm, khối giao tiếp mạng điện thoại GSM, khối cảm biến đo dòng điện, điện áp, ánh sáng, khối công suất, khối hiển thị và khối giao tiếp máy tính

Yêu cầu phi chức năng:

• Sản phẩm có mẫu mã đẹp, kiểu dáng phù hợp, dễ lắp đặt, trọng lượng không quá lớn (dưới 15kg)

• Giá thành phù hợp sao cho các đơn vị lắp đặt có thể thu hồi vốn trong vòng 1 đến 2 năm tùy vào giá điện và thời gian sử dụng

• Tuổi thọ sản phẩm từ 5 năm đến 10 năm

2.3.1 Khối giao tiếp mạng GSM

Có chức năng gửi nhận, trao đổi các bản tin với trung tâm điều khiển cho việc điều khiển thiết bị Khối này cần hai bộ phận như sau:

• Module GSM hỗ trợ mạng 2G hoặc 3G, cho phép thực hiện các chức năng giao tiếp của mạng viễn thông như gửi nhận tin SMS/ MMS hoặc hỗ trợ GPRS Cụ thể trong thiết kế phần cứng được cấu hình giao tiếp qua GPRS sử dụng bản tin TCP/IP để trao đổi thông tin và khai thác tập lệnh

AT – thư viện các lệnh giao tiếp của nhà cung cấp module

• Sim điện thoại được các nhà mạng Việt Nam cung cấp Sim có vai trò tương đương cung cấp một ID cho thiết bị để trung tâm điều khiển có thể

nhận diện chính xác thiết bị đang trao đổi cũng như ghi nhận các thông

số thiết bị trong cơ sở dữ liệu

• Hỗ trợ định vị toàn cầu

• Lựa chọn thiết bị: Module Sim548c của Simcom, hỗ trợ GSM và GPS

2.3.2 Khối xử lý trung tâm

Có chức năng đọc bản tin, giải nghĩa bản tin từ GPRS thông qua chức năng được lập trình trước của mình Khối này có nhiệm vụ trung tâm và quan trọng trong việc xử lí và điều khiển Khi nhận được bản tin điều khiển thì vi xử lý

sẽ đọc tin nhắn thông qua việc gửi tập lệnh AT Sau đó sẽ xử lí lệnh điều khiển

và truyền dữ liệu bật tắt thiết bị hoặc điều khiển độ sáng thông qua việc truyền nhận qua cơ cấu chấp hành

Bộ xử lý trung tâm còn cho phép giám sát, hiển thị thông số về điện hệ thống chiếu sáng đang khai thác qua các bộ cảm biến đo đạt được Khi người dùng muốn giám sát thông qua GPRS thì phần mềm cũng cho phép gửi bản tin TCP đến người dùng để thông báo các trạng thái thiết bị Nếu Khối này sử dụng

vi điều khiển Atmega16 làm trung tâm hệ thống

Lựa chọn thiết bị: Chip Atmega16L hoạt động tối đa lên đến 16 MISP ở tần số 16Mhz

2.3.3 Khối giao tiếp máy tính

Là khối có nhiệm vụ kết nối với máy tính để thiết lập các chức năng cũng như các lựa chọn cho người sử dùng tại địa điểm phần cứng làm việc Ngoài ra khối giao tiếp máy tính có nhiệm vụ ghi chép nhật kí giám sát, điều khiển thiết bị cho phép thiết bị chạy offline Khối được thiết kế cho phép kết nối với máy tính qua công Com9 hoặc cổng USB tùy theo từng máy tính

2.3.4 Khối hiển thị báo hiệu

Là khối có tính năng thông báo trạng thái hiện tại cho người sử, tùy theo công xuất và yêu cầu khách hàng mà có thể thông bác các trạng thái đơn giảm như hệ thống chiếu sáng đang chạy chế độ tiết kiệm điện hay chế toàn công xuất

Nếu yêu cầu cao hơn có thể hiển thị trực tiếp các thông số như dòng điện tiêu thụ, điện áp trên bóng đèn, giá trị ánh sáng đo được, hay khả năng tiết kiệm điện toàn phần…

Lựa chọn thiết bị hiển có thể sử dụng Led đơn cho báo hiệu trạng thái hoặc Led 7 thanh, Lcd cho việc hiển thị thông số

2.3.5 Khối cảm biến

Là khối có nhiệm vụ thu thập thông tin về mạng điện hệ thống chiếu sáng đang khai thác bao gồm: Dòng điện hệ thống đang tiêu thụ, từ đó có thể tính được số bóng điện đang được bật, điện áp lưới, điện áp hệ thống và cường độ sáng trong môi trường làm việc Từ các thông số giám sát được vi xử lý thông báo cho trung tâm điều khiển và vi xử lý đưa ra các hành động phù hợp Ví dụ đo được cường độ chiếu sáng trong khối văn phòng cao hơn 300 Lux, hệ thống sẽ điều khiển khối công suất cắt giảm lượng ánh sáng dư thừa, đảm bảo cường độ chiếu sáng trong phòng không đổi Từ đó đồng tử, mắt người sử dụng không phải điều tiết, bảo vệ sức khỏe người sử dụng

Lựa chọn thiết bị: Cảm biến ánh sáng: Opt101, cảm biến dòng điện: asm020 hoặc ct10

