nghiên cứu các chuẩn truyền thông và xây dựng một ứng dụng cho hệ thống giám sát, điều khiển, điều hành tòa nhà cao tầng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





NGUYỄN ĐẮC HẢI





NGHIÊN CỨU CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG
VÀ XÂY DỰNG MỘT ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG
GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN, ĐIỀU HÀNH
TÒA NHÀ CAO TẦNG


Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60.52.70


LUẬN VĂN THẠC SĨ


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Phạm Mạnh Thắng

Hà Nội - 2010

Trang - - 2


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ những nội dung và số liệu trong luận văn thạc sĩ:
“Nghiên cứu các chuẩn truyền thông và xây dựng một ứng dụng cho hệ thống giám
sát, điều khiển, điều hành tòa nhà cao tầng” là do tôi tự nghiên cứu và thực hiện.
Học viên thực hiện luận văn


Nguyễn Đắc Hải

Trang - - 3




LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này,
tôi xin chân thành cảm ơn quí thầy cô trường Đại học
Công nghệ- Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là những thầy
cô đã tận tình dạy bảo tôi trong suốt thời gian học tập tại
trường.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Phạm Mạnh
Thắng đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn
nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng
tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không
thể tránh khỏi những thiếu sót, t ôi rất mong nhận được
những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn.

Hà Nội, tháng 05 năm 2010
Học viên

Nguyễn Đắc Hải









Trang - - 4

MỤC LỤC

Trang phụ bìa 1
Lời cam đoan 2
Lời cảm ơn 3
Mục lục 4
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6
Danh sách các bảng 7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8
Mở đầu 10
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BMS
1.1. Giới thiệu chung 13
1.2. Các phân hệ trong hệ thống BMS 14
1.2.1. Quản lý vào/ ra trong tòa nhà 15
1.2.1.1. Thành phần của một hệ thống RFID 15
1.2.1.2. Hoạt động của hệ thống RFID 16

1.2.2. Hệ thống báo cháy 16
1.2.2.1. Cách nhận biết và báo cháy 16
1.2.2.2. Các bộ phận chính của hệ thống 17
1.2.3. Hệ thống thang máy 19
1.2.4. Hệ thống điều hoà trung tâm 20
1.2.5. Máy phát điện 21
1.2.6. Hệ thống điện 21
CHƯƠNG 2. MỘT SỐ CHUẨN VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG
ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG BMS
2.1. Mạng truyền thông trong hệ thống BMS 23
2.2. Một số chuẩn truyền thông 23
2.2.1. Giới thiệu về truyền thông qua chuẩn RS232 23
2.2.2. Giới thiệu về truyền thông qua chuẩn RS-485 28
2.3. Giao thức truyền thông 35
2.3.1. Giới thiệu giao thức truyền thông BACnet 35
2.3.2. Giao thức mạng Ethernet 35
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MỘT HỆ THỐNG THÀNH PHẦN
TRONG HỆ THỐNG BMS
3.1. Mục tiêu của đề tài 36
Trang - - 5

3.2. Cấu hình hệ thống 36
3.3. Thiết kế phần cứng của hệ thống 37
3.3.1. Giới thiệu tổng quan họ vi điều khiển AVR 37
3.3.2. Giới thiệu vi điều khiển AVR Atmega 128 38
3.3.2.1. Sơ đồ chân 38
3.3.2.2. Cấu trúc bộ nhớ 39
3.3.2.3. Cổng vào ra 46
3.3.2.4. Bộ định thời 50
3.3.2.5. Cấu trúc ngắt 75

3.3.3. Giới thiệu vi điều khiển AVR Atmega8 82
3.3.3.1. Giới thiệu chung 82
3.3.3.2. Sơ đồ chân 82
3.3.4. Cảm biến 84
3.3.5. Mạch Slaver 86
3.3.6. Mạch Master 88
3.3.7. Keyboard và LCD 90
3.4. Xây dựng phần mềm nhúng điều khiển cho hệ thống 91
3.4.1. Xây dựng phần mềm nhúng điều khiển cho mạch Slaver
dùng Atmega8 91
3.4.2. Xây dựng phần mềm nhúng điều khiển cho mạch Master
dùng Atmega128 92
3.5. Kết quả và khả năng ứng dụng của hệ thống 93
3.5.1. Tính khoa học 93
3.5.2. Khả năng triển khai ứng dụng vào thực tiễn 93
3.5.3. Hiệu quả kinh tế xã hội 94
Kết luận 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO 96
Phụ lục 97







Trang - - 6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ALN Application Level network – Lớp ứng dụng mạng
BACnet Building Automation and Control network Protocol - Giao thức
truyền thông của hệ thống điều khiển và tự động hoá toà nhà
BMS Building Management System - hệ thống quản lý tòa nhà
CSMA/CD Carrier-Sense Multiple Access/ Collision Detect
DCE Data Communication Equipment – Thiết bị truyền dữ liệu
DTE Data Terminal Equipment - Thiết bị đầu cuối
HVAC Hệ thống thông gió và điều hòa không khí
ISR Interrupt service routine - Trình dịch vụ ngắt
OSI Open System Interconnection – Hệ thống liên kết mở
PLC Power Line Communication - đường điện lưới
RFID Radio Frequency Identification - Xác nhận đối tượng bằng sóng vô
tuyến
RI Ring indicator – Chỉ thị chuông
RISC Reduced Instruction Set Computer
RTS Request to send – Yêu cầu gửi
TCP/IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol - Giao thức điều
khiển truyền thông /Giao thức Internet
UL Unit Load
WGM Waveform Generation Mode

