Nghiên cứu xây dựng hệ thống tiết kiệm điện năng chiếu sáng ứng dụng mạng sensor không dây

Bộ công thơng
viện điện tử tin học








báo cáo tổng kết đề tài kh&cn cấp bộ

nghiên cứu xây dựng hệ thống
tiết kiệm điện năng chiếu sáng
ứng dụng mạng sensor không dây

Mã số: 187. 08RD/HĐ-KHCN

chủ nhiệm đề tài: ths. Trần văn tuấn

7171
17/3/2009

Hà nội - 2008










KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH VÀ PTCN
CẤP BỘ NĂM 2008
Đề tài:

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG
HỆ THỐNG TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG CHIẾU SÁNG
ỨNG DỤNG MẠNG SENSOR KHÔNG DÂY
Mã số: 187.08RD/HĐ-KHCN

Chủ nhiệm đề tài: Ths. Trần Văn Tuấn

Hà Nội-12.2008

BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
o0o





KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH VÀ PTCN
CẤP BỘ NĂM 2008
Đề tài:

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG
HỆ THỐNG TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG CHIẾU SÁNG
ỨNG DỤNG MẠNG SENSOR KHÔNG DÂY
Mã số: 187.08RD/HĐ-KHCN

Chủ nhiệm đề tài: Ths. Trần Văn Tuấn



Cán bộ tham gia:
ThS. Trần Văn Tuấn
KS. Tạ Văn Nam

ThS. Nguyễn Tuấn Nam
KS. Bùi Đức Thắng
ThS. Phạm Thùy Dung




Hà Nội 2008

BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
o0o
ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

1

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Mục tiêu của đề tài:
Tạo ra một nền tảng phần cứng và phần mềm cho các mạng sensor kết hợp thiết bị
chấp hành trong hệ thống quản lý điều khiển chiếu sáng
Tình hình nghiên cứu trong nước:
Ở Việt Nam, điện năng chiếu sáng chiếm một tỉ lệ lớn trong điện năng tiêu thụ.
Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo các phần tử cũng như tích hợp hệ thống tiết kiệm điện
chiếu sáng là rất cần thiết.
Qua tìm hiểu chúng tôi nhận thấy, việc ứng dụng công nghệ điều khiển chiếu sáng
đã được một số đơn vị ứng dụng thành công. Song dưới góc độ nghiên cứu thiết kế chế
tạo thiết bị dạng rời và tích hợp thành hệ thống thì chưa có đơn vị nào thực hiện
Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài:
Tiết kiệm điện năng, đặc biệt là điện năng chiếu sáng là một trong những vấn đề

đang được toàn cầu quan tâm. Việc tiết kiệm điện năng được tập trung chủ yếu ở mức
thiết bị và mức hệ thống. Các giải pháp điều khiển chiếu sáng đang được tích cực
nghiên cứu và phát triển bao gồm hoàn thiện về công nghệ đèn chiếu sáng, công nghệ
chấn lưu điện tử cho đến các mạng điều khiển chiếu sáng. Các mạng điều khiển chiếu
sáng có thể sử dụng các bus truyền thông riêng như của GE, Honeywell, Lutron, …
truyền trên đường dây điện hay mới đây hơn là truyền thông không dây. Một hệ thống
điều khiển chiếu sáng bao gồm các phần tử sau:
- Phần tử chấp hành (đèn, rơle, chấn lưu,…) có thể kết nối thành mạng
- Bộ điều khiển
- Phần mềm quản lý giám sát
Phương pháp nghiên cứu:
- Tập trung vào chế tạo các cụm thiết bị
- Áp dụng các công nghệ mới nhất về truyền thông không dây, sensor không
dây,…
- Lựa chọn thích hợp các module phần cứng dạng OEM
- Thiết kế và phản biện thiết kế
Nội dung chính:
- Nghiên cứu thiết kế chế tạo các nút sensor/actuator không dây cho hệ quản lý
điều khiển chiếu sáng
- Tạo dựng hệ firmware chuẩn cho mạng sensor/actuator không dây cho hệ quản
lý điều khiển chiếu sáng
- Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển tập trung cho hệ quản lý điều khiển chiếu
sáng

ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

2

- Nghiên cứu xây dựng giải pháp điều khiển chiếu sáng ứng dụng cho các phân
xưởng sản xuất, tòa nhà …

ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

3

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU
SÁNG MỚI NHẤT 1
1.1 VAI TRÒ CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG GIẢI PHÁP CHIẾU SÁNG
HIỆN ĐẠI Ở VIỆT NAM 1
1.2 KHẢO SÁT CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG MỚI NHẤT 3
1.2.1 Các hệ điều khiển chiếu sáng mới nhất 3
1.2.2 Cấu trúc của hệ điều khiển chiếu sáng dạng tập trung 6
1.2.3 Các phần tử chấp hành 7
1.2.4 Các sensor (cảm biến) 8
1.2.5 Điều khiển chiếu sáng 10
1.3 TỔNG QUAN CÁC BUS GIAO TIẾP CHO MẠNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG 11
1.3.1 Mạng 1-wire 13
1.3.2 Mạng MODBUS 13
1.3.3 ZIGBEE 14
1.3.4 DALI 16
1.4 MẠNG SENSOR KHÔNG DÂY VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG VÀO HỆ ĐIỀU KHIỂN
CHIẾU SÁNG 19
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU
SÁNG 21
2.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 21
2.2 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG DTC 26
2.3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO NÚT SENSOR/ACTUATOR KHÔNG DÂY mLCP-8 28
2.4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO NÚT TOUCHLIGHT (công tắc điều khiển dạng cảm ứng) 30
2.5 THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC NÚT SENSOR 31

