Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng tự động ứng dụng trong các khu di tích lịch sử ở tỉnh Phú Thọ

Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng tự động ứng dụng trong các khu di tích lịch sử ở tỉnh Phú Thọ Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng tự động ứng dụng trong các khu di tích lịch sử ở tỉnh Phú Thọ luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng

tự động ứng dụng trong các khu công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng

tự động ứng dụng trong các khu công nghiệp

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn : Nguyễn Hoàng Long

Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng tự động ứng

1 Vấn đề cần giải quyết: Áp dụng một số công nghệ cao trong việc xây dựng hệ thống chiếu sáng các đền chùa thuộc Khu di tích nhằm tạo cảnh quan văn hóa tâm linh đặc thù phù hợp với công trình Đền Hùng (thí điểm tại Đền Giếng) (mục 1.2, trang 14)

2 Mục tiêu của đề tài: Xây dựng hệ thống có tính mở để người dùng có thể tạo ra hoặc thay đổi các kịch bản cho phù hợp yêu cầu thực tế, giải pháp

dự phòng về đường truyền và bảo mật cũng được thêm vào để đảm bảo tính

ổn định của hệ thống (mục 1.2, trang 15)

3 Sơ đồ thiết kế tổng thể và vai trò của các thành phần trong hệ thống: được trình bày trong Hình 2-2 và mục 3.1

4 Đã bổ xung cơ sở lựa chọn phần cứng (trang 26 – 30)

5 Chỉnh sửa sơ đồ mạch điều khiển rơ-le và biến dòng (Hình 2-21,tr.34)

6 Chỉnh sửa sơ đồ khối điều khiển PWM (Hình 2-31, trang 40)

7 Đã chỉnh sửa các lỗi chính tả và lỗi tham chiếu hình ảnh và tài liệu

Ngày 13 tháng 7 năm 2020

Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn

PGS.TS Hoàng Sỹ Hồng Nguyễn Hoàng Long

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

LỜI CẢM ƠN

Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS.Hoàng Sỹ Hồng, người thầy đáng kính đã luôn hướng dẫn tôi tận tình trong suốt thời gian tôi làm luận văn Thầy đã truyền đạt lại cho tôi những kiến thức, những kinh nghiệm nghiên cứu và giúp đỡ rất nhiều để tôi hoàn thành tốt luận văn này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy/cô trong Viện Điện đã giúp đỡ và giảng dạy tôi trong suốt thời gian tôi theo học tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Đó là những hành trang kiến thức quý báu giúp tôi rất nhiều trong quá trình học tập, nghiên cứu và làm việc sau này

Luận văn này có thể sẽ không được hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ, động viên hết sức quý báu từ PGS.TS.Hoàng Sỹ Hồng, Ths.Nguyễn Văn Đưa và

các thành viên thuộc đề tài Nghiên cứu ứng dụng công nghệ cao nhằm nâng cao hiệu quả quản lý và phát triển bền vững khu di tích lịch sử Quốc gia đặc biệt Đền Hùng, những người luôn tạo điều kiện nghiên cứu và giúp đỡ, động viên tôi trong

quá trình nghiên cứu đã qua

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG 2

1.1 Tìm hiểu tổng quan về hệ thống chiếu sáng tại các không gian tín ngưỡng, tôn giáo 2

1.2 Thực trạng hệ thống chiếu sáng chung tại di tích Đền Hùng 4

1.3 Giải pháp và định hướng thiết kế của hệ thống 8

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG 13

2.1 Xây dựng mô hình hệ thống chiếu sáng 13

2.2 Thiết kế thiết bị điều khiển trung tâm 16

2.3 Thiết kế thiết bị điều khiển On/Off 26

2.4 Thiết kế thiết bị điều khiển cường độ 31

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG TỪ XA 37

3.1 Tổng quan về hệ thống quản lý chung khu của di tích 37

3.2 Mô tả quá trình vận hành hệ thống 39

3.3 Lập trình phần mềm cho vi điều khiển 42

3.4 Thiết kế phần mềm điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng 50

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ, KỊCH BẢN THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 58

4.1 Kết quả 58

4.2 Thử nghiệm hệ thống tại phòng thí nghiệm 59

4.3 Lắp đặt và thử nghiệm hệ thống 65

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

LED Light Emitting Diode Diode phát quang

IC Integrated Circuit Vi mạch tích hợp

AC Alternating Current Điện xoay chiều

ANN Artificial Neural Network Mạng nơ-ron nhân tạo

VAC Voltage Alternating Current Điện áp xoay chiều

VDC Voltage Direct Current Điện áp một chiều

LoRa Long Range Radio Truyền thông không dây

khoảng cách xa RISC Reduced Instruction Set

Computer

Cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa

TCP/IP Transmission Control Protocol/

Internet Protocol

Giao thức điều khiển truyền nhận/ Giao thức liên mạng IEEE 802.3 Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Tiêu chuẩn liên quan đến Ethernet

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1: Hệ thống chiếu sáng tự động tại nhà thờ Temple de Lutry [1] 2

Hình 1-2: Khung cảnh bên trong nhà nguyện Sixtine [2] 3

Hình 1-3: Vẻ đẹp ngôi chùa lớn Swedagon ở Myanmar [3] 3

Hình 1-4: Cửa Ngọ Môn của Cung thành Huế [4] 4

Hình 1-5: Bản đồ các đền chùa thuộc khu di tích Đền Hùng 5

Hình 1-6: Sử dụng các bóng sợi đốt chiếu sáng không gian bên trong 6

Hình 1-7: Sử dụng bóng đèn cho chiếu sáng cửa vào 6

Hình 1-8: Mô hình đèn đài sen 7

Hình 1-9: Mô hình Đèn Mặt Đất (bánh chưng) và Đèn Bầu Trời (bánh dày) cho chiếu sáng nội thất tại Đền Giếng 7

Hình 1-10: Mô hình đấu nối các đèn LED bên trong đền Giếng 9

Hình 1-11: Mô hình các giao tiếp truyền nhận giữa thiết bị trong hệ thống 9

Hình 1-12: Điều khiển thay đổi cường độ cường độ từng gian giảm dần theo hướng từ ngoài vào trong 10

Hình 1-13: Mô hình hệ thống điều khiển chiếu sáng 11

Hình 2-1: Sơ đồ phân bố chiếu sáng bên trong Đền Giếng 13

Hình 2-2: Sơ đồ phân bố thiết bị theo từng khu vực 16

Hình 2-3: Sơ đồ cấu trúc chức năng của thiết bị điều khiển trung tâm 17

Hình 2-4: Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của chip W5100 [6] 18

