Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau: Khối nguồn cung cấp năng lượng cho toàn hệ thống hoạt động; cường độ ánh sáng môi trường được đo bằng cảm biến và đưa về khối [r]
Trang 1NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN,
GIÁM SÁT ĐÈN CHIẾU SÁNG THÔNG MINH
Nguyễn Thanh Tùng, Trần Đức Hoàng * , Lê Hoàng Hiệp * , Đoàn Mạnh Cường
Trường Đại học Công nghệ thông tin & Truyền thông – ĐH Thái Nguyên
TÓM TẮT
Hiện đại hóa hệ thống đèn đường giúp tiết kiệm điện năng và chi phí, đồng thời vẫn đảm bảo chất lượng chiếu sáng được xem là một giải pháp cấp bách Tuy nhiên, những phương pháp kỹ thuật hiện nay chưa phải là tối ưu, vì vẫn làm giảm chất lượng chiếu sáng, thiếu đi tính đảm bảo an toàn trong giao thông và tính thẩm mỹ đô thị, một số giải pháp hiện đại giúp tiết kiệm đáng kể điện năng tiêu thụ nhưng chi phí lắp đặt tương đối cao, khó có thể áp dụng rộng rãi Hơn nữa, công tác kiểm soát, phát hiện sự cố, ghi chỉ số công tơ, báo cáo được thực hiện khá thủ công, bằng phương pháp cử cán bộ kỹ thuật theo dõi từng tuyến, từng trạm đèn theo hình thức phân chia Do
đó đến nay việc kiểm tra, kiểm soát tình trạng làm việc của hệ thống chiếu sáng công cộng chưa được thực hiện từ một trung tâm thống nhất, dẫn đến việc phát hiện và xử lý các sự cố xảy ra trên
hệ thống chưa được kịp thời Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế một hệ thống điều khiển, giám sát đèn chiếu sáng là hết sức cần thiết Với việc áp dụng kết hợp nhiều công nghệ, đề tài không những
có thể giải quyết những vấn đề nêu trên mà còn giúp tiết kiệm chi phí, áp dụng rộng rãi
Từ khóa: Đèn giao thông, Giám sát đèn giao thông thông minh, Thành phố thông minh, Trình
biên dịch Arduino, Ứng dụng KIT Arduino Uno R3
GIỚI THIỆU*
Chiếu sáng công cộng không chỉ đảm bảo an
ninh, an toàn giao thông mà còn ảnh hưởng
tới giá trị thẩm mỹ đô thị, làm thay đổi sâu
sắc hình ảnh của đô thị Chất lượng tiện nghi
đô thị được nâng cao cũng nhờ một phần ở
chiếu sáng công cộng Trước các yêu cầu về
tốc độ và chất lượng đô thị hóa, công tác quy
hoạch chiếu sáng đô thị Việt Nam cần được
quan tâm đổi mới toàn diện, đặc biệt hoàn
thiện tốt hệ thống tiêu chuẩn quy hoạch chiếu
sáng công cộng
Trong thời đại cách mạng công nghiệp 4.0
hiện nay, việc hướng tới xây dựng các thành
phố thông minh là tất yếu, trong đó phát triển
hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh là
hết sức cần thiết Chiếu sáng thông minh với
sự điều khiển của bộ óc điện tử sẽ cho chúng
ta hiệu quả chiếu sáng tối ưu nhất về công
năng, về trường thị giác, về thẩm mỹ đô thị,
sử dụng điện năng ít nhất, và như thế chi phí
cũng ở mức thấp nhất Trên cơ sở đó, mục
tiêu của nghiên cứu này là hướng đến xây
dựng một hệ thống chiếu sáng thông minh
không chỉ cho đô thị mà cả cho các tuyến
*
Tel: 0984 666500; Email: lhhiep@ictu.edu.vn
đường giao thông Bằng cách điều khiển và giám sát hoạt động của đèn chiếu sáng từ xa thông qua tin nhắn gửi từ điện thoại đến module sim gắn trong bộ điều khiển của tủ điều khiển trong các trường hợp cụ thể Tùy vào cú pháp tin nhắn khác nhau được cài đặt trước mà đèn có thể hoạt động với các chế độ như sau:
+ Tự động: tức là tự bật điều chỉnh độ sáng theo cường độ ánh sáng môi trường
+ Tin nhắn cho phép hẹn giờ bật (ON) và hẹn giờ tắt (OFF)
+ Tin nhắn cho phép đèn được hoạt động với các công suất chiếu sáng khác nhau như: 10%, 20%, 100%
