Ứng dụng DSC 16 bit trong hệ thống điều khiển tự động tòa nhà

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



Phạm Đình Tuân








ỨNG DỤNG DSC 16 BIT TRONG HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TOÀ NHÀ

LUẬN VĂN THẠC SĨ







Hà Nội - 2010

1
MỤC LỤC
MC LC 1
DANH MC CÁC CH VIT TT 3
DANH MC CÁC BNG 4
DANH MC CÁC HÌNH V 5
M U 7
Chng 1. 8
TNG QUAN V H THNG BMS 8
1.1 H thng qun lý tòa nhà BMS 8
1.2 Kin trúc h thng BMS 9
1.2.1 Cp x lý hin trng 11
1.2.2 Cp x lý, iu khin h thng 11
1.2.3 Cp qun lý (iu khin trung tâm) 11
1.3 Các phân h 12
1.3.1 Phân h iu khin iu hòa không khí HVAC 12
1.3.2 Phân h iu khin iu hành chiu sáng 13
1.3.3 Phân h qun lý tiêu th in nng và cp in 13

Chng 2. 15
CÁC VI X LÝ 16 BIT VÀ TRUYN THÔNG 15
TRONG H THNG QUN LÝ TÒA NHÀ 15
2.1 Vi x lý 16 bit dsPIC30F6010 15
2.1.1 c im ghép ni ngoi vi 15
2.1.2 S  chân tín hiu, s  khi và bng chc nng ca các chân tín
hiu
15
2.2 Vi x lý 16 bit dsPIC30F4011 19
2.2.1 Các tính nng chính ca dsPIC30F4011 20
2.2.2 Các thit b ngoi vi trên chip 20
2.2.3 Các module tín hiu tng t 20
2.2.4 Các tính nng khác ca vi iu khin 20
2.2.5 Ch to theo công ngh CMOS 21
2.3 Truyn thông và kt ni h thng 21
2.4 Truyn thông theo chun RS-485 21
2.5 Giao thc Modbus/RTU 23
2.5.1 C ch giao tip 24
2.5.2 Ch  truyn 26
2.5.3 Cu trúc bc in 27
2.5.4 Bo toàn d liu 28
2.5.5 S  trng thái ca Modbus 28
Chng 3. 31

2
CÁC PHÂN H 31
IU KHIN T NG HÓA TÒA NHÀ 31
3.1 H thng iu khin iu hòa không khí HVAC 31
3.1.1 Giám sát iu khin nhit  32
3.1.2 Giám sát iu khin  m 33

3.1.3 Giám sát iu khin thông gió 35
3.1.4 Thit k ch to h thng 35
3.2 H thng iu khin iu hành chiu sáng 57
3.2.1 Khái nim c bn v chiu sáng 57
3.2.2 iu khin chiu sáng tòa nhà 58
3.2.3 Thit k ch to h thng 59
KT LUN VÀ KIN NGH 69
TÀI LIU THAM KHO 70
PH LC 71


3
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
 ADC: Analog-to-digital converter
 AHU: Air Handing Unit
 API: Application Programmers Interface
 BACnet: Building Automation and Control Network Protocol: Giao thc mng
iu khin và t ng hóa tòa nhà (BACnet)
 BMCS: Building Management and Control System
 CPU: Central Processing Unit
 CRC: Cyclical Redundancy Check
 CSMA/CA: Carrier Sense Media Access, Collision Avoidance
 HVAC: Heating, Ventilating, and Air-conditioning
 ISO:
International Organization for Standardization
 LLC:
Logical Link Control
 MAC: Media Access Control
 MIPs:
Million instructions per second

 Modbus ASCII: American Standard Code for Information Interchange
 Modbus RTU: Remote Terminal Unit
 NRZ: Non-return-to-zero
 OSI:
Open Systems Interconnection
 PWM: Pusle width modulation
 RH: Relative Humidity
 RTU: Remote Terminal Unit
 RX: Receive
 SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition (hiu theo ngha truyn thng
là mt h thng iu khin giám sát và thu thp d liu).
 SFR: Special functions register
 SPI: Serial Peripheral Interface
 SRAM: Static Random Access Memory
 TX: Transmit
 UART: Universal asynchronous receiver/transmitter

4
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bng 1. Chc nng ca các chân tín hiu 19
Bng 2. Bng các thông s chun RS-485 22
Bng 3. Bng các thông s k thut ca cm bin kép SHT-11 38
Bng 4. Bng các chân tín hiu ca PIC16F886 49
Bng 5. Ch tiêu k thut ca b chp hành 53
Bng 6. Ch tiêu k thut t c ca mô-un iu khin 66

5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. Ba nhóm c trng ca h thng BMS 9
Hình 2. Kin trúc phân cp theo mô hình th bc ca h thng BMS 10