Hình 2-5: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp Ethernet 18

Hình 2-6: Sơ đồ kết nối đường truyền RS-485 [7] 19

Hình 2-7: Sơ đồ chân của chip SN65HVD82 [8] 19

Hình 2-8: Sơ đồ mạch nguyên lý khối chức năng RS-485 20

Hình 2-9: Sơ đồ chân mạch Lora Ra-2 [10] 21

Hình 2-10: Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông Lora 22

Hình 2-11: Hình ảnh thực tế của chip Atmega 2560 [11] 22

Hình 2-12: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm 23

Hình 2-13: Sơ đồ chân DS1307 loại 8-pin 24

Hình 2-14: Sơ đồ khối của DS 1307 [12] 24

Hình 2-15: Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực 25

Hình 2-16: Bản vẽ 3D và mạch in thiết bị điều khiển trung tâm 26

Hình 2-17: Sơ đồ các khối chức năng của thiết bị điều khiển On/Off 26

Hình 2-18: Module PZEM004T đo điện áp, dòng điện và công suất 27

Hình 2-19: Sơ đồ đo trên thiết bị 28

Hình 2-20: Hình ảnh Relay JQC-3FF-12VDC-1ZS 28

Hình 2-21: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển Relay 29

Hình 2-22: sơ đồ chân linh kiện UNL 2803 29

Hình 2-23: biến dòng ZMCT103 30

Hình 2-24: Sơ đồ khối ZMCT103 30

Hình 2-25: Khối phát hiện dòng điện 30

Hình 2-26: Bản vẽ 3D và mạch in thiết bị điều khiển On/Off 31

Hình 2-27: Sơ đồ chức năng thiết bị điều khiển cường độ 32

Hình 2-28: Hình ảnh thực tế bộ điều khiển LED EUG-150S210DV [13] 32

Hình 2-29: Điều khiển Driver Led EUG-150S210DV bằng xung PWM [13] 33

Hình 2-30: Sơ đồ chân LM358 34

Hình 2-31: Sơ đồ nguyên lý khuếch đại tín hiệu PWM 35

Hình 2-32: Đo tín hiệu điều khiển PWM 36

Hình 2-33: Bản vẽ 3D và thiết kế mạch in thiết bị điều khiển cường độ 36

Hình 3-1: Mô hình hệ thống quản lý giám sát chung cho di tích Đền Hùng 37

Hình 3-2: Các thành phần hệ thống trung tâm quản lý và giám sát điều hành 38

Hình 3-3: Cấu trúc bản tin truyền nhận TCP/IP 40

Hình 3-4: Cấu trúc bản tin đường truyền RS-485 40

Hình 3-5: Quá trình theo dõi và giám sát các thông số hệ thống 41

Hình 3-6: Quá trình cập nhật trạng thái đèn bị thay đổi do người dùng 41

Hình 3-7: Lưu đồ thuật toán điều khiển thiết bị trung tâm 43

Hình 3-8: Lưu đồ xử lý yều cầu từ phần mềm của thiết bị trung tâm 44

Hình 3-9: Cấu trúc truyền nhận bản tin RS-485 45

Hình 3-10: Lưu đồ điều khiển theo kịch bản 46

Hình 3-11: Lưu đồ nhận bản tin điều khiển 47

Hình 3-12: Lưu đồ thuật toán điều khiển thiết bị ON/OFF 48

Hình 3-13: Lưu đồ thuật toán điều khiển thiết bị cường độ 50

Hình 3-15: Sơ đồ màn hình chức năng phần mềm chiếu sáng 52

Hình 3-16: Giao diện màn hình giám sát 53

Hình 3-17: Các tính năng của giao diện màn hình giám sát 53

Hình 3-18: Giao diện màn hình điều khiển 54

Hình 3-19: Giao diện màn hình điều khiển từng gian 55

Hình 3-20: Màn hình điều khiển Gian ngoài 56

Hình 3-21: Màn hình điều khiển Gian trong 56

Hình 3-22: Màn hình giao diện chức năng cài đặt kịch bản 57

Hình 4-1: Thiết bị điều khiển trung tâm 58

Hình 4-2: Thiết bị điều khiển cường độ sáng 58

Hình 4-3: Thiết bị điều khiển đóng cắt hai trạng thái 59

Hình 4-4: Đóng hộp thiết bị 59

Hình 4-5: Mô hình hệ đo công suất 62

Hình 4-6: Mô hình thử nghiểm chức năng phát hiện cháy bóng 63

Hình 4-7: Biểu diễn kết quả dưới dạng biểu đồ 64

Hình 4-8: Hình ảnh đèn bánh chưng, bánh dày và đài sen 65

Hình 4-9: Hình ảnh chiếu sáng bên ngoài, 65

Hình 4-10: Hình ảnh thực tế hệ chiếu sáng tại Đền Giếng ngày rằm 66

DANH MỤC BẢNG BiỂU

Bảng 2-1: Phương án cụm đèn cho từng khu vực chiếu sáng Đền Giếng 14

Bảng 2-2: Chức năng các chân của chip SN65HVD82 19

Bảng 2-3: So sánh ba công nghệ SigFox, LoRa và NB-IoT 20

Bảng 2-4: Bảng thông số kỹ thuật Atmega 2560 23

Bảng 2-6: Bảng thông số kỹ thuật của ZMCT- 103 30

Bảng 2-7: Thông số kỹ thuật xung PWM 33

Bảng 2-8: Bản chức năng các chân LM358 34

Bảng 4-1: kết quả khảo sát khả năng hoạt động trong 10 ngày 61

Bảng 4-2: Kết quả đo thông số điện của hai loại thiết bị chấp hành 62

Bảng 4-3: Kết quả điện năng tiêu thụ của từng thiết bị 62

Bảng 4-4: Bảng kết quả mô phỏng cháy bóng và phát hiện 63

về tiết kiệm năng lượng, nâng cao hiệu quả vận hành, cung cấp các thông tin cần thiết để quản lý từ xa

Trong luận văn này, tác giả tiến hành thiết kế hệ thống chiếu sáng ứng dụng tại khu vực đền Giếng thuộc khu di tích lịch sử quốc gia Đền Hùng Luận văn gồm bốn chương trong đó sẽ trình bày:

- Chương 1: Tổng quan về hệ thống chiếu sáng, thực trạng hệ thống chiếu

sáng tại đền Giếng để từ đó đưa ra mục tiêu cho hệ thống chiếu sáng

- Chương 2: Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống dựa theo mục tiêu thiết

kế và các khảo sát thực tế tại đền Tiến hành phân tích thiết kế phần cứng các thiết bị có trong hệ thống

- Chương 3: Trình bày lưu đồ thuật toán điều khiển đối với các thiết bị cũng

như thiết kế phần mềm giám sát và điều khiển tập trung

- Chương 4: Trình bày kết quả, kịch bản thử nghiệm hệ thống và một số hình

ảnh lắp đặt thực tế tại Đền Giếng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG

1.1 Tìm hiểu tổng quan về hệ thống chiếu sáng tại các không gian tín ngưỡng, tôn giáo

Với sự phát triển vượt bậc của thiết bị chiếu sáng đã giúp cho chiếu sáng kiến trúc phát triển nhanh chóng Các phương pháp chiếu sáng không còn bị giới hạn chỉ đơn giản bật tắt như trước kia mà giờ có thể thay đổi để tạo ra các khu cảnh không gian phù hợp Hiện nay hệ thống chiếu sáng thông minh không chỉ áp dụng trong các toàn nhà văn phòng hay các công trình chiếu sáng công cộng nhằm giúp tiết kiệm điện năng mà còn được nghiên cứu triển khai tại các bảo tàng, nhà thờ, những công trình kiến trúc nổi bật mang tính biểu tượng Chính những sự thay đổi trên đã mang lại kết quả tốt, làm tôn nên vẻ đẹp, giá trị tâm linh… giúp thu hút khách tham quan du lịch Ví dụ hệ thống quản lý chiếu sáng cho nhà thờ Temple

de Lutry, Thụy sỹ đã được hãng Tridonic triển khai lắp đặt mới đây Error!