+ Tin nhắn cho phép xác định tọa độ của nơi đặt đèn trên Google map, thuận tiện cho quá trình bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế, bảo vệ, thông qua tọa độ
+ Tin nhắn cho phép ON và OFF (không tuân theo các hoạt động về chiếu sáng, bật, tắt như
ở trên)
Với những tính năng ưu việt như trên, giá thành thấp hơn nhiều so với các sản phẩm nhập khẩu, sản phẩm có khả năng áp dụng rộng rãi cho các khu đô thị, các tuyến đường
Trang 2giúp cải thiện khả năng chiếu sáng, tiết kiệm
năng lượng, góp phần hướng tới xây dựng
thành phố thông minh trong tương lai
ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG CHIẾU
SÁNG THÔNG MINH
Giới thiệu
Đó là một hệ thống chiếu sáng công cộng kết
hợp các cụm đèn đường có thể giao tiếp với
nhau và cung cấp dữ liệu ánh sáng cho một bộ
tập trung cục bộ Bộ tập trung quản lý và
truyền dữ liệu liên quan, thường thông qua
điện thoại di động, máy tính hoặc có thể là
một máy chủ an toàn có thể thu thập dữ liệu
và trình bày dữ liệu đó trong giao diện trình
duyệt web Hệ thống chiếu sáng công cộng
thông minh ra đời với mục đích chính là tự
động điều khiển đèn bật khi cần và tắt đèn khi
không cần thiết một cách thông minh
Nó được thiết kế để dễ ứng dụng cho các
thành phố hoặc các tuyến đường giao thông
đặc biệt là các thành phố thông minh với sự
điều khiển và giám sát hoạt động của đèn
chiếu sáng từ xa thông qua tin nhắn gửi từ
điện thoại [1]
Xây dựng mục tiêu cho hệ thống
Hướng đến thiết kế một hệ thống chiếu sáng
công cộng thông minh Bằng cách điều khiển
và giám sát hoạt động của đèn chiếu sáng từ
xa thông qua tin nhắn gửi từ điện thoại bất kì
đến số điện thoại trên module sim gắn trong
bộ điều khiển của tủ điều khiển trong các
trường hợp cụ thể Tùy vào cú pháp tin nhắn
khác nhau được cài đặt trước mà đèn có thể
hoạt động với các chế độ như sau:
+ Tự động tức là tự bật (ON)/ tắt (OFF) khi
trời tối/sáng, tự động thay đổi cường độ ánh
sáng môi trường - trời càng tối thì đèn càng
sáng và ngược lại
+ Tin nhắn cho phép hẹn giờ bật (ON) và hẹn
giờ tắt (OFF)
+ Tin nhắn cho phép đèn được hoạt động với
các công suất chiếu sáng khác nhau như:
10%, 20%, 100%
+ Tin nhắn cho phép xác định tọa độ của nơi
đặt đèn trên google map, thuận tiện cho quá
trình bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế, bảo vệ,
+ Tin nhắn cho phép ON, OFF (không tuân theo các hoạt động về chiếu sáng, bật, tắt như
ở trên) [2]
Công nghệ áp dụng
+ Ứng dụng ngôn ngữ lập trình C cho Arduino, trình biên dịch Arduino IDE, phần mềm Frizting hỗ trợ vẽ mạch nguyên lý, mạch
in PCB
+ Ứng dụng KIT Arduino Uno R3, IC DS1307, Cảm biến BH1750, Module Sim
908, Bộ điều khiển sạc Pin mặt trời 12/24V 10A, Pin Mặt Trời 10W
+ Xây dựng chương trình điều khiển cho bộ
xử lý trung tâm Arduino Uno R3 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯƠNG TRÌNH
Việc điều khiển độ sáng các đèn được thực hiện tự động nhờ vào hoạt động của các cảm biến ánh sáng, tùy vào mức độ ánh sáng mà cảm biến đo được, bộ xử lý sẽ điều khiển đèn sáng với mức công suất phù hợp giúp tiết kiệm điện năng tối đa mà vẫn đảm bảo chức năng chiếu sáng đường phố Bên cạnh đó, quản trị viên có thể thực hiện các thao tác giao tiếp với các cột đèn (bao gồm: hẹn giờ bật tắt đèn, chủ động bật tắt hệ thống, điều chỉnh trực tiếp công suất đèn mà không thông qua hệ thống cảm biến hay xác định tọa độ của cột đèn giúp thuận tiện hơn trong quá trình bào trì và sửa chữa) thông qua module sim được gắn trong tủ điều khiển [3]