Hình 3. S  chân tín hiu ca dsPIC30F6010 16
Hình 4. S  chân tín hiu ca dsPIC30F6010 17
Hình 5. Chun RS-485 22
Hình 6. Phm vi nh ngha ca MODBUS trong mô hình OSI 23
Hình 7. C ch giao tip Master/Slave  ch  Unicast mode 24
Hình 8. C ch giao tip Master/Slave  ch  Broadcast mode 24
Hình 9. Chu trình yêu cu - áp ng ca Modbus 25
Hình 10. Cu trúc bc in ca Modbus RTU 28
Hình 11. S  trng thái ca Master 29
Hình 12. S  trng thái ca Slave 29
Hình 13. S  trng thái ca Modbus RTU 30
Hình 14. S  iu khin tp trung-phân tán h thng HVAC 36
Hình 15. Hình dng và kích thc cm bin bán dn SHT-11 37
Hình 16. Ghép ni vi vi iu khin 37
Hình 17.  chính xác ca các phép o ph thuc ln nhau 38
Hình 18. Xung khi phát thông tin 38
Hình 19. Cu to và hình dng ca cm bin FS5 40
Hình 20. Mch in c bn FS5 41
Hình 21. ng cong s ph thuc ca in áp ra theo tc  gió 41
Hình 22. S  khi các mô-un tham gia iu khin HVAC ti tòa nhà 42
Hình 23. Hình nh mch in t ca b o và t các thng s môi trng c
thit k vi các u ni truyn thông RS-485
44
Hình 24. S  khi các mô-un tham gia iu khin HVAC ti tòa nhà 44
Hình 25. S  khi các mô-un tham gia iu khin HVAC ti tòa nhà 45
Hình 26. S  khi các mô-un tham gia iu khin HVAC ti tòa nhà 45
Hình 27. S  lp ráp PCB ca bn mch chính b o và t thông s 46
Hình 28. S  lp ráp PCB ca mch cu o tc  gió trong phòng 46
Hình 29. Vi iu khin PIC16F886 47
Hình 30. S  khi PIC16F886 48

Hình 31. Ký hiu và s  lôgic ca SN 75176 50
Hình 32. Các mch tng ng li vào và li ra 50
Hình 33. Mch ng dng in hình ca SN 75176 51
Hình 34. Chân vi mch LM2576 51
Hình 35. S  khi LM2576 51
Hình 36. ng dng n áp LM2576 52
Hình 37. Hình nh b chp hành óng/ngt thit b t xa 53
Hình 38. S  nguyên lý chuyn i USB/485 54

6
Hình 39. Bn mch PCB ca b chuyn i USB/485 55
Hình 40. S  khi h thng iu khin iu hành chiu sáng trong tòa nhà 60
Hình 41. S  khi mô-un iu khin 61
Hình 42. Các mô-un iu khin chiu sáng hin trng 62
Hình 43. Mch iu khin vi x lý 63
Hình 44. Phn iu khin công sut 64
Hình 45. Bn mch vi x lý và hin th; bn mch công sut 65
Hình 46. Lu  chng trình iu khin chiu sáng nhúng trong vi iu khin 67


7


MỞ ĐẦU

Ngày nay, khoa hc k thut phát trin vt bc ã mang n nhiu ng dng
thit thc trong cuc sng k c trong xây dng dân dng. c bit s phát trin ca
h thng mng và các thit b truyn thông hin i cho phép tích hp các thành phn
h thng khác nhau ca toà nhà thành mt h thng tng th d iu khin hn. Tòa
nhà thông minh (Intelligent Building) là mt mô hình m

i nhng ã nhanh chóng tr
thành xu hng tt yu cho tt c các toà nhà hin i trên th gii và  Vit Nam
Tòa nhà thông minh c trang b h thng mng, h thng vin thông tiên tin
nht. H thng kim tra an ninh hin i và hoàn toàn t ng vi s s dng nhân lc
ti thiu, h thng camera quan sát, kim soát ra vào bng th t, h thng báo cháy và
cnh báo t
 ng, h thng iu khin thang máy khn cp khi có s c, nh v ngi
eo th và tài sn… c bit là h thng iu khin và iu chnh khí hu bên trong
tòa nhà, h thng ánh sáng có th thay i t ng theo mc ích s dng. Ngoài ra
mt h thng nh vy còn h tr công tác bo trì tòa nhà, kh nng phát hin ra l
i vn
hành thit b, thông báo và t iu chnh.
Ti Vit Nam, nhiu cao c vn phòng, trung tâm thng mi, trng hc, sân
bay, bnh vin ã và ang c xây dng, nhng cha s dng các h thng t ng
hoá trong qun lý toà nhà, nu có cng ch là các h thng riêng bit nh: báo cháy,
iu hoà không khí iu này cng rt d hiu vì  s h
u tòa nhà thông minh thì
chúng ta nhp công ngh t nc ngoài vi chi phí rt cao. Vì th vic nghiên cu, ch
to công ngh qun lý tòa nhà thông minh ang là mt hng i kh thi và ha hn
em li hiu qu kinh t, ng dng cao [1].
Trên các phân tích k trên, ch 
“ng dng DSC 16 bit trong h thng iu
khin t ng tòa nhà
” ã c thc hin trong ni dung ca bn báo cáo này. Lun
vn c chia thành 3 chng mc. Chng 1 trình bày báo cáo tng quan nghiên cu
v h thng qun lý iu khin t ng tòa nhà thông minh BMS. Chng 2 trình bày
nghiên cu v các vi iu khin 16 bit và c s truyn thông trong h thng qun lý
tòa nhà. Chng 3 trình bày v vic trin khai phn cng và phát trin các chng
trình phn mm cho 2 phân h 
iu khin t ng tòa nhà: phân h iu khin iu hòa

không khí HVAC và phân h iu khin iu hành chiu sáng.