Reference source not found

Hình 1-1: Hệ thống chiếu sáng tự động tại nhà thờ Temple de Lutry [1]

Các yêu cầu nghiêm ngặt đặt ra là vừa phải kết nối các điểm sáng LED với hệ thống điều khiển ánh sáng, vừa hạn chế việc đặt dây nguồn hoặc dây cáp theo quan điểm giữ nguyên cấu trúc 1000 năm của nhà thờ Do vậy hệ thống sử dụng công nghệ không dây Bluetooth để tạo ra một mạng lưới 127 điểm chiếu sáng được quản

lý thông qua ứng dụng phần mềm trên điện thoại tên là Tridonic 4remote BT Qua ứng dụng cho phép bật/ tắt từng bộ đèn riêng lẻ hoặc toàn bộ nhóm đèn được xác định, các module LED cho có thể điều chỉnh nhiệt độ màu để tùy chỉnh bốn khung cảnh ánh sáng khác nhau Ngoài hệ thống còn có kịch bản chiếu sáng tự động cho

Một ví dụ khác là nhà nguyện Sistine ở Rome (Error! Reference source not

found.) cũng đã lắp đặt một hệ thống chiếu sáng LED được thiết kế để chiếu sáng

các tác phẩm nổi tiếng thế giới của Michelangelo Hệ thống lắp đặt mới cung cấp

độ chiếu sáng cao hơn, tiêu thụ ít năng lượng hơn 60% so với hệ thống cũ Nhờ hệ thống chiếu sáng mới với khoảng 7000 bóng LED Osram được sử dụng, các bức họa trên mái vòm và các bức tường miêu tả thiên thần và các tiên tri, được miêu tả bằng nhiều màu sắc khác nhau giờ đây xuất hiện trước mặt du khách đến Nhà nguyện Sistine trong tất cả vẻ đẹp của nó

Hình 1-2: Khung cảnh bên trong nhà nguyện Sixtine [2]

Tại khu vực Châu Á, nơi là cái nôi của nhiều nền tôn giáo lớn, chúng ta sẽ thấy

vẻ đẹp những ngôi chùa tháp ở Nhật như Miyajima, Kuyomizu-Dera, Asakura,… hay như chùa Swedagon, Golden Rock ở Myanmar được gia tăng bội phần khi chiếu sáng về đêm Nếu chùa Swedagon rực rỡ với ánh sáng vàng, thì Golden Rock huyền ảo, thiêng liêng với nhiều kiểu chiếu sáng với nhiều màu sắc thay đổi

Hình 1-3: Vẻ đẹp ngôi chùa lớn Swedagon ở Myanmar [3]

Ở nước ta cũng đã có nhiều hệ thống đèn chiếu sáng hiện đại cho các kiến trúc

cổ nổi bật, mới được lắp đặt những năm gần đây như ở Ngọ Môn, Đại Nội Huế, Hoàng Thành Thăng Long hay Hồ Hoàn Kiếm, Hà Nội Các hệ thống chiếu sáng hiện đại này đã làm cho Lầu Ngũ Phụng, Ngọ Môn, Tháp Rùa có nét đẹp mới chưa từng có về đêm, lại vừa tôn cao giá trị của kiến trúc cổ kính này

Hình 1-4: Cửa Ngọ Môn của Cung thành Huế [4]

Tuy vậy, chiếu sáng cho các công trình kiến trúc mang tính tôn giáo tín ngưỡng như đền chùa vẫn chưa được thực sự quan tâm do vậy không đạt được giá trị thẩm

mỹ vốn có Phổ biến hơn cả vẫn là kiểu giăng đèn bóng tròn đốt tim, có thể chỉ một màu vàng, có thể nhiều màu (xanh, đỏ, vàng…), giăng theo hình dáng bảo tháp hay mái chùa.Việc bố trí chiếu sáng mang tính tự phát và gặp nhiều khó khăn trong quản lý, dù cho đó là ngôi chùa lớn Nếu được áp dụng những công nghệ mới vào chiếu sáng, chúng ta có thể làm tôn thêm vẻ đẹp của kiến trúc

1.2 Thực trạng hệ thống chiếu sáng chung tại di tích Đền Hùng

❖ Giới thiệu tổng quan Đền Hùng

Đền Hùng là di tích lịch sử văn hoá đặc biệt quan trọng của quốc gia (Bộ Văn hóa thông tin xếp hạng năm 1962), được xây dựng trên núi Hùng - thuộc đất Phong Châu - vốn là đất kế đô của Nhà nước Văn Lang 4.000 năm trước đây Toàn bộ Khu di tích có 4 đền, 1 chùa và 1 lăng hài hoà (từ năm 2001 đến nay có xây dựng thêm 2 đền) trong cảnh thiên nhiên, có địa thế cao rất ngoạn mục, hùng vĩ, đất đầy khí thiêng của sơn thuỷ hội tụ

Năm 2012, UNESCO công nhận Tín ngưỡng thờ cúng Hùng Vương ở Phú Thọ

là di sản văn hóa phi vật thể của nhân loại với những yếu tố thuộc đời sống tâm linh của người Việt Nam đã tồn tại từ hàng nghìn năm nay, thể hiện nền tảng tinh

thể hiện rất rõ ở yếu tố thờ Hùng Vương chính là thờ Quốc tổ Đây là bản sắc văn hóa không phải dân tộc nào cũng có Trong đó, khu vực I (vùng lõi) có diện tích 32,2 ha bao gồm các di tích Đền Thượng, Đền Trung, Đền Hạ, Đền Giếng, Lăng Vua Hùng, Chùa Thiên Quang, Bảo tháp, Nhà thờ Tổ, gác Chuông thuộc diện bảo tồn nguyên trạng Bản đồ toàn thể của Khu di tích Đền Hùng được thể hiện như trên