Trang - - 7

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1: Một số thông số điện học của RS-232 25
Bảng 2:Các thông số quan trọng của RS-485 28
Bảng 3: Thông số của các phương pháp 34
Bảng 4: Các chân của Atmega128 39
Bảng 5: Cấu hình cho các chân cổng 48
Bảng 6: Địa chỉ các Port 50
Bảng 7: Lựa chọn tốc độ xung clock 54
Bảng 8: Lựa chọn các chế độ thực thi của bộ định thời 0 67
Bảng 9: Bảng Vector Ngắt Của ATmega128 78
Bảng 10: Điều khiển kiểu bắt mẫu ngắt trong thanh A 79
Bảng 11: Điều khiển kiểu bắt mẫu ngắt trong thanh B 80
Bảng 12: Các chân Atmega8 84
Bảng 13: Các thông số kỹ thuật của sensor JS-20 85

Trang - - 8

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1: Hình minh họa hệ thống BMS 14
Hình 2: Reader và Card 15
Hình 3: Thiết bị báo cháy 18
Hình 4: Hệ thống giám sát, đo lường sử dụng điện trong tòa nhà 21
Hình 5: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-232. 24
Hình 6: Giắc cắm RS-232 loại 9 chân 26
Hình 7: Giắc cắm RS-232 loại 25 chân 27
Hình 8: Ghép nối trực tiếp 28
Hình 9: Sơ đồ bộ kích thích ( driver ) và bộ thu ( receiver ) RS-485 29
Hình 10: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485. 30
Hình 11: Định nghĩa một tải đơn vị. 30
Hình 12: Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn 31
Hình 13: Cấu hình mạng RS – 485 hai dây 32
Hình 14: Dây xoắn đôi 32
Hình 15: Cấu hình mạng RS-485 sử dụng 4 dây 33
Hình 16: Các phương pháp chặn đầu cuối RS-485. 34

Hình 17: Sơ đồ khối hệ thống 37
Hình 18: Sơ đồ chân 38
Hình 19: Bộ nhớ chương trình có và không có sử dụng boot loader 40
Hình 20: Vùng nhớ 64 thanh ghi vào ra có 2 cách chọn địa chỉ 42
Hình 21: Chức năng con trỏ của các thanh ghi R26 –R31 42
Hình 22: Tóm tắt bản đồ bộ nhớ ATmega128 46
Hình 23. Sơ đồ một cổng vào ra 49
Hình 24: Sơ đồ khối bộ định thời 1 (3) 51
Hình 25: Thanh ghi TEMP 56
Hình 26: Ngõ ra khối Compare Match Output Unit 65
Hình 27: Sơ đồ khối bộ định thời 0 66
Hình 28: Sơ đồ khối bộ định thời 2 72
Hình 29: Sơ đồ chân Atmega8 83
Hình 30: Hình ảnh cảm biến JS- 20 Largo Pir 84
Hình 31: Khoảng cách và góc quét của JS-20 85
Hình 32: Sơ đồ nguyên lý mạch Slave 86
Hình 33: Sơ đồ mạch PCB của mạch slave 87
Trang - - 9

Hình 34: Sơ đồ nguyên lý mạch Master 88
Hình 35: Sơ đồ mạch PCB của mạch Master 89
Hình 36: Mạch điện điều khiển của mạch Master 89
Hình 37: Sơ đồ mạch PCB của LCD Keyboad 90
Hình 38: Mạch điện điều khiển của Keyboad và LCD 91
Hình 39: Sơ đồ khối hoạt động của mạch Slave 91
Hình 40: Sơ đồ khối hoạt động của mạch Master 92
Hình 41: Hình ảnh của hệ thống 98

Trang - - 10

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với không khí hội nhập kinh tế quốc tế của
Việt nam, quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa của đất nước đã có những bước