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU
SÁNG 33
3.1 CÔNG CỤ VÀ MÔI TRƯỜNG PHÁT TRIỂN 33
3.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 34
3.3 PHẦN MỀM TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 38
3.3.1 Stack Zigbee 38
3.3.2 Hệ điều hành hướng sự kiện (event driven scheduler) 40
3.4 PHẦN MỀM ỨNG DỤNG CÁC NÚT 42
3.5 PHẦN MỀM TRÊN BỘ ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG DTC 45
3.5.1 Tổng quát phần mềm trên DTC 45
3.5.2 Giao diện sử dụng trên DTC 46
3.6 PHẦN MỀM CHO MẠNG SENSOR/ACTUATOR KHÔNG DÂY TRÊN mLCP-8 54
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC, GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG VÀ THỬ
NGHIỆM HỆ THỐNG 57
4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 57
4.2 MỘT SỐ GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG 59
4.3 THỬ NGHIỆM 62

ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

4

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO 67
PHỤ LỤC 69

ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

5

MỤC LỤC CÁC HÌNH

Hình 1: Điều khiển đóng cắt đơn giản 4
Hình 2: Điều khiển chiếu sáng lập trình được (dạng panel đơn) 4
Hình 3: Hệ thống chiếu sáng của DOUGLAS 5
Hình 4: Hệ thống chiếu sáng của Hubbell 5
Hình 5: Mô hình một hệ điều khiển chiếu sáng 6
Hình 6: Biến tử phát hiện người PIR 9
Hình 7: Sensor đo độ sáng 9
Hình 8: Lưu đồ mạng IBECS sử dụng công nghệ 1-wire 13
Hình 9: Giao thức MODBUS tương ứng với lớp 7 của mô hình OSI 14
Hình 10: Kiến trúc phân lớp của ZigBee 15
Hình 11: Mạng hình sao và mạng mắt lưới của ZigBee 16
Hình 12: Sơ đồ mạng DALI gồm chấn lưu và thiết bị điều khiển độ sáng 17
Hình 13: Mô hình hệ thống điều khiển chiếu sáng của thiết kế 22
Hình 14: Các nút sẽ thiết kế 24
Hình 15: Sơ đồ một hệ thống mở rộng 25
Hình 16: Sơ đồ khối bộ DTC 27
Hình 17: Sơ khối module Wireless 27
Hình 18: Sơ đồ tổng quát của một panel điều khiển tại chỗ(Douglas) 28
Hình 19: Sơ đồ mạng các panel (Douglas) 29
Hình 20: Sơ đồ khối của nút mLCP-8 30
Hình 21: Sơ đồ khối của nút TouchLight 31
Hình 22: Sensor phát hiện người 31
Hình 23: Sơ đồ khối của nút sensor không dây 32
Hình 24: Mô hình của hệ thống 34
Hình 25: Phần mềm master và slave 35
Hình 26: Mô hình master/slave 36
Hình 27: Mô hình phân lớp ISO-OSI 38
Hình 28: Một nút zigbee bao gồm phần cứng và phần mềm các phần mềm được phân theo

từng lớp khác nhau 39
Hình 29: Chức năng các nút trong mạng Zigbee 39
Hình 30: Phân vai trò cho các nút trong mạng 40
Hình 31: Gọi hàm đồng bộ và gọi hàm dị bộ 41
Hình 32: Chu trình thực hiện của chương trình 41
Hình 33: Các thành phần của TinyOS 42
Hình 34: Endpoint trong Zigbee 42
Hình 35: Có thể gán các thiết bị cho các Endpoint 43
Hình 36: Bảng kết nối các phần tử 43
Hình 37: Quy trình khởi tạo và gán các liên kết 44
Hình 38: Cấu trúc phần mềm trên DTC 45
Hình 39: Màn hình giao diện chính trên DTC 47
Hình 40: Màn hình cài đặt lịch trình điều khiển 47
Hình 41: Lưu đồ cài đặt lịch trình điều khiển 48
Hình 42: Màn hình cài đặt nhóm 49
Hình 43: Lưu đồ cài đặt nhóm 49
Hình 44: Màn hình cài đặt đầu vào 50
Hình 45: Lưu đồ thiết lập Switch Station 50
Hình 46: Lưu đồ lập trình các sensor 51
Hình 47: Cài đặt hệ thống 51
Hình 48: Lưu đồ cài đặt hệ thống 52
Hình 49: Cài đặt các chức năng 53

ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

6

Hình 50: Lưu đồ cài đặt một số chức năng 54
Hình 51: Phần mềm khối quản lý trung tâm trên mLPC-8 55
Hình 52: Máy trạng thái giao diện của mLPC-8 56

Hình 53: Hộp DTC 57
Hình 54: Bên trong hộp DTC 57
Hình 55: Hộp mLCP-8 58
Hình 56: Bo mạch Relay Scanner 1 (mạch của mLCP-8) 58
Hình 57: Bo mạch Relay Scanner 2 (mạch của mLCP-8) 58
Hình 58: Nút công tắc cảm ứng TouchLight 59
Hình 59: Các sensor không dây 59
Hình 60: αPanel 64
Hình 61: βPanel 65


ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

7

MỤC LỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Ước lượng tỉ lệ năng lượng tiết kiệm được khi dùng cảm biến phát hiện người 9
Bảng 2: Bảng tổng hợp hiệu quả sử dụng điều khiển chiếu sáng 11
Bảng 3: Bảng tổng hợp giao thức của một số hệ chiếu sáng thương mại (hữu tuyến) 12
Bảng 4: So sánh giữa các chuẩn RF 15
Bảng 5: Những đặc tính chính của mạng Dali 17
Bảng 6: So sánh một số mạng truyên thông 18
Bảng 7: Bảng phân chia chức năng cho các nút 23
Bảng 8: Bảng tổng hợp phần mềm 37
Bảng 9: Bảng các cấu trúc các logic điều khiển của hệ thống 46


ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

1

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT CÁC HỆ ĐIỀU
KHIỂN CHIẾU SÁNG MỚI NHẤT
1.1 VAI TRÒ CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG TRONG GIẢI PHÁP
CHIẾU SÁNG HIỆN ĐẠI Ở VIỆT NAM
Theo số liệu thống kê, với dân số 85 triệu người, cả nước ta đang sử dụng khoảng
55 đến 60 triệu bóng đèn trong chiếu sáng dân dụng. Lượng thiết bị chiếu sáng khổng
lồ này cộng với hệ thống chiếu sáng công cộng khắp trên cả nước tiêu thụ khoảng 20 -
25% tổng công suất của các nhà máy phát điện và có chiều hướng gia tăng khoảng 10 -
15% hàng năm. Trong khi đó, hiện nay ngành điện Việt Nam chưa cung cấp đủ nhu
cầu sử dụng của xã hội và vẫn phải nhập khẩu điện từ Trung Quốc. Tập đoàn điện lực
Việt Nam luôn phải khắc phục sự thiếu hụt điện năng bằng cách cắt điện luân phiên
cũng như yêu cầu các hộ tiêu thụ sử dụng điện tiết kiệm. Trước thự tế đó, vấn đề tiết
kiệm điện trong chiếu sáng đã trở nên hết sức cấp thiết và đóng vai trò rất quan trọng
trong việc sử dụng và khai thác hợp lý các tài nguyên thiên nhiên của đất nước, góp
phần bảo vệ môi trường.
Để giảm bớt năng lượng điện trong chiếu sáng, cần một giải pháp tổng thể từ
khâu sản xuất và cung ứng các thiết bị chiếu sáng, đến các biện pháp khoa học trong
tiêu dùng, đồng thời giáo dục ý thức tiết kiệm trong cộng đồng Trong các vấn đề
trên, việc nâng cao chất lượng và hiệu quả chiếu sáng và sử dụng nguồn điện năng một
cách hợp lý, tiết kiệm, tránh lãng phí là vấn đề quan trọng nhất và mang tính cấp thiết.
Để thực hiện triệt để việc tiết kiệm điện trong chiếu sáng, ta cần thiết phải thực
hiện đồng bộ 3 yếu tố:
· Sử dụng các loại bóng đèn có hiệu suất chiếu sáng cao để tiết kiệm điện. Các
loại ánh sáng tạo ra từ bóng đèn phải thích hợp, đúng nhu cầu sử dụng. Phương
pháp hiệu quả nhất là thay thế sử dụng bóng đèn sợi đốt, tiêu thụ nhiều điện
năng sang sử dụng bóng đèn huỳnh quang compact có tính năng tiết kiệm điện
80% và độ bền hơn 6 lần so với bóng đèn sợi đốt hoặc sử dụng nhiều chủng loại
đèn huỳnh quang có hiệu suất chiếu sáng cao. Các sản phẩm bóng đèn tiết kiệm

điện có màu sắc phù hợp với thị lực của mắt.
· Hệ thống chiếu sáng phải phân bổ các điểm sáng đồng đều, bảo đảm trên bề
mặt phẳng làm việc một độ rọi đồng đều và đạt tối thiểu từ 300 lux trở lên. Để
đạt được điều này, việc sử dụng một hệ thống máng đèn, chao chụp hợp lý góp
phần phân bổ lại độ sáng trong phòng. Nhưng để đạt được mục đích điều chỉnh
độ sáng theo mục đích sử dụng, theo yêu cầu chiếu sáng như độ sáng cần thiết
trong phòng học, phòng làm việc sẽ khác với độ sáng tại các hành lang, tiền
sảnh, sân vườn, ta cần có một hệ thống điều khiển chiếu sáng sử dụng một hệ
ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

2

thống các sensor đo độ sáng, các bộ điều chỉnh độ sáng (dimmer) đảm bảo môi
trường lao động an toàn, tiết kiệm.
· Cuối cùng là nguồn sáng của bóng đèn cần được sử dụng đúng mục đích, đúng
thời điểm, đúng nhu cầu như chỉ chiếu sáng khi có người sử dụng, tránh lãng
phí, hạn chế các trường hợp hao phí điện năng do người sử dụng quên tắt
đèn,… Do đó, các tòa nhà nên sử dụng một hệ thống điều khiển chiếu (tắt/mở
điều khiển độ sáng) cho phép người dùng đặt các chế độ hoạt động theo từng
nhu cầu sử dụng một cách tự động, giúp giảm thiểu lãng phí điện năng trong sử
dụng. Hệ thống điều khiển chiếu sáng có thể là công tắc điều khiển được định
giờ có thể tự động tắt/mở nguồn sáng hoặc chủ động tắt/mở theo từng nhu cầu
sử dụng như trong quảng cáo, phân xưởng sản xuất vào lúc cao điểm, có thể
hoạt động sử dụng các sensor phát hiện người, vừa tiết kiệm vừa mang lại nhiều
tiện lợi cho người sử dụng.
Hiện nay ở một số doanh nghiệp có ý thức cao trong tiết kiệm điện năng để giảm
chi phí, việc ứng dụng các giải pháp, hệ thống chiếu sáng rất linh hoạt, hiệu quả theo
nhu cầu của sản xuất (giờ cao điểm thì nguồn sáng hoạt động 100% công suất, hết ca
thì hệ thống chiếu sáng được phân vùng cắt cục bộ nhằm tiết kiệm điện). Hệ thống
chiếu sáng công cộng ở những quốc gia phát triển luôn ứng dụng giải pháp điều khiển