Hình 1-5: Bản đồ các đền chùa thuộc khu di tích Đền Hùng

❖ Khảo sát các đền thuộc khu di tích Đền Hùng

Qua khảo sát hiện trạng sơ bộ về tình hình chiếu sáng tại các Đền Hạ, Đền Trung, Đền Thượng và Đền Giếng thì thấy vẫn 100% sử dụng các loại nguồn sáng không thích hợp như đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang (chiếu sáng nội thất), đèn Natri cao áp, đèn Metal Halide (loại đèn CSC phù hợp chiếu sáng đường phố)… Đây là các loại đèn truyền thống, có ưu điểm là dễ lắp, đơn giản nhưng cũng có nhiều hạn chế như ánh sáng đơn điệu, tuổi thọ không cao, hiệu quả sử dụng năng lượng thấp, tiêu tốn nhiều điện năng, tạo nhiều nhiệt và các tia hồng ngoại làm hư hỏng, giảm tuổi thọ của các vật dụng thời cúng giá trị cao Nhiều vị trí còn có hiện tương ô

nhiễm môi trường ánh sáng (thừa ánh sáng quá mức) Error! Reference source

not found mô tả đèn sợi đốt và sử dụng trong nội thất các khu đền thuộc Đền

Hùng

Hình 1-6: Sử dụng các bóng sợi đốt chiếu sáng không gian bên trong

Error! Reference source not found mô tả sơ bộ cấu tạo bên ngoài của bộ đèn

huỳnh quang T8 sử dụng và bố trí lắp đặt của đèn trong các gian thờ của từng đền Chúng ta có thể thấy các bộ đèn huỳnh quang được bố trí gắn với các xà ngang bên trong và các khu vực mái hiên của mỗi gian đền theo hướng chiếu ngang hoặc hướng xuống sàn

Hình 1-7: Sử dụng bóng đèn cho chiếu sáng cửa vào

Hệ thống chiếu sáng tại các đền đều thiết kế theo cách truyền thống, sử dụng các công tắc điều khiển để bật tắt ngay tại đền Việc quản lý chiếu sáng mang tính

tự phát và không có tính đồng bộ Ngoài ra còn xuất hiện một số bóng trên mái nhà

và ngoài hiên bị hỏng nhưng chưa được thay thế

Từ những khảo sát thực tế, với mong muốn áp dụng một số công nghệ cao trong việc xây dựng hệ thống thông tin tập trung nâng tầm giá trị khu di tích lịch sử Đền Hùng, từ năm 2017, Trung tâm Công nghệ Vi điện tử và Tin học phối hợp với Khu

di tích lịch sử Đền Hùng thực hiện đề tài nghiên cứu:" Nghiên cứu, ứng dụng công

sử Quốc gia đặc biệt Đền Hùng" trong đó, có nội dung liên quan đến Xây dựng hệ thống chiếu sáng nội thất và ngoại thất các đền chùa thuộc Khu di tích nhằm tạo cảnh quan văn hóa tâm linh, mang bản sắc dân tộc và đặc thù phù hợp với công trình Đền Hùng (thí điểm tại Đền Giếng)

Nội dung nghiên cứu bao gồm:

- Thiết kế chế tạo các đèn có kiểu dáng và tính năng đặc biệt phù hợp với khu

di tích Trong đó, đã nghiên cứu chế tạo các đèn kiểu dáng và tính năng đặc biệt phù hợp với khu di tích:

+ LED đài sen có các tính năng đặc biệt như (i) khả năng thay đổi góc mở, (ii) thay đổi cường độ sáng tùy biến như trên Hình 1-8

+ Bộ đèn bánh trưng (Đèn Mặt Đất) gồm hai bộ đèn, tượng trưng cho mặt đất

sẽ có hình vuông Những bộ đèn này sẽ được treo đối xứng ở hai gian bên, cạnh gian Giếng Ngọc

Hình 1-8: Mô hình đèn đài sen

Hình 1-9: Mô hình Đèn Mặt Đất (bánh chưng) và Đèn Bầu Trời (bánh dày) cho

chiếu sáng nội thất tại Đền Giếng

+ Bộ đèn bánh dày (Đèn Bầu trời) tượng trưng cho bầu trời sẽ có hình lục giác, kích thước sẽ được tính toán thiết kế cân đối với không gian treo đèn như

trong Hình 1-9 Đèn Bầu trời sẽ được treo ở gian giữa, phía trên của Giếng Ngọc

Nguồn điện cung cấp cho các LED của đèn có tính năng điều khiển được (dimmable), sử dụng tín hiệu từ 0-10V; được đặt tại tủ điều khiển trung tâm

- Xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát tự động các thiết bị chiếu sáng tại khu vực Đền Giếng nhằm đáp ứng các yêu cầu về:

+ Nâng cao quản lý và vận hành hệ thống chiếu sáng

+ Cung cấp thông tin để quản lý từ xa

+ Đảm bảo tính ổn định và bảo mật

- Có khả năng hoạt động độc lập, tự động chiếu sáng theo kịch bản hoặc kết nối điều khiển, trao đổi dữ liệu với phần mềm quản lý chung của khu di tích Đền Hùng

Trong luận văn tập trung trình bày nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát chiếu sáng cho các khu vực đền chùa nói chung và Đền Giếng nói riêng

Do tính đặc thù ứng dụng tại khu vực đền chùa, việc chiếu sáng phụ thuộc vào văn hóa tín ngưỡng từng nơi nên hệ thống xây dựng có tính mở để người dùng có thể tạo ra hoặc thay đổi các kịch bản cho phù hợp yêu cầu thực tế Bên cạnh đó các giải pháp dự phòng về đường truyền và bảo mật cũng được thêm vào để đảm bảo tính ổn định của hệ thống

1.3 Giải pháp và định hướng thiết kế của hệ thống

1.3.1 Giải pháp thiết kế hệ thống

Từ những khảo sát thực tế trên, một số giải pháp được tác giả đưa ra như sau:

- Nâng cao khả năng điều khiển và giám sát thông qua phần mềm

Với tiêu chí hạn chế ít nhất các tác động vào ngôi đền, hệ thống chiếu sáng mới được thiết kế trên nền hệ thống chiếu sáng có sẵn nên công tắc và các hệ thống dây điện vẫn được giữ nguyên Trong quá trình vận hành, việc điều khiển bật/tắt đèn thực hiện theo hai cách là bằng công tắc ngay tại đền (dùng cho người trông coi đền) hoặc thông qua phần mềm tại phòng điều hành trung tâm của khu di tích (dùng

cho người quản lý) Sơ đồ kết nối đền và thiết bị được thể hiện trong Error!