phát triển rất nhanh. Một trong những bước thành công đó là qui mô đô thị hóa với
hàng loạt các công trình kiến trúc đồ sộ đã và đang được xây dựng trên mọi miền
của tổ quốc, góp phần cho sự phát triển kinh tế.
Trong các công trình kiến trúc đồ sộ đó không thể không kể đến các tòa nhà
cao tầng mới được xây dựng ở Việt Nam. Các tiêu chí đánh giá chất lượng các tòa
nhà cao tầng đó liên quan đến các mặt kiến trúc, kết cấu xây dựng, tiện nghi, độ an
toàn, độ tin cậy, tính kinh tế và tính hiện đại của tòa nhà.
Hầu hết các tòa nhà này hiện đều được trang bị hệ thống điều khiển và quản
lý tòa nhà BMS (Building Management System) như ở các nước công nghiệp. Chỉ
có trên cơ sở hệ thống BMS này mà các chuyên gia mới có thể đánh giá chất lượng
của các tòa nhà đạt tiêu chuẩn hay không đạt tiêu chuẩn quản lý hiện đại.[14]
Các tiêu chí liên quan đến hệ thống BMS bao gồm các thành phần giám sát
và báo động, các hệ thống thành phần quản lý năng lượng và hệ thống thông tin.
Khi được trang bị như vậy, tất cả các hệ thống thành phần đó ngoài việc có khả
năng hoạt động độc lập thì cần phải được điều khiển tập trung nhằm cho phép tăng
độ an toàn, tính bền vững và ổn định của toàn hệ thống. Hệ thống tổng thể cần
được thiết kế sử dụng khả năng tích hợp các hệ thống thành phần trên cơ sở một hệ
thông tin liên tục, không bị gián đoạn, có được tốc độ xử lý dữ liệu đủ cao nhằm
tăng tính tin cậy và hiệu quả sử dụng. Thực tế phát triển như vũ bão của Công nghệ
thông tin trong những năm gần đây đã cho thấy: hệ thống kể trên hoàn toàn có thể
thực hiện được tốt trên cơ sở nghiên cứu tích hợp các hệ thống thành phần qua các
kênh thông tin được tích hợp với nhau như dùng kết nối các đường dây chuyên
dụng truyền thống, các kênh thông tin vô tuyến (wireless), dùng ngay mạng điều
khiển qua đường điện lưới PLC (Power Line Communication) hoặc dùng mạng
máy tính (computer network), mạng điện thoại di động (mobile network) hoặc
thậm chí cả mạng Internet.[15]
Các hệ thống quản lý tòa nhà BMS được phát triển và ứng dụng khoảng 20-
30 năm trở lại đây dựa trên cở sở công nghệ tự động hóa phát triển và tích hợp tổng
thể. Hệ thống BMS ra đời trợ giúp cho việc quản lý các tòa nhà rất hiệu quả và kinh
tế. Tuy vốn ban đầu đầu tư cho thiết bị và các phần mềm quản lý là không nhỏ,

nhưng so với chi phí khai thác lâu dài thì rất hiệu quả và kinh tế. Chúng ta có thể
Trang - - 11

tham khảo các tòa nhà lớn ở sân bay Stuttgart của Đức, tòa nhà sinh thái ở Bỉ, nhà
băng Credit Suisse First Boston ở Anh, Capital tower và hãng sản xuất đĩa cứng
Seagate ở Singapore Các tòa nhà này đã được trang bị hệ thống BMS của
Siemens và đã, đang được khai thác rất hiệu quả và kinh tế.
Các nhà cao tầng ở Việt nam đã sử dụng hệ thống BMS của Siemens. Các
tòa nhà: Saigon Center HCM được đưa vào sử dụng 1996, Red river building
Hanoi-1999, Opera Hilton Hotel Hanoi-2000, Hanoi Nation Stadium-2003. Sau khi
trang bị hệ BMS này, các tòa nhà đã khai thác rất hiệu qủa khả năng quản lý giám
sát và báo hiệu các sự cố của hệ thống HVAC (Hệ thống thông gió và điều hòa
không khí) và tiết kiệm được 50% năng lượng điện tiêu thụ cho hệ thống so với
trước khi lắp đặt hệ thống BMS.[14]
Bên cạnh việc sử dụng điện năng cho các hoạt động của tòa nhà(Hệ thống
điều hòa, vận hành thang máy,…) thì việc sử dụng điện năng cho điều khiển chiếu
sáng cũng chiếm một tỷ trọng khá lớn. Việc quản lý tốt vấn đề chiếu sáng không
chỉ đem lại môi trường làm việc đủ ánh sáng mà còn nâng cao hiệu quả đầu tư cho
việc tiết kiệm điện và chi phí vận hành.
Tự động hóa điều khiển chiếu sáng, người vận hành có thể lập sẵn lịch hoạt
động chiếu sáng cho từng khu vực nhất định, cho từng thời điểm nhất định. Như
khu hành lang là nơi thường xuyên có người qua lại, hệ thống sẽ tự động bật sáng
khu vực đó trong thời gian làm việc. Những khu vực nhạy cảm về vấn đề an ninh,
hệ thống sẽ tự động bật sáng khu vực đó về đêm hoặc chiếu sáng tăng cường trong
những thời điểm nhạy cảm.
Xuất phát từ những ý tưởng và những tình hình thực tế như ở trên, tôi chọn
đề tài: “Nghiên cứu các chuẩn truyền thông và xây dựng một ứng dụng cho hệ
thống giám sát, điều khiển, điều hành tòa nhà cao tầng” cho luận văn tốt nghiệp.
Luận văn được tổ chức thành 3 chương với các nội dung chính như sau:
Chương 1 – Tổng quan về hệ thống BMS: Giới thiệu tổng quan về hệ thống

BMS, các phân hệ trong hệ thống BMS
Chương 2 – Một số chuẩn và giao thức truyền thông ứng dụng trong hệ thống
BMS: Trình bày mạng truyền thông trong hệ thống BMS, một số chuẩn truyền
thông, giao thức truyền thông sử dụng trong hệ thống BMS.
Chương 3 – Thiết kế một hệ thống thành phần trong hệ thống BMS: Trình bày
mục tiêu của đề tài, xây dựng cấu hình của hệ thống, thiết kế phần cứng, thiết kế
các modul mạch điện của hệ thống và xây dựng phần mềm nhúng cho hệ thống
Trang - - 12

nhằm thực hiện công việc bật/ tắt đèn chiếu sáng tự động trong hệ thống BMS. Thử
nghiệm kết quả và khả năng ứng dụng của hệ thống.