chiếu sáng được tự động tắt, mở theo mùa, theo mật độ lưu thông trên đường,…
Như vậy, tiết kiệm điện năng trong chiếu sáng cần được cụ thể hóa từ ý thức tiết
kiệm điện năng đến việc đầu tư, ứng dụng những giải pháp chiếu sáng đồng bộ không
đòi hỏi tính phức tạp và tốn nhiều chi phí. Trong giải pháp tổng thể trên, thành phần
đóng vai trò quan trọng, quyết định mức độ tiết kiệm, hiệu quả, quyết định tính
tiện lợi của hệ thống chiếu sáng chính là hệ thống điều khiển chiếu sáng trong tòa
nhà. Với mục tiêu tiết kiệm điện năng, tránh lãng phí và tận dụng những công nghệ
mới, kỹ thuật điều khiển tiên tiến, hệ thống điều khiển tự động việc sử dụng điện đang
là một giải pháp vừa tiết kiệm điện tối ưu vừa đem lại nhiều lợi ích cho người sử dụng.
Các ưu điểm của hệ thống điều khiển chiếu sáng:
Các nghiên cứu về ứng dụng các hệ thống chiếu sáng trong tòa nhà cho thấy, so
với các hệ chiếu sáng truyền thống chỉ sử dụng điều khiển bằng tay và mức độ tiết
kiệm chỉ phụ thuộc vào ý thức của người sử dụng, không điều chỉnh được cường độ
sáng của bóng đèn trong các bối cảnh khác nhau, giải pháp sử dụng chiếu sáng chuyên
nghiệp, sử dụng hệ thống điều khiển chiếu sáng với các sensor chuyên dụng tỏ ra hơn
hẳn, với các ưu điểm đáng quan tâm như sau:
· Tiết kiệm được năng lượng do sử dụng các sensor phát hiện người, và các bộ
điều chỉnh độ sáng, hạn chế lãng phí do việc quên tắt đèn, do sử dụng nguồn
sáng không đúng mục đích, không đúng nhu cầu chiếu sáng.
ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

3

· Giảm tối thiểu nhu cầu tiêu thụ điện
· Tối đa hóa tính năng và hiệu quả sử dụng các thiết bị chiếu sáng
· Đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng một cách độc lập trong các bối cảnh
khác nhau.
· Góp phần nâng cao năng suất lao động, sức khỏe, thị lực của người khi sinh
hoạt.
· Cải thiện môi trường làm việc, tạo ra một môi trường chiếu sáng tiện nghi và

thân thiện với môi trường (giảm lượng khí CO
2
thải ra môi trường, góp phần
bảo vệ môi trường). Các hệ thống điều khiển chiếu sáng luôn cung cấp đầy đủ
các tính năng điều khiển tự động hoặc bằng tay hoặc kết hợp cả hai kiểu điều
khiển giúp người sử dụng có thể tạo ra một môi trường chiếu sáng theo nhu cầu
của mình.
Với các ưu điểm và lợi ích này, giải pháp sử dụng các hệ điều khiển chiếu sáng
đang dần thay thế các hệ thống chiếu sáng truyền thống, trở thành sự lựa chọn số một
cho các tòa nhà, công sở, trường học, các khu vui chơi công cộng và các hộ gia đình.
1.2 KHẢO SÁT CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG MỚI NHẤT
1.2.1 Các hệ điều khiển chiếu sáng mới nhất
Các hệ điều khiển chiếu sáng có thể được phân ra làm các loại: điều khiển tại
chỗ, điều khiển tập trung và điều khiển hai chiều. Điều khiển tại chỗ cho phép người
sử dụng điều khiển mức độ sáng tại khu vực của mình. Điều khiển tập trung bật tắt đèn
trong một khu vực rộng lớn như một tòa nhà, một tầng hoặc một khu vực ngoài
trời,…Các trạng thái của đèn là không xác định. Đối với điều khiển 2 chiều các chấn
lưu (ballast) sẽ gửi và nhận các thông tin về trạng thái của mình tới bộ điều khiển trung
tâm (có thể là máy tính).
Để đưa ra thiết kế tối ưu của hệ điều khiển chiếu sáng, chúng tôi đã tiến hành
khảo sát, tìm hiểu một số hệ thống chiếu sáng hiện đại hiện nay của DOUGLAS,
LINET, Z-WAVE. …
DOUGLAS cung cấp các hệ điều khiển cho phép điều khiển đóng ngắt tự động
các rơle theo lịch trình thời gian, theo giờ thiên văn học (dựa vào thời gian mặt trời
mặt, mặt trời mọc) theo độ sáng.
ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

4

Hình 1: Điều khiển đóng cắt đơn giản
Các phụ tải chiếu sáng có thể đóng ngắt bằng một switch, switch có thể là một
công tắc gắn tường, một rơle, một đồng hồ thời gian (lịch trình), một sensor phát hiện
người ,…

Hình 2: Điều khiển chiếu sáng lập trình được (dạng panel đơn)
Các bộ Relay Scanners được sử dụng để điều khiển các nhóm rơle lập trình
được, các sensor trong hệ thống đo các điều kiện môi trường như độ sáng, nhiệt độ,
phát hiện người. Các bóng đèn có thể được điều khiển bằng công tắc tại chỗ hoặc bằng
công tắc điều khiển từ xa. Một hệ thống chiếu sáng có thể gồm 1 panel hoặc nhiều
panel cùng kết nối với máy tính thông qua các đường tuyền tín hiệu số. Dưới đây là
mô hình của hệ thống điều khiển chiếu sáng của DOUGLAS :
ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