Reference source not found

Cùng với đó việc giám sát trạng thái các nguồn sáng trong khu vực Đền Giếng được theo dõi liên tục nhằm hai mục đích: cung cấp các thông tin về điện năng tiêu thụ và cập nhật lại trạng thái mỗi khi có sự thay đổi do công tắc do phía dưới đền

kiểm tra dòng điện có trên các đèn hoặc cụm đèn để có được trạng thái mới nhất của chúng

Hình 1-10: Mô hình đấu nối các đèn LED bên trong đền Giếng

Nhằm nâng cao tính ổn định của hệ thống, giải pháp đưa ra là hệ thống sử dụng

cả đường truyền có dây và đường truyền không dây Đường truyền có dây sử dụng giao tiếp RS-485, một chuẩn giao tiếp được sử dụng phổ biến trong công nghiệp với các ưu điểm như đơn giản, khoảng cách truyền xa, chống nhiễu tốt, kết nối đa điểm, Trong khi đó đường truyền không dây sử dụng truyền thông LoRa (Long-Range) là một công nghệ mới thích hợp cho các ứng dụng IoT cho khoảng cách truyền xa, tiết kiệm năng lượng, chống nhiễu và bảo mật tốt, Mô hình hệ thống

truyền nhận dữ liệu như Error! Reference source not found

Hình 1-11: Mô hình các giao tiếp truyền nhận giữa thiết bị trong hệ thống

- Tạo sự thoái mái cho khách tham quan

Nhằm khắc phục tình trạng chênh lệnh cường độ ánh sáng bên trong và bên ngoài đền quá lớn, gây ảnh hưởng đến thị giác người tham quan đặc biệt là người già và trẻ nhỏ Giải pháp đưa ra là điều chỉnh cường độ sáng của gian tiếp giáp với sân (tiền bái) có cường độ gần với ánh sáng bên ngoài nhất, sau đó giảm dần vào

trong như mô tả trong Error! Reference source not found

Hình 1-12: Điều khiển thay đổi cường độ cường độ từng gian giảm dần theo

hướng từ ngoài vào trong

Độ rọi bên ngoài do ánh sáng tự nhiên quyết định, tuy nhiên ánh sáng tự nhiên phụ thuộc rất mạnh vào thời điểm trong ngày, vào thời tiết, vào mùa trong năm

và vào địa hình xung quanh Do đó để tạo ra một môi trường chiếu sáng tối ưu cho nhu cầu tham quan, thờ cúng, cần phải đặt ra các kịch bản phù hợp với từng tình huống khác nhau

- Tăng tính tùy biến bằng cách tạo ra các kịch bản chiếu sáng

Bên cạnh việc điều khiển theo cường độ sáng tự nhiên thì trong những ngày đặc biệt như ngày giỗ tổ Hùng Vương, ngày rằm, ngày mồng một, cũng cần có các kịch bản chiếu sáng riêng biệt, phù hợp với ý nghĩa từng ngày lễ Mỗi ngôi đền ngôi chùa đều có lịch sử và sự tích riêng vì vậy sẽ có các kịch bản chiếu sáng theo yêu cầu người dùng

- Nâng cao hiệu quản vận hành hệ thống

Ngoài ra hệ thống được xây dựng với mục đích hỗ trợ quản lý, giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng khu vực Đền Giếng Hệ thống là một phần trong hệ thống quản lý tập trung của cả khu di tích Đền Hùng giúp tăng cường khả năng điều hành, giảm nhân sự vận hành hệ thống, và giúp tiết kiệm năng lượng Đây cũng là nội dung nghiên cứu chính tác giả thực hiện ở trong luận văn này

1.3.2 Định hướng nghiên cứu của luận văn

Sau khi đã cùng nhóm thực hiện đề tài khảo sát thực tế từ đó phân tích thiết kế các bòng đèn đặc thù và đưa ra sơ đồ bố trí lắp đặt Tác giả đã đưa ra mô hình hệ

thống chiếu sáng phù hợp cho khu vực Đền Giếng như Error! Reference source

not found

Phân loại theo trạng thái của đèn, lớp thiết bị chấp hành trong hệ thống chiếu sáng có thể chia làm 2 loại:

- Thiết bị điều khiển các đèn 2 trạng thái (tạm gọi là thiết bị điều khiển On/Off)

- Thiết bị điều khiển có khả năng thay đổi cường độ (tạm gọi là thiết bị điều khiển Dimming)

Ngoài ra hệ thống cũng cần thiết bị trung tâm giúp quản lý tập trung các thiết

bị điều khiểu chiếu sáng trực tiếp bên dưới

Hình 1-13: Mô hình hệ thống điều khiển chiếu sáng

Trong đó:

❖ Thiết bị điều khiển tập trung hệ thống chiếu sáng: có chức năng chính là

điều khiển các thiết bị chấp hành bên dưới cũng như kết nối và trao đổi thông tin với phần mềm tại phòng điều khiển trung tâm Ngoài ra thiết bị có khả năng tự động điều khiển chiếu sáng theo kịch bản được lưu trong bộ nhớ

❖ Thiết bị điều khiển chấp hành bao gồm:

• Thiết bị điều khiển đóng cắt ON/OFF: Dùng cho bóng và cụm bóng đèn LED thanh, LED bảng và LED công suất

• Thiết bị điều khiển Dimming: Dùng cho đèn được chế tạo đặc thù cho khu Di tích lịch sử Đền Hùng là đèn bánh trưng, đèn bánh dày và đèn hoa sen

❖ Phần mềm điều khiển: được thế kế nhằm thuận tiện cho việc quản lý giám

sát tập trung với các chức năng theo dõi trạng thái trạng thái đèn, lấy thông số dòng điện, điện áp và công suất tổng trên từng gian, điều khiển chiếu sáng theo kịch bản, đặt lịch cho chiếu sáng tự động,

Từ mô hình hệ thống và các giải pháp được đưa ra, các yêu cầu đặt ra cho hệ thống chiếu sáng:

• Hệ thống được điều khiển và giám sát thông qua phần mềm đặt tại phòng điều khiển trung tâm Hệ thống chiếu sáng là một phần trong hệ thống quản lý tâm trung của di tích Đền Hùng bên cạnh quản lý giao thông, cảnh báo cháy rừng, bảo tàng ảo,

• Hệ thống đảm bảo có thể điều khiển bật tắt đèn theo hai cách bằng tay (cho các nhân viên tại đền) thông qua công tắc và bằng phần mềm (cho người quản lý)

• Hệ thống được thiết kế thuận lợi trong quá trình sửa chữa bảo dưỡng

• Trong trường hợp mất kết nối với phần mềm giám sát, hệ thống có chức năng điều khiển tự động chiếu sáng theo kịch bản lưu trên thiết bị

• Hệ thống có khả năng theo dõi trạng thái các bóng liên tục cũng như các thông số điện áp, dòng điện và công suất

Đây cũng là cơ sở để tiếp tục xây dựng hệ thống sẽ được trình bày cụ thể ở chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG

Trên cơ sở ý tưởng và giải pháp chiếu sáng đặt ra cho hệ thống như đã nêu

ở phần trước Nội dung chương II sẽ trình bày mô hình tổng quát của hệ thống chiếu sáng áp dụng tại Đền Giếng Từ đó tác giả sẽ phân tích thiết kế phần cứng các loại thiết bị có trong hệ thống

2.1 Xây dựng mô hình hệ thống chiếu sáng

Trên cơ sở khảo sát và phân tích kiến trúc đền Giếng như trong mục 1.3, sơ đồ

bố trí chiếu sáng như Error! Reference source not found

Hình 2-1: Sơ đồ phân bố chiếu sáng bên trong Đền Giếng

Bên trong đền có thể chia ra làm ba khu vực điều khiển chính:

❖ Lớp nhà ngoài (tiền bái) do là khu vực chuyển tiếp giữa bên trong và bên

ngoài vì vậy ánh sáng tại đây phải có độ rọi cao để mắt kịp thích ứng khi khách tham quan di chuyển Đây cũng là khu vực có diện tích lớn nhất nên phương án sử dụng đèn “LED thanh” với góc chiếu rộng để chiếu sáng chung và đặt ở các vị trí thấp hắt lên phía trên Bố trí như vậy vừa giảm tối đa sự chói lóa so với việc sử dụng các đèn sợi đốt, huỳnh quang hay compact chiếu xuống và chiếu ngang như hiện tại mà vẫn đảm bảo việc phân bố sáng

❖ Lớp nhà giữa (phương đình) với thiết kế lấy sáng hai gian nên đây là khu

vực rất khó kiểm soát về độ rọi Điều khiển chiếu sáng vừa phải đảm bảo cân bằng

ánh sáng không gian tổng thể, vừa không tạo cảm ức chế mắt do chênh lệch sáng

từ hai bên ô thoáng (sân trời)

❖ Hai lớp nhà trong cùng (hậu cung + chuôi vồ) nơi có Giếng Ngọc nằm

phía trước bàn thờ các Công chúa thời Hùng Vương Nguồn sáng duy nhất là từ ô thoáng phía trên Giếng Ngọc do vậy không gian bên trong thường thiếu sáng Phương án điều khiển chiếu sáng cho lớp nhà này nhằm mục đích tôn lên tính mỹ thuật của các pho tượng và nội thất, đồng thời không lấn áp ánh sáng tự nhiên từ trên mái chiếu xuống Giếng Ngọc

Đối với không gian bên ngoài đền, việc chiếu sáng chỉ để sử dụng vào ban đêm, lúc trời tối với hai mục tiêu khác nhau, trang trí và chiếu sáng chung Do vậy phần mái và sân vườn cũng sẽ được điều khiển tách biệt

❖ Mái nhà được chiếu sáng với mục đích trang trí làm nổi bật hình khối kiến

trúc Đền Giếng vào đêm

❖ Sân đền sẽ tập trung vào chiếu sáng khuôn viên và lối đi cho khách tham

quan

Ngoài ra, các khu vực sẽ khác nhau về số lượng đèn, kiểu dáng đèn, vị trí lắp đặt cũng như mục đích chiếu sáng Chi tiết phân chia cụm và thông số từng loại đèn được trình bày trong Bảng 2-1

Bảng 2-1: Phương án cụm đèn cho từng khu vực chiếu sáng Đền Giếng

STT KHU VỰC ĐÈN SỬ DỤNG

TỔNG CÔNG SUẤT

PHƯƠNG

ÁN ĐIỀU KHIỂN

A Bên trong nhà

I Gian ngoài 294W

- Cửa vào 08 LED thanh 1.2m (10W) 80W

điều khiển on/off

- Ô chính giữa 01 LED đài sen 70W 70W dimming

cường độ, vô cấp

- 02 Ô thoáng 06 LED thanh 1.2m (mỗi ô

- 02 Ô thờ 02 LED bánh chưng 70W 140W dimming

cường độ, vô cấp

B Bên ngoài nhà

điều khiển on/off

Mái nhà gian thờ

(chuôi vồ)

04 Đèn LED pha 10W + 4 LED thanh 1,2m 10W

Từ bảng trên có thể tóm tắt các cụm trong từng gian như sau:

- Gian ngoài (tiền bái): gồm 4 cụm điều khiểu On/Off

- Gian giữa (phương đình): gồm 2 cụm điều khiểu On/Off + 1 cụm điều khiển Dimming

- Gian giếng (hậu cung): gồm 2 cụm điền khiển Dimming

- Mái nhà: gồm 4 cụm điều khiểu On/Off

- Sân đền: gồm 1 cụm điều khiểu On/Off

Hình 2-2: Sơ đồ phân bố thiết bị theo từng khu vực

2.2 Thiết kế thiết bị điều khiển trung tâm

2.2.1 Định hướng thiết kế và ứng dụng

Thiết bị được chế tạo với mục đích điều khiển các thiết bị chấp hành và trao đổi thông tin với phần mềm điều khiển Trong một số trường hợp, thiết bị có thể

tự động hoạt động độc lập theo các kịch bản chiếu sáng đã được lưu trên thiết bị

Một số yêu cầu đặt ra khi thiết kế:

• Thiết bị kết nối với phần mềm điều khiển theo giao thức TCP/IP, trong đó thiết bị đóng vai trò Server còn phần mềm đóng vai trò Client

• Sử dụng song song chuẩn giao tiếp RS-485 và truyền thông không dây LoRa

để nâng cao ổn định hệ thống Băng tần miễn phí cấp phép được khuyến nghị dùng trong mạng LPWAN là 433MHz đối với khu vực Châu á [5]

• Thiết bị được yêu cầu hoạt động liên tục, ổn định 24/7

• Thiết bị có chức năng thời gian thực để điều khiển theo kịch bản được chính xác

2.2.2 Sơ đồ chức năng của thiết bị

Thiết bị điều khiển trung tâm có cấu trúc cơ bản như Hình 2-3:

Hình 2-3: Sơ đồ cấu trúc chức năng của thiết bị điều khiển trung tâm

Như trình ở trên, thiết bị bao gồm 5 khối với các chức năng khác nhau:

• Giao tiếp Ethernet: thực hiện giao tiếp TCP/IP với phần mềm

• Giao tiếp RS-485: chuyển mức tín hiệu 5V-TTL sang RS-485 và ngược lại

• Truyền thông không dây LoRa

• Khối điều khiển trung tâm: thực hiện truyền nhận dữ liệu với cả ba phương thức giao tiếp Ethernet, RS-485 và LoRa

• Khối thời gian thực: có chức năng đảm bảo thời gian điều khiển theo kịch bản được lưu trên thiết bị trong chế độ hoạt động độc lập Ngoài ra mỗi khi kết thúc một ngày hoặc có phần mềm kết nối, thời gian sẽ được thiết lập lại theo thời gian trên máy tính

2.2.3 Thiết kế mạch phần cứng

2.2.3.1 Khối giao tiếp Ethernet

Để kết nối giữa thiết bị trung tâm với phần mềm điều khiển, chip W5100 được lựa chọn bởi khả năng hoạt động ổn định, hiệu suất cao, phù hợp cho các ứng dụng nhúng

Chip W5100 được sản xuất bởi hãng WIZnet được thiết kế thực hiện kết nối Internet mà không cần hệ điều hành W5100 có 80 chân, hoạt đọng tốc độ truy xuất trên cổng đạt tới 10/100Mbps, bộ đệm RX/TX bên trong lên đến 16 Kbyte Ngoài ra W5100 tuân theo tiêu chuẩn IEE 802.3 10BASE-T và 802.3u 100BASE-TX Ngoài giao thức TCP chip cũng như hộ trợ nhiều loại giao thức khác nhau như: UDP, PPPoE, IPv4 ARP, thông qua các thanh ghi Socket TCP