Trang - - 13

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BMS

1.1. Giới thiệu chung
Mục tiêu của hệ thống BMS là tập trung hóa và đơn giản hóa việc
giám sát, vận hành và quản lý tòa nhà. BMS cho phép nâng cao hiệu suất của tòa
nhà bằng cách giảm chi phí nhân công, chi phí năng lượng và cung cấp môi trường
làm việc thoải mái và an toàn cho con người.
Một số lợi ích của hệ thống BMS:
- Đơn giản hóa vận hành: các thủ tục, các chức năng có tính lặp đi lặp lại
được chương trình hóa để vận hành tự động.
- Giảm thời gian đào tạo cho nhân viên vận hành: Do có các chỉ dẫn trực tiếp
trên màn hình cũng như giao diện trực quan của tòa nhà.
- Phản ứng nhanh đối với các đòi hỏi của khách hàng và các sự cố.

- Giảm chi phí năng lượng: quản lý tập trung việc điều khiển và quản lý năng
lượng.
- Quản lý tốt hơn các thiết bị trong tòa nhà: nhờ vào hệ thống dữ liệu lưu trữ,
chương trình bảo trì bảo dưỡng và hệ thống tự động báo cáo các cảnh báo.
- Linh hoạt trong việc lập trình theo nhu cầu, kích thước, tổ chức và các yêu
cầu mở rộng.
- Sử dụng hệ thống vận hành bằng việc tích hợp hệ thống phần mềm và phần
cứng của nhiều hệ thống con khác nhau như: báo cháy, an toàn, điều khiển truy
nhập, điều khiển thiết bị điện qua công nghệ mạng di động GSM,….












Trang - - 14

1.2. Các phân hệ trong hệ thống BMS

Hình 1: Hình minh họa hệ thống BMS

Trong hệ thống BMS có khá nhiều phân hệ, cụ thể:
- Trạm phân phối điện
- Máy phát điện dự phòng

- Hệ thống chiếu sáng
- Hệ thống điều hoà và thông gió
- Hệ thống cấp nước sinh hoạt
- Hệ thống báo cháy
- Hệ thống chữa cháy
Trang - - 15

- Hệ thống thang máy
- Hệ thống âm thanh công cộng
- Hệ thống quản lý vào/ra (dùng công nghệ RFID)
- Hệ thống an ninh
- Đóng ngắt thiết bị điện
- Điều khiển thiết bị điện qua công nghệ mạng di động GSM
- V.v…
Các hệ thống này có thể chia làm ba nhóm chính:
- Hệ thống giám sát và báo động,
- Hệ thống quản lý năng lượng,
- Hệ thống thông tin.
Ba nhóm này đặc trưng cho hệ thống BMS cho các tòa nhà cao tầng. Tùy
thuộc vào mục đích sử dụng mà ba nhóm hệ thống trên được trang bị cho các tòa
nhà hay không.[15]
1.2.1. Quản lý vào/ra trong tòa nhà
Để quản lý vào/ra tại các cửa trong tòa nhà bằng thẻ sử dụng công nghệ
RFID (Radio Frequency Identification). Công nghệ RFID là công nghệ xác nhận
đối tượng bằng sóng vô tuyến.
Dạng đơn giản nhất được sử dụng hiện nay hệ thống RFID bị động làm việc
như sau: một RFID reader truyền một tín hiệu tần số vô tuyến điện từ qua anten của
nó đến một con chip không tiếp xúc. Reader nhận thông tin trở lại từ chip và gửi nó
đến máy tính điều khiển đầu đọc và xử lý thông tin tìm được từ con chip. Các con
chip không tiếp xúc không tích điện, chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng

lượng chúng nhận từ tín hiệu được gửi bởi một reader.[13]
1.2.1.1. Thành phần của một hệ thống RFID
Một hệ thống RFID toàn diện bao gồm bốn thành phần:

Hình 2: Reader và Card
Trang - - 16

1. Thẻ RFID được lập trình điện tử với thông tin duy nhất.
2. Các reader hoặc sensor (cái cảm biến) để truy vấn các thẻ.
3. Anten
4. Server[16]
1.2.1.2. Hoạt động của hệ thống RFID
Một hệ thống RFID có ba thành phần cơ bản: thẻ, đầu đọc, và một host
computer.
Thẻ RFID gồm chip bán dẫn nhỏ và anten được thu nhỏ trong một số hình
thức như thẻ vào ra cửa trong tòa nhà. Mỗi thẻ được lập trình với một nhận dạng
(ID) duy nhất cho phép theo dõi không dây đối tượng hoặc con người đang gắn thẻ
đó. Bởi vì các chip được sử dụng trong thẻ RFID có thể giữ một số lượng lớn dữ
liệu, chúng có thể chứa thông tin như chuỗi số, hướng dẫn cấu hình, dữ liệu kỹ
thuật, sổ sách y học và lịch trình. Cũng như phát sóng tivi hay radio, hệ thống
RFID cũng sử dụng bốn băng thông tần số chính: tần số thấp (LF), tần số cao (HF),
siêu cao tần (UHF) hoặc sóng cực ngắn (viba).
RFID reader gồm một anten liên lạc với thẻ RFID và một đơn vị đo điện tử
học đã được nối mạng với host computer. Đơn vị đo tiếp sóng giữa host computer
và tất cả các thẻ trong phạm vi đọc của anten, cho phép một đầu đọc liên lạc với
hàng trăm thẻ đồng thời. Nó cũng thực thi các chức năng bảo mật như mã hóa/ giải
mã và xác thực người dùng. Đầu đọc RFID có thể phát hiện thẻ ngay cả khi không
nhìn thấy chúng. Hầu hết các mạng RFID gồm nhiều thẻ và nhiều đầu đọc được nối
mạng với nhau bởi một máy tính trung tâm, hầu như thường là một trạm làm việc
gọn để bàn. Host xử lý dữ liệu mà các đầu đọc thu thập từ các thẻ và dịch nó giữa