5


Hình 3: Hệ thống chiếu sáng của DOUGLAS
Hubbell cung cấp một hệ điều khiển chiếu sáng đơn giản và sử dụng các công
nghệ tiên tiến, với một bộ điều khiển sử dụng màn hình điều khiển cảm ứng, thân
thiện, dễ sử dụng. Hệ thống cung cấp sẵn nhiều lịch trình cho phép người sử dụng có
thể soạn thảo theo mục đích sử dụng. Hệ thống cũng có thể hoạt động theo đồng hồ
thiên văn hỗ trợ cho việc lập trình thời gian mặt trời mọc, mặt trời lặn. Các rơle được
phân bố trên các panel khu vực kết nối với từng thiết bị hoặc một nhóm các thiết bị
chiếu sáng. Trạng thái của các rơle trong hệ thống được quan sát thông qua các đèn
LED trạng thái. Dưới đây là mô hình một hệ chiếu sáng của Hubbell.
ZONE 1
ZONE 2
ZONE 3
load 1 load 2 load 3 load 4

load 7 load 8 load 9
load 5 load 6
ZONE 1
ZONE 2
ZONE 3
load 1 load 2 load 3 load 4
load 7 load 8 load 9
load 5 load 6
PANEL No.1 PANEL No.2
Breaker Panel Breaker Panel
(Switch Stations)

Hình 4: Hệ thống chiếu sáng của Hubbell
ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

6

1.2.2 Cấu trúc của hệ điều khiển chiếu sáng dạng tập trung
Qua khảo sát, chúng ta thấy các hệ điều khiển chiếu sáng bao gồm các phần tử:
Bộ điều khiển trung tâm, bộ điều khiển khu vực (tại chỗ), các thiết bị kết nối giữa bộ
điều khiển khu vực với bộ điều khiển trung tâm, các phần tử chấp hành, các sensor,
các công tắc điều khiển được, các công tắc bật tắt bằng tay, … Tùy vào từng yêu cầu
cụ thể mà ta có thể sử dụng các phần tử khác nhau. Dưới đây là mô hình một hệ thống
điều khiển chiếu sáng điển hình.

Hình 5: Mô hình một hệ điều khiển chiếu sáng
Dưới đây, chúng tôi sẽ giới thiệu chi tiết các phần tử thông dụng trong hệ thống
điều khiển chiếu sáng.
ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

7

1.2.3 Các phần tử chấp hành
Các phần tử chấp hành gồm các bóng đèn, các các bộ điều chỉnh độ sáng (loại
triac, transistor )
a) Nguồn sáng.
Có rất nhiều kiểu nguồn sáng khác nhau, hầu hết có thể chia ra làm 3 loại chính:
huỳnh quang, sợi đốt và nguồn sáng cường độ cao (HID). Hiệu suất cực đại trên lý
thuyết (đối với ánh sáng trắng) là 200l/w (lumens trên Watt), cao gấp đôi so với hiệu
suất của những nguồn sáng hiện đang sử dụng.
Đèn huỳnh quang
Hầu hết nguồn sáng trên các tòa nhà, bao gồm cả những phòng thí nghiệm tốt
nhất đều dùng nguồn sáng huỳnh quang. Các đèn kiểu T-8 có hiệu suất lớn hơn 40%
so với các đèn kiểu T-12. Hiệu suất chiếu sáng có thể tăng lên nếu dùng các gương
phản xạ và bố trí làm lệch ánh sáng phát ra từ các ống huỳnh quang trong phòng. Các
gương phản xạ cho phép ta giảm bớt một nửa số nguồn sáng trong phòng, do đó giảm
một nửa chi phí về điện. Tuổi thọ của một bóng đèn huỳnh quang cỡ khoảng 10000
giờ.
Đèn sợi đốt
Các đèn sợi đốt là nguồn sáng chủ yếu cho các hộ dân cư. Chúng tạo ra ánh sáng
nhờ các điện tử chạy qua các dây tóc đèn, các dây này làm bằng tungsten, làm cho các
nguyên tử này chuyển động tới các điểm của nguồn phát sáng, làm nóng dây tóc đèn
lên tới 5000K. Trong bóng đèn chứa không khí với nitro và argon ở áp suất thấp để
bảo vệ dây tóc đèn.
b) Chấn lưu có thể điều chỉnh độ sáng.
Có hai loại chấn lưu điều chỉnh độ sáng phổ biến nhất: một là digital dimmer
(điều chỉnh độ sáng số), hai là analog dimmer (điều chỉnh độ sáng tương tự).
Các chấn lưu điều khiển độ sáng loại analog gồm các thành phần thực thi các
chức năng sau: lọc nhiễu điện từ, điều chỉnh hệ số công suất và điều chỉnh lối ra nuôi
tải. Có một vài loại chấn lưu analog như 0-10VDC, điều khiển hai pha, điều khiển ba

pha và hồng ngoại không dây, trong đó loại 0-10VDC là loại thông dụng nhất.
Loại chấn lưu số gồm các thành phần thực thi các chức năng: lọc nhiễu điện từ,
chỉnh lưu, điều chỉnh hệ số công suất, thực thi chức năng vi điều khiển, điều chỉnh lối
ra nuôi tải. Chức năng vi điều khiển gồm lưu trữ, nhận và gửi thông tin số. Vi điều
khiển lưu địa chỉ ballast, nhận tín hiệu điều khiển và gửi thông tin trạng thái.
Các hệ điều khiển độ sáng loại analog đã trở nên thông dụng trong khi các hệ
điều chỉnh độ sáng loại số còn tương đối mới trong công nhiệp. Cả hai đều cung cấp
ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