Hình 2-4: Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của chip W5100 [6]

Hình 2-6: Sơ đồ kết nối đường truyền RS-485 [7]

Để thực hiện giao tiếp RS-485 giữa các thiết bị trong mạng, thiết bị sử IC chuyển đổi tín hiệu TTL sang RS-485 Chip SN65HVD82 của hãng Texas Instruments do tính ổn định cao thường sử dụng nhiều trong công nghiệp, giá cả

và nhiều thông số phù hợp khác

SN65HVD82 hoạt động ở với nguồn cấp 4,5- 5V, thực hiện giao tiếp RS-485 theo kiểu bán song công (half-duplex) với tốc độ truyền nhận lên đến 250-kbps

Sơ đồ chân của SN65HVD82 loại 8 chân SOIC:

Hình 2-7: Sơ đồ chân của chip SN65HVD82 [8]

Bảng chức năng các chân

Bảng 2-2: Chức năng các chân của chip SN65HVD82

Chân Dạng Mô tả chức năng

Tên Ký hiệu

A 6 Bus I/O Truyền và nhận tín hiệu (dây B)

B 7 Bus I/O Truyền và nhận tín hiệu (dây B)

D 4 Đầu vào số Đầu vào dữ liệu điều khiển nối với

Sơ đồ mạch nguyên lý

Hình 2-8: Sơ đồ mạch nguyên lý khối chức năng RS-485

2.2.3.3 Khối truyền thông không dây LoRa

Hiện nay với sự bùng nổ cách mạng công nghiệp 4.0 cùng với sự phát triển nhanh chóng của Internet vạn vật (IoT) đã có rất nhiều giải pháp công nghệ truyền

dữ liệu không dây được ứng dụng như Bluetooth, Zigbee, Z-ware, Neul, Lipi, Theo nghiên cứu của nhóm tác giả Kais Mekki về các mạng diện rộng năng lượng thấp LPWAN quy mô lớn thì Sigfox, LoRa và NB-IoT là ba công nghệ được ứng dụng phổ biến nhất vì những ưu điểm về tuổi thọ pin, dung lượng và giá thành [9] Bảng so sánh chi tiết ba công nghệ được thể hiện trong Bảng 2-3

Bảng 2-3: So sánh ba công nghệ SigFox, LoRa và NB-IoT

Tần số Chưa được đăng ký Tần số LTE

Băng thông 100Hz 250kHz và 125KHz Tần số 2G/3G/4G Tốc độ truyền 100 bps 50 kbps 200 kbps

Kích thước gói tin tối đa 12 byte (UL),

Phát triển mạng riêng Không có Không

Giá thiết bị đầu cuối Rất thấp Thấp Trung bình

Giá mua dải tần Miễn phí Miễn phí Tùy thuộc nhà mạng

chi phí triển khai, cho phép phát triển mạng riêng biệt và có khả năng mở rộng hệ thống

Trên thị trường có rất nhiều loại module truyền thông LoRa, có thể chia làm hai loại chính là module giao tiếp UART sử dụng tập lệnh AT riêng và module giao tiếp SPI lập trình trực tiếp trên thanh ghi chip LoRa (SX1276/7/8) Mạch thu phát RF Ra-02 của hãng AI-thinker được lựa chọn vì bên trong module chỉ sử dụng chip SX1278 của nhà sản xuất SEMTECH do đó có thể thay đổi nhiều thông số quan trọng như hệ số trải phổ (SF), băng thông, tần số hoạt động, công suất phát

và tỉ lệ khung bản tin truyền,…

Mạch thu phát Ra-02 sử dụng giao tiếp SPI, có thiết kế nhỏ gọn dạng module giúp dễ dàng tích hợp trong các thiết kế mạch, mạch được thiết kế và đo đạc chuẩn

để có thể đạt công suất và khoảng cách truyền xa nhất, ngoài ra mạch còn có chất lượng linh kiện và gia công tốt cho nên có độ bền cao và khả năng hoạt động ổn định

Hình 2-9: Sơ đồ chân mạch Lora Ra-2 [10]

Thông số kỹ thuật của module:

Hình 2-10: Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông Lora 2.2.3.4 Khối điều khiển trung tâm

Khối xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển Atmega2560, đây là một vi điều khiển có hiệu năng mạnh, thích hợp cho việc kết nối và xử lý thông tin theo như yêu cầu của thiết bị

Atmega2560 là một chíp vi điều khiển được sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ MegaAVR có sức mạnh hơn hẳn các dòng Atmega cũ trước nó Atmega2560 là một bộ vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC, bộ nhớ chương trình 64KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần, chíp có 4KB EEPROM, 2KB SRAM – một

bộ nhớ RAM lớn trong nhóm vi xử lý 8 bit

Hình 2-11: Hình ảnh thực tế của chip Atmega 2560 [11]

Vi điều khiển Atmega2560 với 54 chân hoạt động trong một dải điện áp rộng (1.8V – 5.5V), có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra I/O, 32 thanh ghi, 4 bộ timer/counter có thể lập trình, có các ngắt nội và ngoại (2 lệnh trên một bị 52 vector ngắt) Giao thức truyền thông của chip bap gồm: USART, SPI, I2C Ngoài ra IC còn sử dụng bộ biến đổi số - tương tự 10 bit (ADC/DAC) mở rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế độ rộng xung (PWM), hỗ trợ bootloader

Thông số kỹ thuật

Bảng 2-4: Bảng thông số kỹ thuật Atmega 2560

Vi điều khiển Atmega 2560

Điện áp đầu vào đề nghị 7 - 12 V Điện áp vào (giới hạn) 6 - 20V Phạm vi nhiệt độ hoạt động -400C đến 800C

Số ngõ vào/ra dạng tín hiện số 54

Dòng điện DC trong mỗi chân vào/ra số 40mA

Dòng điện chân nguồn 3.3V 50mA

2.2.3.5 Khối thời gian thực

Hình 2-13: Sơ đồ chân DS1307 loại 8-pin

Trong bài toán này, IC thời gian thực được lựa chọn là DS1307 Đây là một IC tích hợp cho thời gian bởi vì tính chính xác về thời gian DS1307 là chế tạo bởi Dallas Chip này có 7 thanh ghi 8 bit mỗi thanh ghi này chứa : Thứ , ngày, tháng, năm, giờ , phút, giây Ngoài ra DS1307 còn chứa 1 thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ và 56 thanh ghi trống các thanh ghi này có thể dùng như là RAM DS1307 được đọc thông qua chuẩn truyền thông I2C nên do đó để đọc được và ghi từ DS1307 thông qua chuẩn truyền thông này Do nó được giao tiếp chuẩn I2C nên cấu tạo bên ngoài nó rất đơn giản Hình 2-13 và Hình 2-14 thể hiện sơ đồ chân và

sơ đồ khối của DS1307

Hình 2-14: Sơ đồ khối của DS 1307 [12]