Yêu cầu hệ thống mạch:
+ Hệ thống làm việc ổn định
+ Hệ thống có khả năng chỉnh lại giờ
+ Có khả năng đưa vào ứng dụng trong thực tế
Hình 1 Sơ đồ khối của hệ thống
Trang 3Hệ thống bao gồm 5 khối chính là: khối
nguồn, khối ngoại vi, khối xử lý trung tâm,
module sim và khối chấp hành
- Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn hệ
thống làm việc
- Khối ngoại vi: Đọc giá trị cường độ ánh sáng
của môi trường, lưu trữ thời gian thực cả
- Khối xử lý trung tâm: Xử lý tín hiệu nhận từ
cảm biến, thông qua khối module sim đưa tín
hiệu điều khiển đến khối chấp hành
- Khối module sim: Thực hiện giao tiếp giữa
khối Xử lý và khối Chấp hành
- Khối chấp hành: Tiếp nhận và thực thi tín
hiệu điều khiển
Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau:
Khối nguồn cung cấp năng lượng cho toàn hệ
thống hoạt động; cường độ ánh sáng môi
trường được đo bằng cảm biến và đưa về khối
Xử lý, khối này thực hiện tính toán, xử lý tín
hiệu và thực hiện điều khiển cơ cấu chấp hành
là đèn hoạt động theo mức công suất phù hợp;
module sim giúp người điều khiển có thể điều
khiển đèn từ xa thông qua tin nhắn gửi đến số
điện thoại nội bộ
Lựa chọn linh kiện thiết kế [2] [3] [4]:
Arduino UNO R3
Mạch sử dụng KIT Arduino UNO R3 làm bộ
điều khiển trung tâm
Hình 2 Hình ảnh KIT Arduino UNO R3
Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được
sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tử
Arduino gồm có board mạch có thể lập trình
được (thường gọi là vi điều khiển) và các
phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp IDE
(Integrated Development Environment) dùng
để soạn thảo, biên dịch code và nạp chương cho board
Hình 3 Thông số kỹ thuật của Arduino UNO R3
Module SIM908
Module này được tích hợp một bộ GSM/GPRS và một bộ GPS mạnh mẽ Bộ GSM/GPRS hoạt động ở 4 băng tần là GSM 850MHz, EGSM 900MHz, DCS 1800MHz and PCS 1900MHz Module SIM908 hỗ trợ GPRS multi-slot class 10/ class 8 và các mã hóa chương trình CS1, CS2, CS3 và CS4 Bộ GPS của SIM908 cho thời gian khởi động, độ chính xác và độ nhạy tốt nhất
Với việc được đóng gói nhỏ gọn, SIM908 có thể đáp ứng được không gian tốt trong các ứng dụng như M2M, Smart phone, PDA, thiết
bị định vị và di dộng khác
Hình 4 Module GSM/GPS SIM908 Easy
Trang 4Hình 5 Sơ đồ kết nối GSM/GPS SIM908 Easy
Module thời gian thực DS1307
Module thời gian thực DS1307 (RTC) có
chức năng lưu trữ thông tin ngày tháng năm
cũng như giờ phút giây, nó sẽ hoạt động như
một chiếc đồng hồ và có thể xuất dữ liệu ra
ngoài qua giao thức I2C Module được thiết
kế kèm theo một viên pin đồng hồ có khả
năng lưu trữ thông tin lên đến 10 năm mà
không cần cấp nguồn 5V từ bên ngoài
Module đi kèm với EEPROM AT24C32 có
khả năng lưu trữ thêm thông tin lên đến
32KBit
Hình 6 IC DS1307
Cảm biến ánh sáng BH1750
Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 được
sử dụng để đo cường độ ánh sáng theo đơn
vị lux, cảm biến có ADC nội và bộ tiền xử lý
nên giá trị được trả ra là giá trị trực tiếp
cường độ ánh sáng lux mà không phải qua
bất kỳ xử lý hay tính toán nào thông qua
giao tiếp I2C
LED
Bản chất của thiết bị đèn LED là một đi-ốt có
cấu tạo là một chíp bán dẫn có pha các tạp
chất để tạo ra một tiếp giáp P-N, kênh P chứa