mạng RFID và các hệ thống kỹ thuật thông tin lớn hơn, mà nơi đó quản lý dây
chuyền hoặc cơ sở dữ liệu quản lý có thể thực thi.[13]
1.2.2. Hệ thống báo cháy
1.2.2.1. Cách nhận biết và báo cháy
Khi có căn phòng trong tòa nhà bị cháy, ở những căn phòng có cháy đó
thường có dấu hiệu sau:
- Lửa, khói và vật liệu chỗ cháy bị thiêu hủy
- Nhiệt độ trong vùng cháy tăng lên cao
- Không khí bị Oxy hóa mạnh
- Có mùi cháy và mùi khét
Ta có thể dựa vào những dấu hiệu trên để đặt các hệ thống cảm biến để làm
các thiết bị báo cháy.
Trang - - 17

Thiết bị báo cháy tự động giúp chúng ta thường xuyên theo dõi để hạn chế
các vụ cháy tai hại, hạn chế thiệt hại và an toàn cho mọi người.
1.2.2.2. Các bộ phận chính của hệ thống
1.2.2.2.1. Cảm biến
Cảm biến là bộ phận quan trọng, nó quyết định độ nhạy và sự chính xác của
hệ thống báo cháy.
Cảm biến hoạt động dựa vào các đặc tính vật lý của vật liệu cấu tạo nên
chúng. Cảm biến được dùng để chuyển đổi các tín hiệu vật lý sang tín hiệu điện.
Các đặc tính của cảm biến ta cần quan tâm: độ nhạy, độ ổn định và độ tuyến
tính.
 Cảm biến nhiệt
Là loại cảm biến dùng để chuyển tín hiệu dưới dạng nhiệt độ sang tín hiệu
điện, cảm biến nhiệt có độ nhạy tương đối cao và tuyến tính. Nguyên tắc làm việc
của cảm biến nhiệt là dòng điện hay điện áp thay đổi khi có nhiệt độ tại nơi đặt nó
thay đổi.
Các loại cảm biến nhiệt:

IC cảm biến:
Là loại cảm biến bán dẫn được chế tạo thành các IC chuyên có độ nhạy cao,
điện áp ra thay đổi tỷ lệ thuận với nhiệt độ, một số loại IC được bán trên thị trường
là: LM355, LM334,…
Thermo Couples:
Thermo Couples biến đổi đại lượng nhiệt độ thành dòng điện hay điện áp DC
nhỏ. Nó gồm hai dây kim loại khác nhau nối với nhau tại hai mối nối. Khi các dây
nối đặt ở các vị trí khác nhau trong dây sẽ xuất hiện suất điện động. Suất điện động
tỷ lệ thuận với sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối nối.
 Cảm biến lửa:
Khi lửa cháy thì phát ra ánh sáng hồng ngoại, nên ta sử dụng các linh kiện
phát hiện tia hồng ngoại để phát hiện lửa. Nguyên lý hoạt động của cảm biến lửa là
điện trở của các linh kiện thu sóng hồng ngoại tăng nó chuyển tín hiệu ánh sáng thu
được thành tín hiệu điện để báo cháy. Cảm biến loại này rất nhạy với lửa, tuy nhiên
cũng dễ báo nhầm nếu ta để cảm biến ngoài trời hoặc gần ánh sáng bóng đèn tròn.
 Cảm biến khói:
Thường cảm biến loại này là bộ phận riêng biệt chạy bằng Pin được thiết kế
để lắp đặt trên trần nhà, trên tường. Có hai loại cảm biến khói:
Trang - - 18

Loại thứ nhất sử dụng nguyên tắc Ion hóa. Sử dụng một lượng nhỏ chất
phóng xạ để Ion hóa trong bộ cảm biến. Không khí Ion hóa sẽ dẫn điện và tạo ra
một dòng điện chạy giữa hai cực đã được nạp điện. Khi các phần tử khói lọt vào
khu vực cảm nhận được Ion hóa sẽ làm tăng điện trở trong buồng cảm nhận và làm
giảm luồng điện giữa hai cực. Khi luồng điện giảm xuống tới một giá trị nào đó thì
bộ cảm biến sẽ phát tín hiệu báo cháy.
Loại thứ hai sử dụng các linh kiện thu phát quang. Loại này được dùng bởi
linh kiện phát quang (Led, Led hồng ngoại,…) chiếu một tia ánh sáng qua vùng bảo
vệ vào một linh kiện thu quang (photo diode, photo transistor, quang trở, …). Khi
có cháy xảy ra, khói đi vào vùng bảo vệ sẽ che chắn hoặc làm giảm cường độ ánh