8

Chương 1.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÒA NHÀ BMS

1.1 Hệ thống quản lý tòa nhà BMS
Trong vài nm gn ây, các tòa nhà cao tng ang c xây dng vi quy mô
ln và tc  ht sc nhanh chóng  Viêt nam. Qua các phân tích v thc trng các tòa
nhà cao tng hin nay  Vit nam cho thy s cp thit phi xây dng c các H
thng t ng hóa iu khin giám sát các tòa nhà này.  ánh giá cht lng ca các
tòa nhà cao tng, ngoài tiêu chí v din tích s
 dng, các h thng k thut ti thiu
nh h thng in và chiu sáng, h thng cp nc, h thng thông gió; phi quan
tâm n các tiêu chí v các mt kin trúc, kt cu xây dng, tin nghi,  an toàn, 
tin cy, tính kinh t và tính hin i ca tòa nhà ó. Có tác gi ã a ra các tiêu chí
nh sau  ánh giá cht lng các tòa nhà nh sau [1].
1. H
 thng iu khin vào ra (Access)
2. H thng báo ng xâm nhp (Security)
3. H thng thông tin ni b và mng thông tin (Communication)
4. H thng báo và chng cháy (Fire)
5. H thng iu khin thông gió và iu hòa không khí (HVAC)
6. H thng iu khin ánh sáng (Lighting)
7. H thng qun lý nng lng (Energy)

8. H thng t ng hóa tòa nhà (Automation),
Tùy theo mc 
ích s dng ca tòa nhà mà các tiêu chí trên ây c yêu cu
bt buc hay là tiêu chí ph. Theo các tiêu chí trên thì tt c các nhà cao tng bt buc
phi tha mãn tiêu chí 4, 5 và 6.
Các h thng k trên có th c chia làm ba nhóm chính:
• H thng giám sát và báo ng,
• H thng qun lý nng lng,
• H thng thông tin.
Ba nhóm này c trng cho h thng t ng hóa giám sát, iu khin tòa nhà
mà có th nói gn theo thut ng
 vit tt t ting Anh là BMS (Building Management
System) có ngha là “Hệ thống quản lý tòa nhà”. Tùy thuc vào mc ích s dng mà
ba nhóm h thng trên c trang b cho các tòa nhà hay không. Trên c s các h
thng này mà ngi ta ánh giá cht lng ca các tòa nhà t tiêu chun hay không
t tiêu chun ca h thng BMS [6].




9

Hình 1. Ba nhóm đặc trưng của hệ thống BMS

Tóm li, hệ thống tự động hóa giám sát, điều khiển tòa nhà hay còn gi là hệ
thống quản lý tòa nhà BMS là mt h thng iu khin và qun lý cho các phân h k
thut trong toà nhà nh h thng in, h thng cung cp nc sinh hot, h thng
iu hoà thông gió, h thng cnh báo môi tr
ng, h thng an ninh, h thng báo
cháy, v.v… giúp cho vic vn hành mt toà nhà tr nên hiu qu, kp thi. Vi các yêu
cu nh vy h thng BMS có các tính nng chính, c th nh:
• Qun lý tín hiu cnh báo.
• Giám sát, iu khin toàn b toà nhà.
• t lch hot ng cho thit b.
• Qun lý d liu gm son tho chng trình, qun lý c
 s d liu,
chng trình son tho  ho, lu tr và sao lu d liu.
• Báo cáo, tng hp thông tin.
1.2 Kiến trúc hệ thống BMS
Cn c vào chc nng nhim v ca các cu kin trong toàn h thng và các
phân h, có mt s cách nhìn nhn xây dng kin trúc mt h thng BMS cho các tòa
nhà cao tng. Thng kin trúc này c thit k mô hình hóa theo m
t cách sp xp
kiu th bc (hierarchical) vi các cp  theo kiu di lên (bottom-up) hay trên
xung (top-down). S cp  c s dng thc s cho các h thng thành phn tùy
thuc vào tng nhu cu c th. Trên c s ó, mô hình cho các phn cng (bao gm

các b cm nhn, b iu khin, các c cu chp hành, hin th, …kt ni qua các
kênh thông tin v
t lý) và phn mm (bao gm các chng trình giám sát iu khin

10
PC
Thit b
ngoi vi
MC MC MC MC MC MC
MC
MC
MC
MC
MC
MC
Ni vi cm
bin hoc chp
hành
Cm
bi

n
Chp hành
Cp Qun lý
Cp H thng
Cp hin trng
Kênh
thông tin
ra ngoài
thông qua các giao thc thông tin) cng c xác nh. Kin trúc h thng có th phân

thành 3 cp bc theo mô hình di lên nh sau [6]:
1. Cp x lý hin trng (field-level)
2. Cp x lý iu khin h thng (system-level)
3. Cp qun lý (management-level)