lỗ trống, kênh N chứa điện tử, dòng điện truyền từ A-nốt (kênh P) đến K-tốt (kênh N), khi điện tử lấp đầy chỗ trống nó sinh ra bức xạ ánh sáng, các bước sóng phát ra có màu khác nhau tùy thuộc vào tạp chất trong chíp bán dẫn Thiết bị này phân thành ba loại chính theo dải công suất: cỡ nhỏ, cỡ trung bình, cỡ lớn
Hình 7 Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
Hình 8 LED đơn
Bộ điều khiển sạc Pin mặt trời 12/24V 10A
Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy, và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài Hơn nữa, thiết bị này cho biết tình trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải Ngoài ra thiết bị này còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế (>13,8V) hoặc điện thế thấp
Hình 9 Bộ Điều Khiển Sạc Pin Mặt Trời 12/24V 10A
Trang 5Pin Mặt Trời 10W ICO-SPC-10W
-Thông số kỹ thuật: 10W/18V (12V hệ thống,
thích hợp với các loại sạc pin 8Ah, 9-10W)
-Kích thước: 335x205x17 mm( khung hợp
kim nhôm, bốn lỗ gắn)
-Điện áp cao nhất: 16V
-Dòng ra cao nhất: 0,56A
-Điện áp hở mạch: 22,41V
-Dòng ngắn mạch: 0,62A
-Trọng lượng: 0,8kg
Hình 10 Pin Mặt Trời 10W ICO-SPC-10W
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH
Thiết kế phần cứng hệ thống
Hình 11 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
Hình 12 Sơ khối của mạch điện tử
Nguyên lý hoạt động: Khi cung cấp nguồn
cho cảm biến ánh sáng, khối vi điều khiển và
bóng đèn hoạt động Cảm biến ánh sáng thu
nhận cường độ sáng từ môi trường, gửi tín
hiệu đến vi điều khiển, vi điều khiển xử lý và chuyển tín hiệu điều khiển tới bòng đèn, tùy vào mức cường độ sáng mà cảm biến đo được
tự động điều khiển công suất bóng đèn phù hợp Quản trị viên có thể giao tiếp với vi điều khiển thông qua module sim để chủ động tiến hành bật tắt, hẹn giờ bật tắt, điều chỉnh công suất, và xác định tọa độ bóng đèn [5]
Hình 13 Bảng kết nối chân
Hình 14 Sơ đồ kết nôi phần mạch điện
Thiết kế phần mềm hệ thống
Sơ đồ thuật toán (Hình 15)
Áp dụng thực tế
Dựa vào sơ đồ thuật toán Hình 15 kết hợp với ngôn ngữ lập trình và các thiết bị đã giới thiệu ở trên để xây dựng hệ thống điều khiển hoàn chỉnh Hình 16 là ảnh thực tế về sản phẩm phần cứng đã được lắp ráp, cài đặt phần mềm nhúng khi triển khai
Để hệ thống có thể hoạt động hiệu quả trên thực tế, dưới đây là các chỉ tiêu kỹ thuật cần lưu ý:
+ Công suất: 15kVA, 20kVA, 25kVA, 30kVA, 45kVA, 60kVA, 90kVA
Trang 6Hình 15 Thuật toán chương trình
Hình 16 Hình ảnh thiết bị sản phẩm
+ Điện áp đầu vào: từ 260 ÷ 430VAC (160 ÷ 248VAC)
+ Đặt chế độ tiết kiệm: 0 ÷ 50%
+ Tần số: 49 ÷ 62Hz + Kích thước: 600 x 700 x 1100 mm + Khối lượng: 120 kg
+ Độ bền cách điện: > 3MΩ KẾT LUẬN
Qua quá trình nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm, hệ thống chương trình đã đạt được yêu cầu đặt ra là Thiết kế và thi công hệ thống chiếu sáng đô thị thông minh gồm những nội dung chính:
- Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình C cho Arduino, trình biên dịch Arduino IDE, phần mềm Frizting hỗ trợ vẽ mạch nguyên lý, mạch
in PCB
- Tìm hiểu về KIT Arduino Uno R3, IC thời gian thực DS1307, Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750, Module Sim 908, Bộ điều khiển sạc Pin mặt trời 12/24V 10A, Pin Mặt Trời ICO-SPC-10W
- Xây dựng chương trình điều khiển cho bộ
xử lý trung tâm Arduino Uno R3