sáng chiếu vào linh kiện thu. Khi cường độ giảm xuống tới một giá trị nào đó thì bộ
cảm biến sẽ phát tín hiệu báo cháy.
Trong hai loại này thì cách thứ nhất nhạy hơn và hiệu quả hơn nhưng khó
thực thi, khó lắp hơn. Còn loại thứ hai linh kiện dễ kiếm và dễ thực thi và lắp đặt
hơn.
Một nhược điểm chung của các loại cảm biến này là: mạch báo động có thể
sai nếu vùng bảo vệ bị ảnh hưởng bởi các lớp bụi.[10]
1.2.2.2.2. Thiết bị báo động
Thiết bị báo động gồm có hai loại:
- Báo động tại chỗ
- Báo động qua điện thoại.
Trong các hệ thống báo cháy, các bộ cảm biến thường được đặt ở những nơi
dễ cháy và nối với các thiết bị báo động bằng dây dẫn điện, cho nên trong một số
trường hợp dây sẽ bị đứt. Vì vậy để một hệ thống hoạt động có hiệu quả thì người
ta thường sử dụng các bộ phát vô tuyến. trong đó bộ phận phát gắn với bộ cảm biến
còn bộ phận thu gắn với mạch báo động.

Hình 3: Thiết bị báo cháy
Trang - - 19

1.2.3. Hệ thống thang máy
Gần đây, hệ thống thang máy đã trở thành một hệ thống quan trọng và hệ
thống này thường đi kèm với một phần mềm trên máy PC để giám sát và điều
khiển. Hệ thống này cũng sẽ cung cấp một cơ chế giao tiếp để cho các nhà tích hợp
như BMS để truy nhập và lấy thông tin.
Một giao tiếp mức cao sẽ được cung cấp cho hệ thống điều khiển thang máy
và thang trung tâm. Thông qua giao diện này, hệ thống BMS sẽ có thể giám sát và
điều khiển các thông tin liên quan đến thang máy và cũng giao tiếp với hệ thống
thông báo, hệ thống nhắn tin và màn hình hiển thị của thang máy. Toà nhà sẽ trang
bị nơi đặt hệ thống, rack, kết nối mạng và các hạng mục liên quan cần thiết cho

cổng giao tiếp với hệ thống thang máy.
Các nhà cung cấp thang máy thường cung cấp các hệ thống thang máy với
các giao thức như OPC, BACNet, MODBUS, LNS, P2 hoặc đơn giản hơn là
TCP/IP. Hệ thống thang máy của các nhà cung cấp lớn như Schindler, Ryoden,
Mitsubishi…hỗ trợ giao thức TCP/IP.
Mỗi một hệ thống thang máy sẽ cung cấp các chức năng sau để có thể dùng
BMS điều khiển chúng (thông qua cổng giao tiếp của BMS):
-Tất cả các điểm kiểm tra trạng thái của thang máy và các điểm cảnh
báo sẽ được giám sát.
- Vị trí của mỗi thang máy sẽ được chỉ ra và có thể đặt được
- Hiển thị trạng thái hoạt động của thang máy
- Các thông báo bằng hình ảnh đang hiển thị hoặc được lên lịch trình
hiển thị cũng sẽ được xem bằng hệ thống BMS
- Hiển thị tầng nghỉ của thang máy
- Hướng đi của thang máy
- Giám sát được được trạng thái dừng khẩn cấp của thang máy
- Giám sát trạng thái của các cảnh báo của thang máy.
Các cảnh báo chung của hệ thống thang máy sẽ không cần phải đưa ra. Hệ
thống BMS sẽ nhận các thông tin cảnh báo và trạng thái chi tiết của hệ thống.
Hệ thống BMS sẽ cung cấp màn hình đồ hoạ mô phỏng động để chỉ ra các chuyển
động và trạng thái của tất cả thang máy.[12]




Trang - - 20

1.2.4. Hệ thống điều hoà trung tâm
Hệ thống điều hòa trung tâm là một trong những hệ thống quan trọng nhất
của tòa nhà. Hệ thống này bao gồm các mạch điện cũng như các mạch điều khiển

đảm bảo cho hệ thống làm việc một cách trôi chảy. Thông thường các nhà cung cấp
điều hòa sẽ ưu tiên chọn các bộ điều khiển từ những nhà cung cấp mà có thể tích
hợp vào hệ thống một cách dễ dàng.
Để tích hợp với hệ thống, các nhà cung cấp điều hòa cần phải cung cấp các
thiết bị có khả năng kết nối với hệ thống bên ngoài thông qua các giao thức mở như
OPC, BACNet, MODBUS hoặc LNS.
Việc điều khiển độ nóng, thông gió và các dịch vụ điều hoà khác thông
thường đều thông qua các bộ điều khiển số trực tiếp của hệ thống BMS. Hệ thống
BMS sẽ điều khiển và/hoặc giám sát tối thiểu là:
- Các máy lạnh trung tâm
- Điều chuyển không khí
- Chỉnh lượng không khí
- Quạt khí thải/ khí tươi
- Nhiệt độ và độ ẩm ngoài trời
- Nhiệt độ và độ ẩm phòng
- Thời gian hoạt động của tất cả các khối
- Các thông số môi trường khác.