MC: là các vi iu khin
Hình 2. Kiến trúc phân cấp theo mô hình thứ bậc của hệ thống BMS


11
1.2.1 Cấp xử lý hiện trường
Các b iu khin  cp này s dng các vi x lý (hay vi iu khin MC,
microcontroller) cung cp kh nng iu khin trc tip ti các thit b nm trong
phm vi hin trng (trong các phòng làm vic, sinh hot, hành lang, thang máy, tng
hm, …) nh các máy iu hòa trong tng phòng, các công-tc in t óng/ngt hay

iu khin cng  sáng ca thit b chiu sáng trong phòng, các r-le óng/ngt các
mô-t óng/m ca ra vào, các cm bin và thit b báo ng phát hin khói ha hon,
phát hin p v ca kính trong phòng, v.v… B iu khin cp này cng có th s
dng phn mm qun lý nng lng. Ti cp x lý hin trng, cm bin và b
chp
hành thng liên lc trc tip vi thit b c iu khin qua b iu khin (iu
khin trc tip - bng tay) hc cung cp thông tin cm nhn ti các cp cao hn qua
các kênh thông tin. Mt bus liên lc làm phng tin kt ni các b iu khin, do vy
các im gia các b iu khin có th chia s
 thông tin cho nhau (nu cn thit) và
chia s vi các b x lý ti các cp cao hn. Các b iu khin cp hin trng in
hình gm có mt cng hoc kênh giao tip  h tr s dng thit b u cui di ng
trong quá trình thit lp ch  hot ng ban u và c nhng ln iu chnh sau ó.

1.2.2 Cấp xử lý, điều khiển hệ thống
Các b iu khin nm  cp này thng có nng lc hot ng ln hn các b
iu khin cp hin trng v s lng các im vào/ra, các vòng iu chnh và c các
chng trình iu khin. B iu khin cp h thng th
ng c dùng cho các ng
dng ln hn nh h thng iu hòa trung tâm, các thit b in-c công sut ln cho
tòa nhà nh các h cung cp khí cho cu thang máy, tng hm  xe, h thng làm mát
tng vùng hay toàn tòa nhà, h thng camera và ca t giám sát, iu khin thâm nhp
vào ra, h thng cnh báo an ninh tòa nhà. Ngoài ra, nó còn thc thi iu khin ánh
sáng trong toàn tòa nhà. B iu khin t
i cp này có th hoc giao tip trc tip vi
các thit b c iu khin thông qua cm bin và b chp hành, hoc giao tip gián
tip thông qua các bus liên lc vi b iu khin cp hin trng. Khi b iu khin
cp h thng c kt ni vi b x lý cp qun lý bên trên, nhng thay i chng
trình i
u khin thng c thc thi  b x lý cp qun lý ri sau ó c ti xung
b iu khin. B iu khin cp h thng cng cung cp kh nng d phòng trong
trng hp liên lc b t bng ch  hot ng c lp. Mt s kiu b iu khi
n
cp h thng cng cung cp ch  bo v an toàn cho toàn b tài sn trong tòa nhà
thông qua tín hiu cnh báo ha hon, cnh báo an ninh, bo mt truy cp.
1.2.3 Cấp quản lý (điều khiển trung tâm)
Các thit b và h thng cp này ch yu giao tip vi ngi qun tr h thng
BMS. Thng ây là mt máy vi tính PC  mnh, c trang b màn hình hin th
,
bàn phím nhp d liu vi các bng mch có chc nng ‘plug-in’ cho thit b vn hành
b sung, máy in, các u ni m rng b nh và bus liên lc. B x lý cp này thng
có phn mm ng dng cho các hot ng sau:

12

• Bo m an ninh h thng: gii hn quyn truy cp và vn hành cho
nhng ngi có thm quyn.
• Xâm nhp h thng: Cho phép nhng ngi có thm quyn chn và ly
d liu thông qua PC và mt s thit b khác.
• nh dng d liu: lp ghép các d liu ri rc thành các nhóm nh
dng có quy tc dùng cho vic in n và hin th.
• Tùy bin các chng trình: ngi s dng có th t thit k, lp trình
các chng trình riêng tùy theo yêu cu s dng ca riêng mình.
• Hin th  ha và âm thanh: Kt hp vi d liu ng v h thng xây
dng các màn hình  ha theo yêu cu s dng các công c v và bng
biu hoc phát các tín hiu âm thanh trong mt s lu ý ngi vn hành
ho
c mt s trng hp báo ng khn cp.
• Lp báo cáo: Lp báo cáo t ng, nh k hoc theo yêu cu v các
cnh báo và các s kin, hot ng vn hành. ng thi cung cp các
kh nng tóm tt báo cáo.
• Qun lý bo trì, bo dng: T ng lên lch bo trì thit b da trên d
liu v lch s thit b
và thi gian hot ng.
• Tích hp h thng: Cung cp giao din và iu khin chung cho các h
thng thành phn và cung cp các kh nng tng hp thông tin t các h
thng thành phn này (nh các h thng HVAC, cu ha, an ninh, iu
khin truy cp),  t ó có kh nng a các quyt nh tác ng có
tính toàn cc cho toàn h thông.
Ti cp này, ngi qu
n tr cng có th ly d liu và ra lnh t/ti các im t
bt k âu trong h thng. Vn hành hot ng thng nht là chc nng thông thng
ca b x lý cp h thng, tuy nhiên iu khin toàn b có th c chuyn sang cho
b x lý cp qun lý trong nhng trng hp khn cp. Còn mt ch
c nng na ca