- Thiết kế và thi công hệ thống chiếu sáng đô thị thông minh có thể tiết kiệm điện năng Hệ thống này được điều khiển từ xa thông qua SMS được gửi từ điện thoại Đồng thời hệ thống cũng có thể điều khiển tự động thiết bị điện với cảm biến ánh sáng và module thời gian thực
Trang 7Bên cạnh đó, chương trình đã đạt được những
kết quả nhất định sau:
- Mạch điện với các module nhỏ trên mạch
được thiết kế, thi công hoàn chỉnh và đã được
thử nghiệm nhiều lần và đã hoạt động ổn
định trong thực tế
- Hệ thống có thể điều khiển được thiết bị
điện từ xa thông qua tin nhắn SMS
- Hệ thống có khả năng tự hoạt động nếu
như người sử dụng cài đặt lịch làm việc cho
hệ thống Cụ thể ở đây là khả năng tự
bật/tắt đèn với cường độ ánh sáng, và bật/tắt
đèn với hẹn giờ
- Hệ thống cho phép định vị GPS để quản lý
và kiểm soát các bóng đèn
Để đảm bảo khả năng đưa vào ứng dụng thực
tế một cách hoàn chỉnh nhất, đề tài này cần
được phát triển với số lượng thiết bị nhiều
hơn Cần được thử nghiệm nhiều nơi, với
những vùng có sóng yếu hoặc không ổn định
để đánh giá khả năng chính xác và tính tin cậy của hệ thống Ngoài ra, cần phát triển khả năng điều khiển thiết bị đa dạng hơn, không dừng lại ở việc bật/tắt đèn, điều chỉnh cường
độ ánh sáng, mà có thể là đọc các thông số như: nhiệt độ, độ ẩm
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Prakash S R., Shankar V., Guha S., & Alam M
(n.d.), (2010), Smart Street Lamp Monitoring System
2 A T Ganbutan, M P (2009), Smart Homes
Romania: 5th International Symposium on Applied Cumputational Intelligence Informatics
3 Condit R (2008), Transformerless Power Supplies: Resistive and Capacitive Mircochip
4 Mike Mannion, B K (2009), SMART Requirements ACM SIGSOFT , 42 - 47
5 Rosenfeld, S A (2007), Creating Smart Systems USA: European Union-Regional Innovation Strategies
ABSTRACT
STUDY TO DESIGN OF INTELLIGENT LIGHTING CONTROL
AND MONITORING SYSTEMS
Nguyen Thanh Tung, Tran Duc Hoang, Le Hoang Hiep * , Doan Manh Cuong
University of Information and Communication Technology - TNU
Modernization of the street lighting system will helps to save electricity and costs, while ensuring the quality of lighting is considered as a urgent solution However, the current technical methods are not optimal, because they also reduce the quality of lighting, lack of safety in traffic and urban aesthetics, and some modern solutions help to saving in power consumption significantly but relatively high installation costs, difficult to apply widely In addition, the control, incident detection, meter readings, data reporting, etc were handled manually, by the method of sending technicians to track each line, each station in the form of share So far the inspection and control of the working status of the public lighting system has not been done from a unified center, resulting
in the detection and handling of the incident on the system has not been timely Therefore, the design of a control system, lighting supervision is very necessary With the application of a combination of technologies, the topic can not only solve the problems mentioned above but also help to save the costs, widely applied
Keywords: Traffic lights, Intelligent traffic lights, Smart cities, Arduino compilers, Arduino KIT
applications Uno R3
Ngày nhận bài: 16/10/2018; Ngày hoàn thiện: 06/11/2018; Ngày duyệt đăng: 30/11/2018
*
Tel: 0984 666500; Email: lhhiep@ictu.edu.vn