Hệ thống điều khiển này sẽ giao tiếp với thiết bị điều khiển chung của hệ
thống điều hòa với các thủ tục mở như BACNet, MODBUS, LNS, P2 hoặc theo
chuẩn của chính nhà sản xuất. Hệ thống BMS sẽ giám sát và điều khiển thông qua
các thiết bị điều khiển này và cung cấp ít nhất là các tính năng sau: [12]
- Tình trạng của các thiết bị
- Công suất hệ thống
- Các mức quá nhiệt của hệ thống
- Mức quá tải của hệ thống
- Giám sát các trạng thái hoạt động
- Thời gian hoạt động của tất cả hệ thống hoặc cục bộ
- Tính toán hoạt động với hiệu suất cao nhất

Trang - - 21

1.2.5. Máy phát điện
Các bộ điều khiển của BMS sẽ cho phép hệ thống BMS giám sát và điều
khiển máy phát và hệ thống nhiên liệu và cung cấp tối thiểu là các thông tin sau:
- Trạng thái của từng máy phát
- Giám sát tình trạng và mức độ chất lượng của hệ thống phát điện
- Giám sát các cảnh báo của các khối của máy phát điện
- Giám sát thời gian hoạt động của tất cả các máy phát
- Giám sát các mức nhiên liệu trong tất cả các bình chứa
- Giám sát nguồn cung cấp năng lượng và các cảnh báo về rò rỉ [12]
1.2.6. Hệ thống điện



Hình 4: Hệ thống giám sát, đo lường sử dụng điện trong tòa nhà

Các dịch vụ về điện sẽ có các bộ điều khiển của riêng chúng và có giao diện
đến hệ thống BMS. Nhà cung cấp hệ thống điện sẽ cung cáp bộ điều khiển với thủ
tục giao diện hoặc cổng giao diện cần thiết để giao tiếp với hệ thống BMS. Cổng
giao tiếp sẽ cung cấp giao diện RS232 hoặc RS485. Bảng điều khiển của hệ thống
có các điểm kiểm tra, các bộ biến đổi để có thể đo được điện áp, dòng, tần số, công
suất và năng lượng của hệ thống điện.
Để tích hợp với hệ thống BMS, các bộ điều khiển cần phải có các thủ tục
giao tiếp cần thiết để hệ thống BMS có thể giao tiếp với chúng.
Thông qua giao diện này. Hệ thống BMS sẽ giám sát các thông tin được chỉ định
Trang - - 22

hoặc trạng thái của hệ thống điện từ trạm biến áp đến tủ phân phối từng tầng. Một
cách tối thiểu hệ thống BMS sẽ giám sát được các yếu tố sau:
- Công suất tiêu thụ lấy từ tất cả các bộ đo điện
- Nhu cầu tối đa
- Giám sát trạng thái của các mạch điện
- Giám sát và điều khiển trạng thái của các máy cắt/ áttômát
- Điện áp, dòng và tần số điện nguồn
- Giám sát trạng thái của tất cả bảng chuyển mạch của các dịch vụ
điện, điện áp và dòng của điện cung cấp.
Hệ thống BMS sẽ cung cấp việc hiển thị đồ hoạ của tất cả hệ thống điện hiển
thị hạ tầng kết nối và các mạch điện. Màn hình đồ hoạ sẽ hiển thị bề mặt của các
bảng chuyển mạch và chỉ ra tên và số của các mạch, các cầu chì cùng với các lượng
điện tiêu thụ, các giá trị đọc được của điện áp và dòng điện. Trạng thái của tất cả
các điểm giám sát thiết bị điện cũng được hiển thị.
Hệ thống BMS sẽ cung cấp các chức năng điều khiển mức vùng cho các
chức năng sau:
- Bất kỳ thay đổi nào về trạng thái của bộ chuyển mạch điều khiển cần phải
được phát hiện
- Bộ chuyển mạch điều khiển sẽ cung cấp trạng thái là đang làm việc hay
không
- Giám sát các modul điều khiển của tất cả hệ thống điều khiển chiếu sáng.
Hệ thống sẽ hiển thị chi tiết bên ngoài và các tầng cho thấy trạng thái của tất
cả các đèn từng khu vực và mạch điện bộ cảm biến chuyển động,cảm biến mức ánh
sáng.[10]

Trang - - 23

CHƯƠNG 2
MỘT SỐ CHUẨN VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG
ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG BMS

2.1. Mạng truyền thông trong hệ thống BMS
Để ứng dụng được BMS, các thiết bị lắp đặt trong tòa nhà phải hỗ trợ kết nối
BMS, tức là hỗ trợ các chuẩn truyền thông chuẩn như: BACnet, LonWork, Modbus
hoặc hỗ trợ chuẩn tín hiệu công nghiệp 4-20mA. BMS có thể điều khiển các thiết bị
này qua chuẩn truyền thông.
Mạng thông tin của BMS chia làm 3 cấp ( hoặc 02 cấp) tùy vào từng nhà
cung cấp:
- Mạng trục backbone (thường là mạng Ethernet) : TCP/IP hoặc Bacnet/IP
10100/1000Mb nối các bộ điều khiển tòa nhà ( Builiding controllers) với nhau và
nối với các Server của hệ thống ( thường có 2 server chạy nóng và dự phòng).
- Mạng điều khiển tầng: là mạng dây chạy trực tiếp trong từng tầng, thường
là mạng RS485, chuẩn truyền thông thường là LON, Bacnet MS/TP, N2, P2 mạng
này do bộ điều khiển tầng quản lý và liên kết các bộ điều khiển nhỏ hơn đặt tại
từng thiết bị cụ thể trong tầng của tòa nhà.[6]
Thường các hệ BMS đơn giản chỉ có 02 phân lớp mạng như vậy. Các hệ
thống lớn và yêu cầu tích hợp cao thường có thêm phân lớp mạng thứ 3 nằm trên 2
lớp trên: ALN ( Application Level network). Phân lớp này thường là lớp mạng
interconnect giữa rất nhiều hệ thống khác nhau trong tòa nhà, cùng chia sẻ thông tin
và quản lý, nó sẽ có 1 hệ thống trung tâm để thu thập và phân phối thông tin cho