Hình 2-15 thể hiện sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực được thiết kế Nguồn cung cấp của khối thời gian thực là nguồn 5VDC Để duy trì hoạt động liên tục của khối thời gian thực ta sử dụng nguồn pin dự phòng CR2032-3V Khi DS1307 hoạt động bằng nguồn dự phòng, nó sẽ không còn khả năng ghi/đọc các thanh ghi nữa, nguồn Pin này chỉ được dùng cung cấp cho bộ dao động bên trong chip chạy

Hình 2-15: Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực

Mạch sử dụng thạch anh ngoài 32,768kHz là nguồn tạo dao động cho IC Các chân sử dụng trong giao tiếp giữa DS1307 với vi điều khiển được sử dụng điện trở kéo lên (10k) theo đúng khuyến cáo của chuẩn giao tiếp I2C nối và được với nguồn cung cấp chứ không nối với nguồn dự phòng Sử dụng tụ Bypass nhỏ C34 = 100nF

để thực hiện lọc nhiễu cao tần cho nguồn cung cấp IC

Hình 2-16 là bản vẽ 3D và mạch in thiết kế lớp Top và Bottom của thiết bị điều khiển trung tâm

Hình 2-16: Bản vẽ 3D và mạch in thiết bị điều khiển trung tâm

2.3 Thiết kế thiết bị điều khiển On/Off

2.3.1 Định hướng thiết kế và ứng dụng của thiết bị

Thiết bị được chế tạo với mục đích điều khiển các thiết bị đèn hai trạng thái Ngoài ra, thiết bị có chức phát hiện dòng điện trên từng nhánh và gửi trả thông tin phản hồi về trạng thái đèn về bộ điều khiển trung tâm mỗi khi có thay đổi

Từ đó đặt ra một số yêu cầu cho thiết bị:

• Thiết bị có khả năng đo các thông số điện cơ bản như đòng điện, điện áp, công suất

• Thiết bị có khả năng phát hiện dòng điện trên từng nhánh

• Sử dụng song song cả đường truyền vật lý RS-485 và đường truyền không dây LoRa

• Thiết bị được yêu cầu hoạt động liên tục, ổn định, có khả năng chống ẩm tốt

2.3.2 Sơ đồ chức năng của thiết bị

Hình 2-17: Sơ đồ các khối chức năng của thiết bị điều khiển On/Off

Thiết bị điều khiển chấp hành gồm các khối chính như sau:

• Khối vi điều khiển: Đảm nhận chức năng điều khiển các rơ-le, đọc tín hiệu từ biến dòng Ngoài ra còn thực hiện giao tiếp với thiết bị và các module bên ngoài

• Khối nguồn nuôi: có ba mức điện áp yêu cầu là 12V, 5V và 3.3V Điện áp 12V dùng để điều khiển đóng cắt rơ-le Điện áp 5V và 3.3V để cung cấp điện áp hoạt động cho vi điều khiển và các IC khác có trong mạch

• Khối truyền thông RS-485: Thực hiện truyền nhận bản tin với thiết bị điều khiển trung tâm

• Khối điều khiển rơ-le: có chức năng đóng cắt dòng điện cung cấp cho đèn, phát hiện dòng điện trên từng nhánh, phục vụ cho điều khiển, đồng thời giúp phát hiện cháy bóng

• Khối module đo điện áp, dòng điện và công suất tổng trên các cụm đèn trên thiết bị

2.3.3 Thiết kê phần cứng

2.3.3.1 Module đo dòng, áp và công suất tiêu thụ

Để đo các thông số điện năng AC tác giả đã lựa chọn module PZEM-004T đáp ứng được yêu cầu đặt ra

Hình 2-18: Module PZEM004T đo điện áp, dòng điện và công suất

PZEM-004T là module đo điện AC đa năng được sử dụng để đo và theo dõi các thông số về điện năng AC của mạch điện như điện áp hoạt động, dòng tiêu thụ, công suất và năng lượng tiêu thụ Module sử dụng giao tiếp UART dễ dàng kết nối truyền dữ liệu tới vi điều kiển

Thông số kỹ thuật :

• Điện áp đo và hoạt động: 80 ~ 260VAC / 50 – 60Hz, sai số 0.01

• Dòng điện đo và hoạt động: 0 ~ 100A, sai số 0.01

• Công suất đo và hoạt động: 0 ~ 26000W

• Năng lượng đo và hoạt động: 0 ~ 9999kWh

• Giao tiếp UART mức logic TTL 5VDC baudrate mặc định 9600, 8, 1

• Có opto cách ly an toàn giữa mạch đo và mạch nhận tín hiệu UART

• Lưu giữ thông số năng lượng tiêu thụ trong bộ nhớ

• Có nút Reset, nhấn giữ 5 giây để xóa các thông số về 0

Sơ đồ kết nối như Hình 2-19:

Hình 2-19: Sơ đồ đo trên thiết bị 2.3.3.2 Khối điều khiển rơ-le

Khối điều khiển rơ-le có chức năng đóng cắt dòng điện cung cấp cho các cụm đèn Để điều khiển chính xác thiết bị sử dụng biến dòng để phát hiện dòng điện trước mỗi lần điều khiển

Hình 2-20: Hình ảnh Relay JQC-3FF-12VDC-1ZS

Trong bài toán này, Relay được dùng để điều khiển đèn chiếu sáng LED công suất từ vài chục wat đến vài trăm Wat Do đó, tác giả lựa chọn thiết bị chấp hành Rơle JQC-3FF-12VDC-1ZS có khả năng đóng cắt dòng 10A (Hình 2-20) Sơ đồ nguyên lý của khối chấp hành thể hiện trong Hình 2-21

Sơ đồ mạch nguyên lý

Hình 2-21: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển Relay

Trong mạch sử dụng ULN2803 là một vi mạch đệm, bản chất cấu tạo là các mảng darlington chịu được dòng đện lớn và điện áp cao, trong đó có chứa 8 cặp transistor NPN ghép darlington cực góp hở với cực phát chung Mỗi kênh của ULN2803 có một diode chặn có thể sử dụng trong trường hợp tải có tính cảm ứng ULN2803 có khả năng điều khiển 8 kênh riêng biệt, có thể nối trực tiếp với vi điều khiển 5V Bên cạnh đó, mỗi kênh của ULN2803 có thể chịu được dòng điện lớn trong một khoảng thời gian dài lên tới 500mA với biên độ đỉnh lên tới 600mA

Hình 2-22: sơ đồ chân linh kiện UNL 2803

Thông số kỹ thuật

- Điện áp Vcc max: 50V

- Điện áp đầu vào: <5V

- Dòng điện chân C: 500mA

- Tổng dòng điện chạy chân âm: -2.5A