2.3.6 Cơ cấu chấp hành – khối công suất

Là hệ thống điều khiển trực tiếp tác động đến các bóng đèn, có vai trò điều tiết độ sáng thiết bị cũng như bật tắt trực tiếp hệ thống chiếu sáng Có thể sử dụng các kỹ thuật như giảm điện áp hay giảm dòng điện hoặc thay đổi góc mở dòng điện để thực hiện chức năng tiết giảm độ sáng bóng đèn Thiết bị lựa chọn phương pháp thay đổi điện áp trong một phạm vi nhất định để điều chỉnh độ sáng

• Các công cụ Java Socket NIO, Web Services JAX-WS

Các công cụ này sử dụng chủ yếu của Java EE như mô tả trong bảng dưới đây

Description Java Platform, Enterprise Edition (Java EE) 6 is the industry

standard for enterprise Java computing

public class ConverterBean {

private BigDecimal yenRate = new BigDecimal("83.0602");

private BigDecimal euroRate = new BigDecimal("0.0093016");

public BigDecimal dollarToYen(BigDecimal dollars) {

BigDecimal result = dollars.multiply(yenRate);

return result.setScale(2, BigDecimal.ROUND_UP);

}

public BigDecimal yenToEuro(BigDecimal yen) {

BigDecimal result = yen.multiply(euroRate);

return result.setScale(2, BigDecimal.ROUND_UP);

}

• Server chạy các ứng dụng Java Servlet và JSP

Mô tả chi tiết được chỉ ra trong bảng dưới đây

Name Apache Tomcat

Description Apache Tomcat is an open source software implementation of the

Java Servlet and JavaServer Pages technologies

Author Apache

License Apache License, Version 2.0

• Bộ framework để tạo web services dựa trên JAX-WS, JAX-RS

Description Apache CXF is an open source services framework

Author Apache

License Apache License, Version 2.0

Bảng trên chỉ ra thông số bộ Framework được sử dụng trong phần mềm

Dưới đây là code sample một web service:

public class DnService implements IDnService {

return "Hello World";

}

}

• Công cụ logging

Đây là một phần rất quan trọng trong việc quản lý các chu kỳ làm việc của hệ thống nhằm hỗ trợ việc debug hoặc nâng cấp hệ thống trong tương lai Bộ công

cụ được sử dụng được chỉ ra trong bảng dưới đây

Name Apache log4j

Description The Apache Logging Services Project creates and maintains

open-source software related to the logging of application behavior and released at no charge to the public

Author Apache

License Apache License, Version 2.0

Dưới đây là code sample cho log4j:

public class Log4jExample {

private static Logger logger = Logger.getLogger("name");

public void makeLog(Object message) {

logger.info(message);

}

public static void main(String args[]) {

Log4jExample demo = new Log4jExample();

demo.makeLog(“Hello World”);

}

}

Driver JDBC cho MySQL

Việc quản lý cơ sở dữ liệu được hỗ trợ bởi công cụ được mô tả trong bảng dưới

đây

Name JDBC Driver for MySQL (Connector/J)

Description MySQL Connector/J is the official JDBC driver for MySQL Author Oracle

License GPL

Bộ công cụ để phát triển các ứng dụng Eclipse Rich Client Platform

Để hỗ trợ quá trình xây dựng giao diện cũng như thuận tiện trong quá trình nâng cấp các phiên bản phần mềm, công cụ phát triển Eclipse là một lựa chọn tối ưu cho các hệ thống phần mềm đang phát triển hiện nay Mô tả được chỉ ra trong bảng dưới đây Trên thực tế, các bộ công cụ này cũng đang được rất nhiều các hãng lớn trên thế giới như IBM, Panasonics,… sử dụng là công cụ phát triển phần mềm chính thức của hãng

Name Eclipse SDK

Description Eclipse RCP is a platform for building and deploying rich client

applications

Author Eclipse Foundation

License Eclipse Public License

Ví dụ định nghĩa extension trong Eclipse:

Google Map để hiện bản đồ số

Name Google Maps JavaScript API V3

Description The Solution for Maps Applications for both the Desktop and

Mobile Devices Author Google

License http://code.google.com/apis/maps/terms.html

Để đáp ứng yêu cầu sử dụng bản đồ số trong quản lý chiếu sáng đồ thị, việc sử dụng mã nguồn của Google Maps là lựa chọn tối ưu cho hệ thống Dưới đây là một ví dụ đơn giản sử dụng Google Maps JavaScript API V3

var initialLocation;

var siberia = new google.maps.LatLng(60, 105);

var newyork = new google.maps.LatLng(40.69847032728747, -73.9514422416687); var browserSupportFlag = new Boolean();

có tính mở cao, có rất nhiều thư viện và ứng dụng mã nguồn mở dành cho Java

3.2.1 Socket Server

Đối với Socket Server, cần phải đảm bảo khả năng xử lý một khối lượng lớn dữ liệu TCP/IP từ các thiết bị, do đó Socket Server được thiết kế dựa trên công nghệ Java New I/O, cho phép xử lý dữ liệu socket trên nhiều luồng khác nhau mà không tốn quá nhiều bộ nhớ của máy chủ

Dưới đây là ví dụ một đoạn trong mã nguồn Socket Server mô tả việc sử dụng Java Socket NIO để trao đổi gói tin TCP với thiết bị

public void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException {

SocketChannel cChannel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();

cChannel.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer

public void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException {

DeviceServer server = DeviceServer.getInstance();

SocketChannel cChannel = (SocketChannel) key.channel();

List<Object> list = server.getCommandsByIP(

tả chi tiết trong bảng dưới đây

u: điện áp tải i: dòng tải, số thập phân dạng i.i L: ngưỡng ánh sáng