các Client trong hệ thống mạng.[7]
2.2. Một số chuẩn truyền thông
2.2.1. Giới thiệu về truyền thông qua chuẩn RS232
RS-232 lúc đầu được xây dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghép nối điểm-
điểm giữa hai thiết bị đầu cuối ( DTE, Data Terminal Equipment ), như giữa hai
máy tính PC, PLC , giữa máy tính và máy in, hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và
một thiết bị truyền dữ liệu ( DCE, Data Communication Equipment ).
Mặc dù tính năng hạn chế, RS-232 là một trong các chuẩn tín hiệu có từ lâu
nhất, vì thế được sử dụng rất rộng rãi. Ngày nay, mỗi máy tính cá nhân đều có một
vài cổng RS-232 ( cổng COM ), có thể sử dụng tự do để nối với các thiết bị ngoại
vi hoặc với các máy tính khác. Nhiều thiết bị công nghiệp cũng tích hợp cổng RS-
232 phục vụ lập trình hoặc tham số hoá.[9]
Trang - - 24

- Đặc tính điện học: RS-232 sử dụng phương thức truyền thông đối xứng, tức
là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất. Mức điện áp được
sử dụng dao động trong khoảng từ -15V đến 15V. Khoảng từ 3V đến 15V ứng với
giá trị logic 0, khoảng từ -15V đến -3V ứng với mức giá trị logic 1. Chính vì
khoảng từ -3V đến 3V là phạm vi không được định nghĩa, trong trường hợp thay
đổi giá trị logic từ 0 lên 1 hoặc từ 1 xuống 0 một tín hiệu phải vượt qua khoảng
quá độ đó trong một thời gian ngắn hợp lý. Ví dụ, theo tiêu chuẩn DIN 66259
phần 2 qui định độ dốc tối thiểu của một tín hiệu phải là 6V/ms hoặc 3% nhịp xung,
tuỳ theo giá trị nào nhỏ hơn. Điều này dẫn đến việc phải hạn chế về điện dung của
các thiết bị tham gia và của cả đường truyền.[9]

Hình 5: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-232.
Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn. Đa số các hệ
thống hiện nay chỉ hỗ trợ tới tốc độ 19,2kBd ( chiều dài cho phép 30-50m ). Gần
đây, sự tiến bộ của vi mạch đã góp phần nâng cao tốc độ của các modem lên nhiều
lần so với ngưỡng 19,2kBd. Hiện nay đã có những mạch thu phát đạt tốc độ

460kBd và hơn nữa. Tuy nhiên tốc độ truyền dẫn thực tế lớn hơn 115,2 kBd theo
tiêu chuẩn RS-232 trong một hệ thống làm việc dựa vào ngắt là một điều khó có thể
thực hiện.
Một ưu điểm của chuẩn RS-232 là có thể sử dụng công suất phát tương đối
thấp, nhờ trở kháng đầu vào hạn chế trong phạm vi từ 3-7kΩ.
Một số thông số điện học quan trọng của RS-232:
Trang - - 25


Bảng 1: Một số thông số điện học của RS-232

Giao diện cơ học: chuẩn EIA/TIA-232F qui định ba loại giắc cắm RS-232 là
DB-9 ( 9 chân ), DB-25 ( 25 chân ) và ALT-A ( 26 chân ), trong đó hai loại đầu sử
dụng rỗng rãi hơn. Loại DB-9 cũng đã được chuẩn hóa riêng trong
EIA/TIA-574. [7]
Ý nghĩa của các chân quan trọng được mô tả dưới đây:
• RxD ( receive data ): đường nhận dữ liệu.
• TxD ( transmit data ): đường gửi dữ liệu.
• DTR ( Data terminal ready ): chân DTR thường ở trạng thái On khi thiết bị
đầu cuối sẵn sàng thiết lập kênh truyền thông. Qua việc giữ mạch DTR ở trạng
thái ON, thiết bị đầu cuối cho phép DCE của nó ở chế độ " tự trả lời "chấp nhận lời
gọi không yêu cầu. Mạch DTR ở trạng thái OFF chỉ khi thiết bị đầu cuối không
muốn DCE của nó chấp nhận lời gọi từ xa ( chế độ cục bộ ).
• DSR ( data set ready, DCE ready ): cả hai modem chuyển mạch DSR sang
ON khi một đường truyền thông đã được thiết lập giữa hai bên.
• DCD ( data carrier detect ): chân DCD được sử dụng để kiểm soát truy
nhập đường truyền. Một trạm nhận tín hiệu DCD là OFF sẽ hiểu là trạm đối tác
chưa đóng mạch yêu cầu gửi dữ liệu ( chân RTS ) và vì thế có thể đoạt quyền kiểm