8

các chức năng cần thiết để điều khiển tải lối ra dựa trên tín hiệu lối vào từ thiết bị điều
khiển.
1.2.4 Các sensor (cảm biến)
a) Sensor phát hiện người (cảm biến chiếm chỗ)
Các loại sensor phát hiện người khác nhau có độ nhạy và tác động nhanh khác
nhau. Hầu hết các sensor này dùng cảm biến siêu âm hoặc hồng ngoại để bật và tắt ánh
sáng dựa trên sự xuất hiện của người sử dụng. Các sensor hồng ngoại thụ động phát
hiện chuyển động của ánh sáng hồng ngoại phát ra từ người. Các sensor này có giá
thành vừa phải và đáng tin cậy khi có người xuất hiện trong tầm quan sát của sensor,
nhưng nó không quan sát được chuyển động gần và xung quanh các góc. Sensor siêu
âm phát và nhận sóng âm. Nếu có một chuyển động sẽ làm thay đổi tần số sóng âm và
sensor sẽ phát hiện được chuyển động này. Sensor siêu âm có thể phát hiện được
chuyển động không nằm trên đường quan sát của chúng nhưng giá thành đắt hơn và có
thể nhạy với các tác động sai. Ngoài ra cũng có nhiều loại sensor dùng microwave và
sensor âm thanh nhưng các sensor này không hiệu quả khi dùng cho điều khiển chiếu
sáng. Các sensor ‘lai’ (kết hợp giữa kỹ thuật hồng ngoại và siêu âm) là đáng tin cậy
nhất vì chúng khá chính xác và phù hợp với các phòng có hình dáng phức tạp.
Cả hai loại cảm biến dùng hồng ngoại và siêu âm đều có thể gắn trên tường hoặc
trên trần nhà với các góc cảm nhận khác nhau. Để tránh nhận tín hiệu giả hoặc bỏ qua

tín hiệu đối với loại gắn trên trần việc xác định góc cảm nhận là rất quan trọng. Thí
dụ cảm biến gắn ở hành lang chỉ nên hướng góc cảm nhận hẹp chứ không hướng vào
các phòng làm việc, nhưng nếu gắn ở hội trường thì phải hướng sao cho bắt được tín
hiệu từ mọi chỗ. Thông thường lỗi của bộ điều khiển dùng cảm biến phát hiện người là
không bao quát hết được không gian mong muốn (do ít cảm biến, hoặc do các cột, các
khối chắn tín hiệu) hoặc không đủ độ nhậy cho mọi ứng dụng. Tại các nơi nguy hiểm
như tủ điện tốt hơn hết là không sử dụng cảm biến phát hiện người. Lý do là tại những
nơi này số lượng người thay đổi rất ít khiến hiệu quả của hệ điều khiển là rất thấp.
Cảm biến phát hiện người có hiệu quả rõ rệt khi sử dụng tại các khu vực thương
mại, hành chính, công nghiệp như các công sở kín, các kho, các phòng họp, văn
phòng, hành lang, nơi giải lao, phòng nghỉ, vùng quanh cầu thang, phòng học, phòng
hội thảo, những khu vực không mái che của công sở, phòng ăn trưa, …
ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

9


Không gian Ước lượng của EPA Ước lượng của EPRI
Nhà riêng 13-50% 25%
Lớp học 40-46% -
Hội trường 22-65% 35%
Phòng nghỉ 30-90% 40%
Hành lang 30-80% -
Nhà kho 45-80% -
Phòng khách của khách sạn

- 65%

Bảng 1: Ước lượng tỉ lệ năng lượng tiết kiệm được khi dùng cảm biến phát hiện người

Hình 6: Biến tử phát hiện người PIR
b) Sensor đo độ sáng
Sensor đo độ sáng: có hai loại: sensor đo độ rọi và đo độ chói. Các sensor này
đều cho phép điều chỉnh được gồm độ nhạy, đặt các ngưỡng tác động.

Hình 7: Sensor đo độ sáng
Các sensor cảm biến ánh sáng có khả năng phát hiện được các bức xạ quang học
là các tia hồng ngoại và cực tím, không bị ảnh hưởng của ánh sáng khả kiến và các loại
bức xạ quang học khác và không bị ảnh hưởng bởi các hoạt động trong phòng.
Các sensor đo độ rọi thường sử dụng để đo mức sáng trong một diện tích lớn như
phòng làm việc, khu sân vường, các khu vui chơi công cộng. Cảm biến ánh sáng tự
động đo độ rọi, nếu độ rọi lớn hơn độ rọi định mức (độ rọi định mức có thể điều chỉnh
định trước) thì đèn sẽ tắt (cắt mạch điện), nếu độ rọi nhỏ hơn độ rọi định mức thì đèn
được duy trì. Ví dụ sử dụng cảm biến này cho đèn bảo vệ khu vực sân vườn, trời tối
đèn sẽ tự động bật sáng, trời sáng sẽ tự động tắt.
ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

10

Loại sensor đo độ chói ít thông dụng hơn sensor đo độ rọi, sensor này cảm biến
ánh sáng theo các hướng riêng và trên một diện tích chiếu sáng nhỏ. Chúng được dùng
để đo độ sáng từ một khoảng cách xa, như đo độ rọi trên bàn từ một sensor trên trần
nhà. Khi xây dựng một hệ điều khiển chiếu sáng, người ta thường dùng sensor cảm
biến ánh sáng loại đo độ rọi sáng.
1.2.5 Điều khiển chiếu sáng
Có nhiều phương án điều khiển chiếu sáng. Hai phương án hay được sử dụng
nhất đó là:
a) Điều khiển bằng tay
Người sử dụng thực hiện bật/tắt ánh sáng thông các công tắc, có thể là công tắc
gắn tường hoặc công tắc điều khiển từ xa.