máy tính (hay các b x lý) cp qun lý là thu thp, lu tr và x lý d liu lch s
(historical data) nh mc  tiêu th in nng, chi phí vn hành và các cnh báo và
to ra các báo cáo  làm c s hot nh qun lý và vn hành tòa nhà lâu dài.
1.3 Các phân hệ
Nh trên ã nói, tùy tng nhu cu s dng, h thng qun l í tòa nhà c thit k
theo các yêu c
u khác nhau. Do ó h thng BMS thng bao gm nhiu phân h: h
thng iu khin thông gió và iu hòa không khí; iu khin èn chiu sáng; iu
khin vào ra tòa nhà; báo ng xâm nhp; báo cháy, báo khói; thông tin ni b, v.v…
Di ây là mt vài thí d vi các phân h này.
1.3.1 Phân hệ điều khiển điều hòa không khí HVAC
BMS theo dõi các yu t liên quan n quá trình vn hành nh nhit ,  
m
không khí bên trong, dòng chy không khí trong ng dn gió ca tng h thng, thit
b iu hòa không khí trong các vùng ca tòa nhà ri t ó ra các quyt nh in t

13
óng ngt các thit b iu khin này mt cách hp lí. Thêm na, qua vic x lí các
thông s thit b, thi gian tham gia ã vn hành mà h thng có chc nng thng
xuyên cp nht thông tin, lp lch bo trì và có phng án làm vic sao cho tit kim
nng lng nht và m bo tui th ca h thng phn cng là ti u. Chng hn, t
i
tng hm  xe, khi h thng o nng  CO2 báo n ngng, qut gió t ng hot
ng. Nng  tng dn, qut t ng tng tc và ngc li mà không cn có iu
khin nhân công. iu này giúp tit kim in nng và duy trì tui th thit b thông
gió. Thông qua màn hình  ha ca h thng BMS, ngi vn hành qu
n lý c tình
trng các qut hút và ch  vn hành ca các qut tng áp cu thang máy ca tòa nhà.
Khi có s c cháy n, các qut c h thng t ng iu khin v trng thái “tt” 
gim i lu không khí trong tòa nhà, gim ti a tác nhân gây cháy, m bo tính

hiu qu ca vic dp tt các ám cháy.
1.3.2 Phân hệ điều khiển
điều hành chiếu sáng
Các tuyn èn ca tòa nhà cng c vn hành t ng theo lch trình. Qua
màn hình, ngi vn hành nhn bit c èn bt/tt và iu khin t xa. Thông
thng, lnh bt/tt c thc hin t ng theo lch trình t sn. Tuy nhiên, h thng
BMS còn cho phép ngi s dng có th vn hành ti ch cng nh i
u khin các
thit b chiu sáng t xa qua các kênh thông tin khác theo yêu cu chiu sáng thc t.
1.3.3 Phân hệ quản lý tiêu thụ điện năng và cấp điện
BMS thc hin vic giám sát h thng in qua thit b theo dõi c các thông
s k thut chính ca ngun in nh các tiêu hao công sut in nng: kW; kVA;
kVAr Các thông s này cn c giám sát cht, vì chúng nh hng r
t ln ti vic
vn hành tt c thit b s dng in ca tòa nhà. Qun lý tt các tham s chính này
cng ng ngha vi vic gim chi phí vn hành ca tòa nhà, nâng cao hiu qu s
dng thit b. Các tham s này c BMS kim soát thng xuyên nh các b o m
c lp t ti các công-t in  hin trng. Các thông tin k
trên c hin th lên
màn hình máy tính và lu tr d liu ti trung tâm iu khin. ng thi c dân trong
tòa nhà cng hoàn toàn có c các thit b bng tay liên lc kt ni vi b o m
qua các kênh thông tin khác nhau (nh kênh vô tuyn, …) nhm cho phép thng
xuyên kim tra c tình trng tiêu th in ca cn h mình s dng  có nhng gii
pháp tc thi cho vic s
 dng hp lí.
Mc tiêu ca BMS là tp trung hóa và n gin hóa giám sát, hot ng và
qun lý tòa nhà  ti u hóa hiu sut hot ng ca nó bng cách gim chi phí nhân
công và lng tiêu th in nng, cung cp môi trng làm vic an toàn, thoi mái hn
cho ngi s dng. H thng này cng phi m bo là phù hp vi tiêu chun công
nghip ca các nc tiên tin trên th gi

i cng nh tiêu chun nhà nc Vit nam do
c xây dng bng các giao thc m, ph bin trong công nghip giúp vic trin khai
thun tin, d dàng. Vi h thng BMS, nhiu công vic vn hành và giám sát tòa nhà
thng c thc hin qua máy tính và màn hình  ha t ti phòng iu khin
trung tâm iu hành tòa nhà.

14
Trong Lun vn này, mc tiêu sau c hng ti là : làm ch v công ngh k
c phn cng và phn mm trong vic thit k, ch to 02 phân h (h thng thành
phn):
• H thng t ng iu khin giám sát các thit b iu hòa, thông gió
HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning).
• H thng t ng iu khin, iu hành chi
u sáng (Lighting).
Các h thng thành phn này c tp trung nghiên cu, thit k ch to t cp
 các cu kin nh: các cm bin, các b iu khin cc b t trong các cn phòng,
các tng ca toà nhà ti b iu khin trung tâm qua các b khuych i, các thit b
chuyn i tín hiu và truyn thông

15

Chương 2.
CÁC VI XỬ LÝ 16 BIT VÀ TRUYỀN THÔNG
TRONG HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÒA NHÀ

Các vi iu khin, vi x lý c s dng làm n v ct lõi ti các mc iu
khin hin trng và iu khin h thng. Lun vn ã chn các vi x lý 16 bit vi các
kin trúc hin i  thit k các khi iu khin này. Hai loi vi x lý 16 bit là
dsPIC30F6010 và dsPIC30F4011 ã c s dng cho thit k các b i
u khin tng

nhà và các b iu khin hin trng. Chi tit các ch tiêu k thut ca chúng c cho
trong các tài liu ca hãng MicroChip; di ây ch lit kê mt s c im chính
quan trng.
2.1 Vi xử lý 16 bit dsPIC30F6010
Vi iu khin dsPIC30F6010 là loi High-Performance Modified RISC CPU có
kin trúc Harvard. Kin trúc tp lnh c ti u cho trình biên dch C. Vi mch có tp
lnh 84 lnh. ng d li
u rng 16 bit. B nh Flash trên chip gm 144 kbytes. B
nh RAM 8 kbytes. Vi x lý có 4 kbyte b nh không bay hi EEPROM.
Vi x lý có th thc hin ti 30 triu lnh trong mt giây (MPIs). Tn s xung
nhp t DC n 40 MHz vi iu khin bi vòng bám pha PLL. Chip có 44 ngun
ngt.
2.1.1 Đặc điểm ghép nối ngoại vi
• Các u vào/ra có dòng ti 25 mA.
• Có 5 Timer kh trình 16 bit.
• Có chc nng ra xung iu ch
PWM 16 bit.
• H tr giao tip IC2 Multi-Master/Slave mode.
• Có 2 mô-un vao ra ni tip UART vi các b m FIFO
• Có 2 mô-un h tr chun CAN
• Có 4 li vào S/H cho b bin i A/D 10 bit, tc  bin i 500 kbps,
16 kênh.
2.1.2 Sơ đồ chân tín hiệu, sơ đồ khối và bảng chức năng của các chân tín hiệu

16
S  80 chân tín hiu ca vi iu khin cho trên hình 3 sau.

Hình 3. Sơ đồ chân tín hiệu của dsPIC30F6010

17
S  khi ca vi iu khin cho trên hình 4.

Hình 4. Sơ đồ chân tín hiệu của dsPIC30F6010

18
Bng 1 cho chc nng ca các chân tín hiu.


19

Bảng 1. Chức năng của các chân tín hiệu

2.2 Vi xử lý 16 bit dsPIC30F4011
DsPIC30 là mt dòng vi iu khin 16 bit tích hp b x lý tín hiu s 16 bit ca
hãng Microchip. Vi vic tích hp module x lý tín hiu s (Digital Signal Processor)
và mt lõi vi iu khin (controller), hãng Microchip ã to ra mt b vi iu khin có
kh nng x lý các phép tính phc tp và iu khin trc tip các thi
t b ngoi vi ch
vi mt linh kin duy nht. Không ch làm gn nh các bo mch, mt chip nh vy
còn làm n gin vic thit k mch in t và c bit là tng kh nng chng nhiu
cho h thng.
Trong dòng vi iu khin dsPIC30, dsPIC30F4011 vi giá thành hp lý c
thit k chuyên dng cho iu khin ng c. dsPIC30F4011 c tích h
p các
module c bit trong lõi vi iu khin nh b c xung phn hi v trí ng c

20
(quadrature encoder), b iu ch  rng xung (PWM), b bin i tín hiu tng t-
s (ADC), b iu khin truyn thông CAN.
2.2.1 Các tính năng chính của dsPIC30F4011
• Kin trúc Harvard có hiu chnh.
• Tp lnh ti u cho ngôn ng lp trình C vi ch  a ch linh hot.
• Tp lnh gm 84 lnh c bn vi 

dài lnh 24 bit,  dài d liu 16
bit.
• 48 KB b nh Flash, có th np li nhiu ln.
• 2 KB b nh RAM.
• 1KB b nh EEPROM cho phép lu các tham s mà không cn ngun
nuôi.
• Tc  x lý ti a 30 triu lnh trong 1 giây (MIPs).
• 30 ngun to ngt vi 3 ngun ngoài, 8 mc u tiên.
• B x lý tín hiu s c tích hp.
•
Ch  a ch module và o bit.
• 2 thanh ghi m 40 bit vi la chn bão hòa logic.
• B nhân bng phn cng 17 x 17 bit ch trong 1 chu k lnh.
2.2.2 Các thiết bị ngoại vi trên chip
• Các chân vào/ra có kh nng chu dòng cao: 25mA.
• Module nh thi (Timer) vi tn s xung clock có th chia c và cu
hình thành 1 cp Timer 16 bit hoc 1 timer 32 bit.
• B iu ch  rng xung (PWM) vi  phân gii 16 bit.
• Module truyn d liu SPI và h tr ch  nhiu ch t (Multi-
Master/slave) và ch  a ch 7 bit/10 bit.
• 2 module truyn thông ni tip (UART) vi b m FIFO.
• Module truyn thông CAN tng thích chun 2.0B.
2.2.3 Các module tín hiệu tương tự
4 b chuyn i tín hiu tng t - s (ADC) vi các kh nng :
• Tc  ly mu lên ti 500Ksps.
•
9 kênh vào.
• Chuyn i ngay c trong ch  ng (sleep).
• Có th lp trình  khi ng li (reset) h thng.
2.2.4 Các tính năng khác của vi điều khiển

• B nh chng trình Flash vi kh nng ghi/xóa ti 100.000 ln.
• B nh EEPROM vi kh nng ghi/xóa 1 triu ln.
• Có kh nng t lp trình li bng mã l
nh.
• Watchdog Timer s dng b giao ng C riêng trên chip cho phép tiêu
th nng lng nh và  tin cy rt cao.
• H tr kh nng lp trình trên bo mch (In-circurt Serial Programing).

21
2.2.5 Chế tạo theo công nghệ CMOS
• Công ngh Flash vi hiu sut cao.
• Di in áp ngun rt rng 2,5V n 5,5V.
• Di nhit  công nghip và di nhit  m rng.
• Tiêu th nng lng rt nh.
2.3 Truyền thông và kết nối hệ thống
Nh trên ã nói, các thit b tham gia vào h thng BMS c có th
 c phân
vùng thành mt trong 3 cp mng, cp di cùng là cp hin trng ti các khu vc
(các phòng) ca tòa nhà, cp mng th hai là cp mng ti các tng tòa nhà, cp th ba
là cp qun lý tòa nhà và trao i thông tin vi các tòa nhà khác và th gii bên ngoài.
Giao thc liên lc là mt nhân t thit yu trong cu hình h thng BMS vì lng d
liu truyn t im này ti im khác và do các b x
 lý phân tán trong các cp có th
phi ly d liu ca nhau, h tr ln nhau trong quá trình truyn tin. Có 2 giao thc
thng dùng là giao thc “hi vòng” (polling) và giao thc “ngang hàng’ (peer). Hai
giao thc này s c s dng mt cách hp lý trong h thng. Mi giao thc s có
nhng u nhc im ca nó. Thí d, so sánh vi giao thc hi vòng, giao thc ngang
hàng có nhng u im sau:
• Vic truyn thông không b
ph thuc vào mt thit b riêng l nào

(thit b ch, master).
• Vic truyn thông c thc hin trc tip gia các thit b trong mng
mà không phi thông qua mt trm trung gian nào.
• Các thông ip c truyn ti mi thit b kt ni trên bus.
2.4 Truyền thông theo chuẩn RS-485
H thng truyn thông trong BMS ca tòa nhà  ây s dng mng truy
n thông
theo chun ni tip. Các cng ni tip nh RS-232 và RS-485 c s dng  truyn
d liu hai chiu gia máy tính và ngoi vi, có các u im sau:
• Khong cách truyn xa hn truyn song song.
• S dây kt ni ít.
• Có th truyn không dây dùng hng ngoi.
• Có th ghép ni vi vi iu khin hoc PLC.
• Cho phép ni mng.
•
Có th tháo lp thit b trong lúc máy tính ang làm vic.
• Có th cung cp ngun cho các mch in n gin.
Lun vn ã s dng chun RS-485 là mt phát trin ca truyn thông ni tip
thay cho RS-232. u im ca chun RS-485 nh sau:

22
• Giá thành r : mch phát và thu có giá thành thp và ch cn ngun cung
cp n +5V (hay thp hn)  có th phát ra mt hiu in th sai lch
1.5V  ngõ ra.
• Kh nng kt ni : RS-485 có th kt ni a im tc là có th ng
thi kt ni nhiu thit b phát và thu. C th 32 thit b có th tham gia
ghép ni, nh 
a ch và giao tip ng thi trong mng mà không cn
b lp (Repeater).
• Khong cách : mt kt ni RS-485 có th có chiu dài lên ti 1200m.

• Tc  : tc  bit có th t ti 10Mbit/giây.






Hình 5. Chuẩn RS-485









Bảng 2. Bảng các thông số chuẩn RS-485
Kh nng truyn ti i xa  RS-485 là nh s dng ng dây cân bng. Mi
ng tín hi
u trong RS-485 gm 2 dây vi in th trái nhau ngha là mt trong hai
dây ti mi thi im phi có ng thi mt dây âm và mt dây dng. Bên phía nhn
tín hiu s phân bit in th gia hai dây tng ng vi mc 0 và mc 1. Tiêu chun
RS-485 quy nh mc logic 1 là in áp B>A và mc logic 0 khi A>B, nh vy các IC
s dng thng có mc logic ngc li. Tuy nhiên, trong thc t n
u các b thu phát
u cùng dùng chung mt chun thì vn  này không cn phi quan tâm.  ln in

23
áp vi sai gia hai dây A,B không c phép ln hn 6V.

Cng nh s dng ng dây cân bng nên RS-485 có tính chng nhiu rt cao.
Hai dây tín hiu lúc nào cng mang nhng dòng in trái du và gn nh là cùng biên
 . Khi có nhiu trên ng dây thì nhiu s sut hin ng thi trên c hai dây vi
cùng biên , vì vy nhiu trên ng dây này s b nhiu trên ng dây kia trit tiêu.
Trở đầu cuối:Do tc  truyn thông và chi
u dài dây dn khác nhau rt nhiu
trong các ng dng, nên hu nh tt c các bus RS485 u yêu cu s dng tr u
cui ti hai u dây. S dng tr u cui có tác dng chng li các hiu ng ph
trong truyn dn tín hiu nh s phn x tín hiu. Chun RS-485 s dng hai in tr
kt thúc là 120  ti hai u xa nht c
a
ng
truyn và s dng dây xon
ôi.
2.5 Giao thức Modbus/RTU
Giao thc truyn ti d liu trên mng RS-485  ây c chn là Modbus/RTU.
Modbus là mt giao thc do hãng Modicon (thuc AEG và Schneider Automation).
Theo mô hình ISO/OSI thì Modbus thc cht là mt chun giao thc và dch v thuc
lp ng dng, vì vy có th c thc hin trên các c ch vn chuyn cp thp nh
TCP/IP, MAP (Manufacturing Message Protocol), Modbus Plus và ngay c qua ng
truyn ni tip RS-232.

Hình 6. Phạm vi định nghĩa của MODBUS trong mô hình OSI
Modbus nh ngha mt tp hp rng các dch v phc v trao i d liu quá
trình, d liu iu khin và d liu chun oán [9]. Tt c các b iu khin ca
Modbus u s dng Modbus là ngôn ng chung. Modbus mô t quá trình giao tip
gia mt b iu khin v
i các thit b khác thông qua c ch yêu cu/áp ng. Vì lý
do n gin nên Modbus có nh hng tng i mnh i vi các h PLC ca các
nhà sn xut khác. C th, trong mi PLC ngi ta u có th tìm thy mt tp hp
con các dch v ã a ra trong Modbus. c bit trong các h thng thu thp d liu
và iu khin giám sát (SCADA), Modbus thng c s d
ng trên các ng truyn

24
RS-232 ghép ni gia các thit b d liu u cui (PLC, PC, RTU) vi thit b truyn
d liu (Modem).
2.5.1 Cơ chế giao tiếp
C ch giao tip  Modbus ph thuc vào h thng truyn thông cp thp. C
th, có th phân chia ra hai loi là mng Modbus chun và Modbus trên các mng khác
(ví d TCP/IP, Modbus Plus, MAP).
Mạng Modbus chuẩn:
Các cng Modbus chun trên các b iu khin ca Modicon c
ng nh mt s
nhà sn xut khác s dng giao tip ni tip RS-232C. Các b iu khin này có th
c ni mng trc tip hoc qua modem. Các trm Modbus giao tip vi nhau qua c
ch ch/t (Master/Slave), trong ó ch mt thit b ch có th ch ng gi yêu cu,
còn các thit b t s áp ng bng d liu tr

li hoc thc hin mt hành ng nht
nh theo nh yêu cu. Các thit b ch thông thng là các máy tính iu khin trung
tâm và các thit b lp trình, trong khi các thit b t có th là PLC hoc các b iu
khin s chuyên dng khác.
Mt trm ch có th thông báo yêu cu ti riêng mt trm t nht nh, hoc gi
thông báo ng lot ti tt c
 các trm t. Ch trong trng hp nhn c yêu cu
riêng, các trm t mi gi thông báo áp ng tr li trm ch. Trong mt thông báo
yêu cu có cha a ch trm nhn, mã hàm dch v bên nhn cn thc hin, d liu i
kèm và thông tin kim li.








Hình 7. Cơ chế giao tiếp Master/Slave ở chế độ Unicast mode

Hình 8.
Cơ chế giao tiếp Master/Slave ở chế độ Broadcast mode