b) Điều khiển tự động
Các kiểu điều khiển chiếu sáng tự động thông dụng như: Điều khiển thời gian
chiếu sáng, điều khiển độ chiếu sáng, điều khiển sử dụng sensor phát hiện người.
· Điều khiển thời gian chiếu sáng: kiểu điều khiển này cho phép người sử
dụng bặt tắt đèn theo các lịch trình đặt trước. Loại điều khiển này hiệu quả
những nơi có người xuất hiện theo có tính chu kỳ như các trường học, các
trung tâm thương mại, cửa hàng, siêu thị, … cho phép bật đèn và tắt đèn
theo giờ hoạt động của tòa nhà.
· Điều khiển chiếu sáng sử dụng sensor phát hiện người: kiểu điều khiển
chiếu sáng này được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ chiếu sáng tự động.
Quá trình điều khiển sẽ tắt hệ thống ánh sáng khi không gian không có
người sử dụng. Một thử nghiệm đã chỉ ra rằng việc thay thế các công tắc
điều khiển ánh sáng bằng các sensor đã tiết kiệm được 26% công suất điện
tiêu thụ. Điều khiển chiếu sáng làm giảm công suất tiêu thụ không phải bởi
chúng làm ánh sáng trở nên hiệu quả hơn mà bởi chúng làm giảm thời gian
và cường độ sáng sử dụng. Hệ thống điều khiển chiếu sáng dựa trên sensor
phát hiện người có giá thành phù hợp và thể hiện tính kinh tế sau từ 1 đến 3
năm sử dụng.
· Điều khiển độ sáng: kiểu điều khiển này cho phép bật, tắt đèn, điều khiển độ
chiếu sáng của bóng đèn phụ thuộc vào mức độ cần được chiếu sáng trong
phòng. Nó thường được dùng ở những nơi có thể tận dụng được ánh sáng
ban ngày, hoặc những nơi đòi hỏi độ sáng đồng đều hoặc cần tạo ra các hiệu
ứng chiếu sáng đặc biệt.
ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

11

Trong các hệ điều khiển chiếu sáng, điện năng được tiết kiệm chủ yếu thông qua
phương pháp điều chỉnh và điều khiển nhằm tiết giảm việc chiếu sáng không cần thiết.
Dưới đây là một số ứng dụng của các kiểu điều khiển chiếu sáng trong các địa

điểm khác nhau và hiệu quả của các ứng dụng này:

Kiểu điều khiển
Văn
phòng
riêng
Hành
lang
Tiền
sảnh
Phòng
làm việc
tập
trung
Phòng
học
Các TT
thương
mại
Chỉ sử dụng sensor
phát hiện người
++ + + + ++
Điều khiển theo lịch
trình thời gian
++ + + ++ ++ ++
Điều khiển theo độ
chiếu sáng
++ + ++ ++ ++
Bật tắt bằng tay

+ + + + +
Phối hợp bật tắt bằng
tay, lịch trình và
sensor phát hiện người
++ ++ ++ ++ + +
Trong đó ( ++) hiệu quả cao, (+) có hiệu quả, ( ) không hiệu quả
Bảng 2: Bảng tổng hợp hiệu quả sử dụng điều khiển chiếu sáng

1.3 TỔNG QUAN CÁC BUS GIAO TIẾP CHO MẠNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU
SÁNG
Hệ thống điều khiển chiếu sáng có thể là các hệ thống độc lập hoặc các hệ thống
tích hợp trong tòa nhà, báo cáo này sẽ tìm hiểu và đánh giá các chuẩn giao tiếp (đã và
đang xuất hiện) cho các mạng sensor và các bộ điều khiển chuyên cho các hệ thống
điều khiển chiếu sáng.
Trước những năm 90, phần lớn các giao thức trong các hệ tự động hóa tòa nhà
nói chung và các điều khiển chiếu sáng nói riêng đều dựa trên các giao thức có bản
quyền của các nhà sản xuất. Thậm chí hiện nay, một số công ty có tên tuổi vẫn sử
dụng các giao thức riêng của mình như: JCI (N2-Metisys), Honeywell, Lutron, GE,
PCI.
Trong các hệ thống tự động hóa tòa nhà LON works và Bacnet được hỗ trợ nhiều
nhất từ các nhà sản xuất thiết bị chiếu sáng. Có rất nhiều các module chuyển đổi giao
thức và các thiết bị trực tiếp hỗ trợ các giao thức này. Tiếp theo là các giao thức có bản
quyền của Johnson Controls, Honeywell và Modicon.
ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

12

Trong vài năm gần đây Ethernet đã và đang nổi lên như một giao thức thay thế
trong hệ tự động hóa tích hợp tòa nhà.
Dưới đây là một số khảo sát các giao thức hỗ trợ của một số công ty sản xuất

thiết bị chiếu sáng.

STT Tên Công ty Giao thức
1 ABB Control Inc. Custom, BACnet, Modicon and LON
2 Advance Transformer 0-10VDC, 2-wire
3
Advanced Control
Technologies Inc
LonWorks Independent Developer
4 Agilent Technologies LAN/WAN Ethernet
5 Alerton Technologies, Inc. BACnet, Modbus, Ethernet
6 Automated Logic Corporation
Supports all major communication
protocols including BACnet,
LONworks, MODbus and SNMP.
7 Delta Controls Inc BACnet and ORCAview
8 Douglas Lighting Controls Inc LonWorks
9 Elk Products Inc RS232, RS485, SIMPLE
10 GE Industrial Systems Ethernet, MODbus, RS485/232, LONworks
11 Honeywell
RS232, ARCnet, Ethernet, BACNet,
Modbus, Allen Bradley Data Highway,
Modbus plus, and a wide variety of other
common protocols are available.
12 Hubbell and Hubbell Lighting 0-10VDC, 2-wire
13 LEAX Lighting controls
LONworks, DMX512, RS232, Analogue
Input, Volt free, 2wire, DALI,
0-10VDC, DSI
14 Leviton (LON products group) 0-10VDC, DMX512, LONworks, BACnet

15
MagneTek Lighting Products
Group
0-10VDC, DMX 512, DALI
16 SensorSwitch Inc 1-10VDC
17
Siemens Building
Technologies Ltd
BACnet, MODbus, LONworks,
DMX 512
18 Smart America Ethernet
19 Touch-Plate Lighting Controls BACnet
20 IBECS 1-wire

Bảng 3: Bảng tổng hợp giao thức của một số hệ chiếu sáng thương mại (hữu tuyến)

Xu hướng hiện nay của các nhà sản xuất thiết bị là kết hợp giữa giao thức mở và
giao thức có bản quyền. Các hệ chiếu sáng có thể sử dụng giao thức riêng song song
với việc sử dụng các bộ chuyển đổi sang các giao thức mở để kết hợp với hệ tự động
hóa tòa nhà.
Dưới đây chúng tôi xin đề cập tời 4 giao thức mở đối với hệ điều khiển chiếu sáng
đó là: 1-wire, DALI, MODBUS và Zigbee và các đánh giá so sánh chủ yếu dựa trên
đặc điểm sau:
ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

13

- Chiều và tốc độ mạng
- Kiểm soát lỗi
- Hệ số trễ (latency)

- Điện áp suy giảm trên đường truyền cho phép
- Cấu hình mạng
- Sự phân cực
1.3.1 Mạng 1-wire
Mạng 1-wire network ban đầu được phát triển bởi hãng Dallas Semiconductor
(hiện nay là Maxim) cho mạng tòa nhà, các thiết bị giá thành hạ có thể truyền thông
với máy tính PC hoặc vi điều khiển. Có lúc được gọi là mạng MicroLAN. Đặc điểm
của mạng này là việc thực hiện truyền thông được thực hiện trên một dây (thực tế cáp
truyền là một cáp đồng trục, trong đó có một dây đất)
Maxim bán bộ các chip cho phép khách hàng có thể xây dựng các nút khác nhau
tùy theo yêu cầu sử dụng. Các chip này có giá thành hạ và cho phép thiết kế với các
kiểu nút nhất định.
Nhiều tổ chức trong đó có Berkeley Lab đã đi theo công nghệ 1-wire và kết hợp
nó với các cấu trúc của họ như IBECS. Dưới đây là lưu đồ của mạng IBECS tận dụng
công nghệ 1-wire.

Hình 8: Lưu đồ mạng IBECS sử dụng công nghệ 1-wire

1.3.2 Mạng MODBUS
Giao thức MODBUS là một cấu trúc thư tín được phát triển bởi Modicon năm
1979, được xây dựng để truyền thông giữa master-slave/client-server giữa các thiết bị
thông minh. Đây là một giao thức lâu đời nhất và được dùng phổ biến nhất trong lĩnh
vực tự động hóa trong công nghiệp, được dùng bởi hàng nghìn công ty với hàng triệu
nút trên khắp thế giới.
ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

14

Giao thức MODBUS tương ứng với lớp 7 của mô hình OSI, nó cung cấp truyền
thông client/server giữa các thiết bị được kết nối trên các kiểu mạng và bus khác nhau.

Truyền thông MOBUS được thực hiện thông qua:
- TCP/IP trên Ethernet
- Truyền thông không đồng bộ thông qua EIA/TIA-232-E, EIA-422, EIA/TIA-
485-A, sóng radio,…
- MODBUS PLUS, mạng truyền thông tốc độ cao

Hình 9: Giao thức MODBUS tương ứng với lớp 7 của mô hình OSI

1.3.3 ZIGBEE
ZigBee là một tổ chức thương mại bao gồm hơn 100 công ty. ZigBee đã từng
được biết đến như PURLnet, RF-Lite, Firefly và HomeRF Lite. Mục tiêu của ZigBee
là phát triển một giao thức truyền thông RF giá thành hạ, tốc độ dữ liệu thấp, tiêu thụ ít
năng lượng dùng cho nhiều ứng dụng bao gồm:
- Tự động hóa tòa nhà
- Chăm sóc sức khỏe
- Điều khiển công nghiệp
- Điện tử dân dụng
- Máy tính và ngoại vi
ZigBee và chuẩn IEEE 802.15.4 đôi lúc có thể dùng chung được, nhưng thực
chất chuẩn IEEE 802.15.4 là một chuẩn bao trùm các lớp vật lý RF và lớp MAC của
giao thức trong khi ZigBee liên quan đến các lớp giao thức phía trên của mức MAC.

ĐỀ TÀI CB 187.08RD/HĐ-KHCN

15


Hình 10: Kiến trúc phân lớp của ZigBee

Bảng sau đây chỉ ra sự so sánh giữa các chuẩn RF khác nhau được dùng:

Đặc điểm

IEEE

802.11b

Bluetooth

Zigbee

Mức độ ti
êu hao
điện

Tính theo giờ

Tính theo ngày

Tính theo năm

Độ phức tạp

Rất phức tạp

Phức tạp Đơn giản

Số nút/ master

32

7

64000

Độ trễ

3 giây 10 giây 30 ms

Phạm vi

100

m

10m

70m-300m

Khả năng mở rộng

Có thể Roaming

không

có

Tốc độ dữ liệu

11Mbps

1Mbps

250Kbps


B
ảo mật

Authentication

Service


64

bit,

128

bit

128

bit

AES

Bảng 4: So sánh giữa các chuẩn RF
Giao thức ZigBee

Giao thức ZigBee được xây dựng phía trên lớp MAC của chuẩn 802.15.4. Nó
cung cấp các giao diện lớp ứng dụng, định tuyến và được tối ưu cho các ứng dụng yêu
cầu giới hạn về thời gian. Giao thức ZigBee có các đặc tính sau:
- 65,536 nút mạng (client)
- Thời gian kết nối mạng: 30 ms
- Có thể chuyển từ chế độ sleeping slave sang chế độ active trong khoảng thời
gian 15 ms.
- Thời gian truy nhập kênh slave tích cực: 15 ms
ZigBee cung cấp cả mạng mắt lưới và mạng hình sao: