Nghiên cứu bo mạch Arduino và ứng dụng cho hệ thống chiếu sáng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THÀNH TRUNG

NGHIÊN CỨU BO MẠCH ARDUINO VÀ ỨNG
DỤNG CHO HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên - 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THÀNH TRUNG
NGHIÊN CỨU BO MẠCH ARDUINO VÀ ỨNG DỤNG CHO
HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 6052 0216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN
TRƢỞNG KHOA

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA
HỌC

TS. Nguyễn Hoài Nam

PHÕNG ĐÀO TẠO

Thái Nguyên – 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thành Trung
Sinh ngày: 30 tháng 03 năm 1976
Học viên lớp cao học khoá 14 – Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá - Trƣờng
Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung
thực.
Tôi xin cam đoan rằng mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn

Nguyễn Thành Trung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo phòng đào tạo, và bộ phận quản lý
đào tạo sau Đại học - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên,

cùng các giáo sư, phó giáo sư, tiến sĩ đã quan tâm tổ chức chỉ đạo và trực tiếp giảng
dạy khóa học cao học của chúng tôi. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy
giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Hoài Nam người đã tận tình chỉ bảo và góp ý về chuyên
môn cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn.
Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn bạn bè, gia đình và đồng nghiệp - những người
đã luôn ủng hộ và động viên tôi nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tuy nhiên, do bản thân mới bắt đầu trên con đường nghiên cứu đầy thách thức,
chắc chắn bản luận văn còn nhiều thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của các
thầy cô giáo và đồng nghiệp.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

i

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii
MỤC LỤC ........................................................................................................................i
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................iv
KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................................vi
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Mục tiêu của luận văn .............................................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 1
3. Nội dung của luận văn ............................................................................................. 2
CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG
CÔNG CỘNG..................................................................................................................3
1. Tổng quan về tình hình chiếu sáng tại việt nam ......................................................3

1.1. Tính cấp thiết của hệ thống chiếu sáng công cộng ...............................................4
1.1.1. Vai trò của hệ thống chiếu sáng công cộng .......................................................4
1.1.2. Thực tế chiếu sáng công cộng ở Việt Nam ........................................................4
1.2.Các nguyên lý cơ bản trong chiếu sáng .................................................................5
1.3. Các cấp chiếu sáng ................................................................................................ 6
1.4. Các phƣơng án bố trí đèn ......................................................................................7
1.4.1. Bố trí đèn ở một bên đƣờng. ..............................................................................7
1.4.2. Bố trí đèn hai bên so le. .....................................................................................8
1.4.3. Bố trí đèn hai bên đối diện. ................................................................................8
1.4.4. Bố trí đèn theo trục của đƣờng ..........................................................................8
1.5. Các loại đèn sử dụng trong chiếu sáng đô thị .......................................................9
1.5.1. Đèn hơi natri áp suất thấp. .................................................................................9
1.5.2. Đèn hơi natri áp suất cao. ..................................................................................9
1.5.3. Đèn hơi thủy ngân. ............................................................................................. 9
1.6. Nguồn cấp cho chiếu sáng công cộng .................................................................10
1.6.1.Tính toán tiết diện dây dẫn. ..............................................................................10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

ii

1.6.2. Các phƣơng pháp cung cấp. .............................................................................13
1.6.3. Phân phối điện. ................................................................................................ 13
1.6.4. Bố trí đƣờng dây .............................................................................................. 14
1.6.5. Trạm biến áp. ...................................................................................................14
1.7. Yêu cầu kỹ thuật .................................................................................................14
1.7.1. Yêu cầu khi thiết kế cung cấp điện ..................................................................15
1.7.2 Các yêu cầu chung đối với hệ thống chiếu sáng công cộng ............................ 16
1.7.3. Dự định nghiên cứu và xu hƣớng nghiên cứu hiện nay ...................................16

1.7.4. Tính cấp thiết ...................................................................................................19
1.8. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................... 20
CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MẠNG KHÔNG DÂY GSM/GPRS. ................................ 21
2.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................21
2.2. Thực trạng hệ thống điều khiển chiếu sáng công cộng tại Việt Nam vả trên thế
giới. ............................................................................................................................ 21
2.3. Các mô hình điều khiển giám sát và truyền thông cho hệ thống chiếu sáng công
cộng ............................................................................................................................ 22
2.4. So sánh ƣu nhƣợc điểm của các giải pháp truyền thông ....................................24
2.5. Hệ thống điều khiển & giám sát chiếu sáng đô thị, sử dụng công nghệ
GSM/GPRS do HAPULICO phát triển .....................................................................26
2.6. Phát triển phần mềm điều khiển và giám sát Hệ thống chiếu sáng ....................28
2.7. Giới thiệu giải pháp trung tâm điều khiển chiếu sáng công cộng – SAVELITE (
ISRAEL) ....................................................................................................................29
2.7. Khả năng ứng dụng công nghệ truyền thông mạng không dây trong điều khiển
và quản lý hệ thống chiếu sáng tại Việt Nam ............................................................ 38
2.8. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................... 39
CHƢƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ BO MẠCH ARDUNIO VÀ XÂY ĐỰNG THUẬT
TOÁN CHO BO MẠCH ARDUINO ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG. ...................40
3.1. Giới thiệu về Arduino .........................................................................................40
3.2. Hiện tƣợng Arduino ............................................................................................ 40
3.3. Ứng dụng arduino vào điều khiển hệ thống chiếu sáng .....................................41
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

iii

3.4. Khả năng của bo mạch Arduino .........................................................................41

3.4.1. Sức mạnh xử lý ............................................................................................... 42
3.4.2. Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào: .......................................................................42
3.4.2. Xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra: ......................................................................42
3.4.3. Chuẩn Giao tiếp ............................................................................................... 43
3.5. Môi trƣờng lập trình bo mạch Arduino .............................................................. 44
3.6. Các loại bo mạch Arduino ..................................................................................45
3.7. Giới thiệu về thƣ viện GSM................................................................................48
3.7.1. Cấu trúc thƣ viện .............................................................................................. 48
3.7.2.Khả năng tƣơng thích thƣ viện Ethernet ........................................................... 49
3.7.3. Giới thiệu thƣ viện Arduino trong simulink ....................................................49
3.7.4. Khối Arduino IO Setup ....................................................................................49
3.7.5. Khối Real - Time Pacer ...................................................................................50
3.8. Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................... 53
CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG
SỬ DỤNG RƠLE THỜI GIAN, ARDUINO VÀ MÁY TÍNH ....................................54
4.1.Giới thiệu về mô hình. .........................................................................................54
4.1.1. Tổng kê thiết bị vật tƣ làm mô hình.................................................................56
4.2.1. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển và mạch động lực ......................................56
4.2. Điều khiển mô hình chiếu sáng công cộng sử dụng bo mạch arduino ...............58
4.3. Điều khiển mô hình chiếu sáng công cộng qua máy tính ...................................59
4.4. Kết luận chƣơng 4 ............................................................................................... 61
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................62
1. Kết luận: .................................................................................................................62
2. Kiến nghị: ..............................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 63

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mắt ngƣời quan sát với mặt đƣờng. ................................................................ 6
Hình 1.2. Bố trí đèn ở một bên đƣờng. ............................................................................7
Hình 1.4. Bố trí đèn ở hai bên đƣờng song song. ............................................................ 8
Hình 1.5. Bố trí đèn trên dải phân cách. ..........................................................................8
Hình 1.3. Bố trí đèn ở hai bên so le. ................................................................................8
Hình 1.6. Bố trí chiếu sáng trên đƣờng. ........................................................................10
Hình 1.7. Điện áp rơi trên đƣờng trục. ..........................................................................11
Hình 1.8. Độ sụt áp trên đƣờng dây có tiết diện khác nhau. .........................................12
Hình1.9. Sơ đồ cung cấp điện cho phụ tải. ....................................................................14
Hình 2.1 Sử dụng giải pháp truyền thông qua mạng điện thoại cố định Dial-up kết hợp
với truyền thông qua đƣờng dây tải điện (PLC). ........................................................... 22
Hình 2.2:Sử dụng giải pháp truyền thông qua mạng internet ADSL kết hợp với truyền
thông qua đƣờng tải điện PLC .......................................................................................23
Hình 2.3: Sử dụng giải pháp truyền thông qua mạng không dây GSM/GPRS. ............24
Hình 2.4: Điều khiển giám sát Hệ thống chiếu sáng công cộng bằng công nghệ GSM/
GPRS ............................................................................................................................. 27
Hình 2.5: Giao diện phần mềm điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng ...............28
Hình 2.6: Mô hình hệ thống savelite .............................................................................30
Hình 2.7: Mô hình hệ thống Savelite rút gọn ................................................................ 32
Hình 2.8: Bộ sử lý thông tin .......................................................................................... 33
Hình 2.9: Thiết bị điều khiển công suất đèn chiếu sáng................................................34
Hình 3.1: là hình ảnh bên ngoài của một cạc Arduino UNO. Bo mạch này đã đƣợc thiế
kế và chế tạo hoàn chỉnh về phần cứng. Do đó ngƣời sử dụng chỉ cần quan tâm tới lập
trình cho nó để thực hiện một thuật toán nào đó.Đây cũng là lý do chính để tác giả lựa
chọn Arduino cho đề tài này. Ngoài UNO, còn có một số loại các khác nữa nhƣ ........40
Arduino Mega ................................................................................................................40
Hình 3.2: Giao diện IDE của Arduino ...........................................................................44

Hình 3.3: Bo mạch arduino GSM ..................................................................................46
Hình 3.4: Bo mạch arduino GSM , chân tiếp xúc điều khiển qua giọng nói ................47
Hình 3.5: Bo mạch arduino GSM , chân tiếp xúc điều khiển nguồn ............................ 47
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

v

Hình 3.6: Bo mạch arduino GSM , các chân tiếp xúc điều khiển .................................48
Hình 3.8: Giao diện định nghĩa cho khối Arduino IO Setup .........................................50
Hình 3.9: Khối ReaTimePacer ......................................................................................51
Hình 3.10: Giao diện để điều khiển thời gian thực .......................................................51
Hình 3.11: Sơ đồ khối của khối Arduino digital write ..................................................51
Hình 3.12: Giao diện của khối của khối Con Direction ................................................52
Hình 4.1. Mô hình điều khiển chiếu sáng công cộng sử dụng rơle thời gian và kết nối
qua bo mạch arduino .....................................................................................................55
Hình 4.1.2: Sơ đồ nguyên lý .......................................................................................... 57
Hình 4.2: Điều khiển chiếu sáng công cộng qua máy tính ............................................60

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

vi

KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
C.I.E: Tiêu chuẩn chiếu sáng đƣờng
: Điện trở công suất của vật liệu làm dây dẫn
ΔU: Sụt áp cho phép trên đƣờng dây

ISL: Chỉ số chói lóa của bộ đèn
LTB: Giá trị độ chói trung bình trên đƣờng.
PLC: công nghệ truyền thông qua đƣờng tải điện hạ thế: Power Line Communication
GSM/GPRS: Mạng không dây
ICP/IP: Bộ giao thức liên mạng
GIS: Bản đồ hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information SystemError!
Bookmark not defined.
Digital output: Ngõ tín hiệu ra trên bo mạch arduino
PWM output: Cổng dùng để xuất tín hiệu điều chế xung trên bo mạch arduino
Serial: Đây là chuẩn giao tiếp nối tiếp đƣợc dùng rất phổ biến trên các bo mạch
Arduino
TWI (I2C): Đây là một chuẩn giao tiếp đồng bộ khác nhƣng bus chỉ có hai dây

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

1

MỞ ĐẦU
1. Mục tiêu của luận văn
Hiện nay việc ứng dụng công nghệ thu thập dữ liệu xa, điều khiển xa và giám
sát xa cho các lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế quốc dân là rất cần thiết.
Ngành chiếu sáng nơi công cộng, đô thị…cũng là một trong những lĩnh vực rất
đƣợc quan tâm, nhằm giải quyết bài toán giám sát, chống thất thoát điện năng. Đây là
một vấn đề cấp thiết vì hệ thống chiếu sáng trải dài trên phậm vi toàn quốc
Hệ thống chiếu sáng công cộng là một trong những hạng mục công trình hạ
tầng kỹ thuật không thể thiếu của các đô thị. Để đáp ứng đƣợc tốc độ phát triển đô thị,
trong những năm gần đây các đô thị đã không ngừng đầu tƣ cải tạo và xây dựng hệ
thống chiếu sáng công cộng nhằm nâng cao chất lƣợng ánh sáng. Trên thế giới, hầu hết

các đô thị loại vừa và lớn đều đƣợc trang bị, lắp đặt một hoặc nhiều trung tâm điều
khiển cho hệ thống chiếu sáng thành phố nhằm phát huy hiệu quả cao trong công tác
vận hành và kiểm soát lƣới đèn.
Nhận thấy đƣợc vai trò quan trọng của không ngừng đầu tƣ cải tạo và xây dựng
hệ thống chiếu sáng công cộng nhằm nâng cao chất lƣợng ánh sáng, vì vậy tôi chọn đề
tài " NGHIÊN CỨU BO MẠCH ARDUINO VÀ ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG
CHIẾU SÁNG ".
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu về chiếu sáng và so sánh các phƣơng pháp điều khiển chiếu sáng
trên thế giới dùng công nghệ truyền thông.
- Khảo sát chất lƣợng trung tâm điều khiển chiếu sáng sử dụng công nghệ mạng
không dây GSM/GPRS để điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng bằng mô phỏng
và kiểm chứng bằng thực nghiệm.
- Nghiên cứu bo mạch arduino cho hệ thống điều khiển chiếu sáng.
- Thiết kế tủ điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng
- Xây dựng tủ điều khiển cho hệ thống chiếu sáng công cộng trên thiết bị thực
của xƣởng điện.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

2

3. Nội dung của luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chƣơng sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về chiếu sáng và điều khiển chiếu sáng công cộng.
Chƣơng 2: Xây dựng mô hình trung tâm điều khiển chiếu sáng sử dụng công
nghệ mạng không dây GSM/GPRS.
Chƣơng 3: Tìm hiểu về bo mạch ardunio và xây dựng thuật toán cho bo mạch

arduino để điều khiển chiếu sáng.
Chƣơng 4: Thiết kế mô hình điều khiển chiếu sáng sử dụng rơle Time và bo
mạch Arduino
Kết luận và kiến nghị.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG

1. Tổng quan về tình hình chiếu sáng tại việt nam
Hệ thống chiếu sáng công cộng là một trong những hạng mục công trình hạ
tầng kỹ thuật không thể thiếu của các đô thị. Để đáp ứng đƣợc tốc độ phát triển đô thị,
trong những năm gần đây các đô thị đã không ngừng đầu tƣ cải tạo và xây dựng hệ
thống chiếu sáng công cộng nhằm nâng cao chất lƣợng ánh sáng. Trên thế giới, hầu hết
các đô thị loại vừa và lớn đều đƣợc trang bị, lắp đặt một hoặc nhiều trung tâm điều
khiển cho hệ thống chiếu sáng thành phố nhằm phát huy hiệu quả cao trong công tác
vận hành và kiểm soát lƣới đèn. Ở Việt Nam, thành phố Hà Nội là đơn vị lắp đặt trung
tâm điều khiển đầu tiên trong cả nƣớc – từ những năm 1980, tiếp theo là thành phố Hồ
Chí Minh đã xây dựng trung tâm điều khiển chiếu sáng công cộng với quy mô điều
khiển 12.000 điểm sáng.
Từ khi ứng dụng trung tâm điều khiển vào việc quản lý hệ thống đèn chiếu sáng các
đơn vị quản lý chiếu sáng công cộng đều thấy đƣợc các hiệu quả góp phần nâng cao
công tác quản lý:
 Điều chỉnh linh hoạt thời gian đóng cắt Hệ thống chiếu sáng tại các khu vực từ
trung tâm theo tình hình thời tiết, giảm tiêu thụ điện năng.

 Từ trung tâm cho phép đóng cắt và giám sát tới từng tủ chiếu sáng của mỗi khu
vực.
 Quan sát tức thời các thông số điện áp, dòng điện. Báo hiệu sự cố khi có tình
trạng chạm chập, quá tải và các hiện tƣợng câu móc điện.
 Quản lý số liệu vận hành: Tình trạng đóng cắt, mức độ tiêu thụ điện năng.
 Tổng hợp số liệu, chiết xuất các báo cáo phục vụ công tác quản lý
 Giảm thời gian đi kiểm tra lƣới đèn cho Công nhân quản lý vận hành.
 Góp phần nâng cao năng lực và ứng dụng công nghệ mới cho các cán bộ kỹ
thuật của công ty.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

4

1.1. Tính cấp thiết của hệ thống chiếu sáng công cộng
Để thấy đƣợc tính cấp thiết của vấn đề này em sẽ đi vào tìm hiểu vai trò và hiện
trạng của chiếu sáng nƣớc ta hiện nay
1.1.1. Vai trò của hệ thống chiếu sáng công cộng
Tại các nƣớc phát triển, điện năng dùng cho chiếu sáng chiếm từ 8% đến 13%
tổng điện năng tiêu thụ. Hệ thống chiếu sáng đô thị bao gồm có nhiều thành phần khác
nhau, trong đó có thể kể đến chiếu sáng phục vụ giao thông, chiếu sáng các cơ quan
chức năng, chiếu sáng nơi công cộng…
Chiếu sáng nơi công cộng tạo ra sự sống động , hấp dẫn và tráng lệ cho các đô
thị về đêm, góp phần nâng cao chất lƣợng cuộc sống cho ngƣời dân, thúc đẩy sự phát
triển thƣơng mại và du lịch. Đặc biệt hệ thống chiếu sáng nơi công cộng còn tạo ra
không khí lễ hội, sự khác biệt về cảnh quan của các khu dân cƣ trong các dịp lễ tết hay
những ngày kỉ niệm lớn, hoặc trong thời điểm diễn ra các hoạt động chính trị, văn hóa
xã hội cũng nhƣ sự kiện quốc tế.

Trong điều kiện thiếu hụt về điện năng của nƣớc ta, đã có những lúc những nơi
chiếu sáng công cộng bị coi là phù phiếm, lãng phí và không hiệu quả. Điều này xuất
phát từ góc độ tiêu thụ năng lƣợng mà chƣa nhận thức tổng quát về vai trò chiếu sáng
công cộng. Do đó cần có sự đánh giá chích xác và khách quan về hiệu quả mà chiếu
sáng đem lại không chỉ về mặt kinh tế, mà còn cả trên bình diện văn hóa xã hội.
Không chỉ nhìn nhận những hiệu quả trực tiếp trƣớc mắt, có thể tính đƣợc bằng tiền
mà còn cả hiệu quả gián tiếp và lâu dài mà chiếu sáng nơi công cộng mang lại trong
việc quảng bá, thúc đẩy sự phát triển của thƣơng mại, du lịch và dịch vụ. Chỉ có nhƣ
vậy, hệ thống chiếu sáng nơi công cộng mới có thể phát triển và duy trì một cách bền
vững, đóng một vai trò ngày càng xứng đáng trong các công trình hạ tầng kĩ thuật.
Để làm đƣợc việc đó chúng ta phải đẩy mạnh nghiên cứu, ứng dụng và phát
triển về công nghệ chiếu sáng công cộng ngày càng hoàn thiện, nhằm xây dựng đất
nƣớc Việt Nam vừa mang phong cách hiện đại vừa giữ gìn đƣợc những nét truyền
thống.
1.1.2. Thực tế chiếu sáng công cộng ở Việt Nam
Quá trình phát triển nhanh của các đô thị trọng tâm hiện nay là rất lớn, do đó hệ
thống chiếu sáng phải phát triển để đáp ứng đƣợc các yêu cầu đặt ra. Hiện nay hệ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

5

thống chiếu sáng của chúng ta đang gặp nhiều bất cập, nhất là các thành phố lớn tốc độ
phát triển đô thị nhanh. Hệ thống chiếu sáng không kịp đáp ứng yêu cầu đó nên để lại
nhiều vấn đề cần phải giải quyết.
Vấn đề quản lý và vận hành hệ thống chiếu sáng còn chƣa tập chung, thiếu
đồng bộ, quá trình vận hành và bảo dƣỡng mất nhiều thời gian. Vì thế chi phí cho đội
ngũ nhân viên bảo dƣỡng sửa chữa tốn kém ảnh hƣởng đến quá trình phát triển chung.
Vì thế vấn đề đặt ra đó là cần phải xây dựng đƣợc một hệ thống chiếu sáng tập trung

để quá trình vận hành hệ thống đƣợc thuận lợi.
Hệ thống chiếu sáng hiện nay đƣợc điều khiển bật/tắt tại các tủ chiếu sáng dựa
vào thời gian thực. Do đó thời gian bật tắt đèn hàng ngày là cố định mà mỗi mùa lại có
thời gian sáng và tối của một ngày là khác nhau, quá trình thay đổi giờ khó khăn và
phức tạp. Thực tế đó dẫn đến đèn chiếu sáng của chúng ta có thể đƣợc bật lên sớm
hoặc lên muộn, tắt sớm hoặc tắt muộn. Điều này làm ảnh hƣởng đến sinh hoạt của
ngƣời dân và nguy cơ dẫn đến mất an toàn giao thông. Điều này đặt ra cho hệ thống
chiếu sáng là phải đáp ứng đƣợc về mặt thời tiết từng mùa, cũng nhƣ từng vùng miền.
Mặt khác do sự phát triển nhanh của các đô thị mới đƣợc xây dựng, quá trình
lắp đặt hệ thống mới đồng bộ với hệ thống cũ là rất khó khăn và mất nhiều thời gian.
Không những thế hệ thống chiếu sáng cũ còn rất bất cập trong quá trình thay mới và
sửa chữa dẫn đến chất lƣợng chiếu sáng ở nhiều nơi còn chƣa đồng đều, nơi thì thiếu
nơi thì thừa.
1.2.Các nguyên lý cơ bản trong chiếu sáng
Các tiêu chuẩn chiếu sáng đƣờng bộ thực chất đòi hỏi cho phép một tri giác nhìn
nhanh chóng, chính xác và tiện nghi cụ thể:
Độ chói trung bình của mặt đƣờng do ngƣời lái xe quan sát khi nhìn mặt đƣờng ở
tầm xa 100m khi thời tiết khô. Mức yêu cầu phụ thuộc vào loại đƣờng (mật độ giao
thông, tốc độ, vùng đô thị hay nông thôn. . .) trong các điều kiện làm việc bình thƣờng.

* Mặt đƣờng đƣợc xét đến đƣợc quan sát dƣới góc 0,50 đến 1,50 và chải dài từ 60
đến 170m trƣớc ngƣời quan sát.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

6

Hình 1.1. Mắt người quan sát với mặt đường.

* Độ đồng đều phân bố biểu kiến của độ chói lấy ở các điểm khác nhau của bề
mặt. Độ chói không giống nhau theo mọi hƣớng (sự phản xạ không phải là vuông góc
mà là phản xạ hỗn hợp), điều quan trọng là chỉ rế hình dạng "lƣới" của chỗ quan sát.

* Nói chung trên đƣờng giao thông ngƣời ta đƣa ra hai điểm đo theo chiều ngang
và một tập hợp cách nhau gần 5m giữa các cột đèn đối với số lần đo theo chiều dọc.

* Hạn chế lóa mắt không tiện nghi, nguồn cản trở và sự mệt mỏi do số lƣợng và
quang cảnh của các đèn xuất hiện trong thị trƣờng, liên quan đến độ chói trung bình
của con đƣờng.

* Do đó ngƣời ta định nghĩa một "chỉ số lóa mắt" G (Glare index) chia theo thang
từ 1 (không chịu đƣợc) đến 9 (không cảm nhận đƣợc) và cần phải giữ ít nhất ở mức 5
(chấp nhận đƣợc).

* Hiệu quả dẫn hƣớng nhìn khi lái phụ thuộc vào vị trí của các điểm sáng trên các
đƣờng cong, loại nguồn sáng trên một tuyến đƣờng và tín hiệu báo trƣớc những nơi
cần chú ý (đƣờng vòng, chỗ thu thuế đƣờng, ngã tƣ...) cũng nhƣ các lối vào của con
đƣờng.
1.3. Các cấp chiếu sáng
Đối với các tuyến đƣờng mô quan trọng, C.I.E xác định 5 cấp chiếu sáng khi đƣa
ra các giá trị tối thiểu phải thỏa mãn với chất lƣợng phục vụ. Cần chú ý sự khác nhau
của công thức hệ số đồng đều: giá trị của U0 từ 0,4 có thể đảm bảo tri giác nhìn chính
xác khi nhìn mặt đƣờng thấy phong cảnh thấp thoáng, còn gọi là "hiệu ứng bậc thang".
Nếu độ đồng đều theo chiều dọc U1 lớn hơn 0,7 hiệu ứng này không còn nữa. Tất
nhiên, do sự già hóa của thiết bị, các chuyên viên thiết kế phải tăng độ chói trung bình
khi vận hành cũng giống nhƣ trƣờng hợp chiếu sáng trong nhà.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

7

Cấp

Bảng 1.1. Các cấp chiếu sáng tƣơng ứng với loại đƣờng.
Loại đƣờng
Mốc
Độ chói Độ đồng Độ đồng
trung

đều nói

đều

tiện nghi

bình
cd/m2 Ltb

chung

chiều dọc

G

Lmin
U0

B
C

D

E

Xa lộ
Xa lộ cao tốc
Đƣờng cái
Đƣờng hình tia

Sáng
Tối

2
2
1 đến 2

Thành phố hoặc Sáng
đƣờng có ít
ngƣời đi bộ
Tối

2

Các phố chính
Các phố buôn
bán
Đƣờng vắng

Sáng

2

Sáng
Tối

1
0,5

Lmin
U1

Ltb
A

Chỉ số

Lmax

0,4
0,4

0,7
0,7

6
5
6

0,4

0,7

5

1

6
0,4

0,7

4

0,5

4
5

1.4. Các phƣơng án bố trí đèn
1.4.1. Bố trí đèn ở một bên đƣờng.
Đó là trƣờng hợp đƣờng tƣơng đối
hẹp hoặc một phía có hàng cây hoặc
chỗ uốn cong. Trƣờng hợp này sẽ bố trí
đèn ở ngoài chỗ uốn khúc để đảm bảo
hƣớng tầm nhìn cho phép đánh giá tầm
quan trọng chỗ rẽ. Sự đồng đều của độ
rọi đƣợc đảm bảo bằng giá trị h ≥1.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

Hình 1.2. Bố trí đèn ở một bên đường.

/>

8

1.4.2. Bố trí đèn hai bên so le.
Dành cho đƣờng hai chiều, độ rọi nói chung sẽ đều hơn nhƣng phải tránh
uốn khúc. Sự đồng đều của độ chói ngang đòi hỏi độ cao của đèn h ≥ 2/31.

Hình 1.3. Bố trí đèn ở hai bên so le.
1.4.3. Bố trí đèn hai bên đối diện.
Đối với các đƣờng rộng hoặc khi đảm bảo độ cao nhất định của đèn, sự
đồng đều của độ chói ngang cần thiết có h ≥ 0,51.

Hình 1.4. Bố trí đèn ở hai bên đường song song.
1.4.4. Bố trí đèn theo trục của đƣờng
Đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp đƣờng đôi có phân cách ở giữa, sự bố trí
nhƣ vậy chỉ cho phép sử dụng một cột có hai đầu nhô ra, đồng thời cũng là
đƣờng cung cấp điện.

Hình 1.5. Bố trí đèn trên dải phân cách.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

9

1.5. Các loại đèn sử dụng trong chiếu sáng đô thị
1.5.1. Đèn hơi natri áp suất thấp.
Đèn hơi dạng ống, đôi khi ống dạng hình chữ U, chứa natri (khi nguội ở trạng
thái giọt) trong khi neon cho phép mồi ống (ánh sáng đỏ - da cam) và bay hơi natri.
Các đặc trƣng của đèn:
- Hiệu quả phát sáng có thể đạt tới 1901m/W, vƣợt xa các nguồn sáng khác.
- Chỉ số màu bằng không do sự tỏa tia hầu nhƣ là đơn sắc.
- Tuổi thọ lý thuyết bằng 8000 giờ.
Ứng dụng:
Dành cho các trƣờng hợp thể hiện màu không quan trọng, khái niệm về số lƣợng
quan trọng hơn chất lƣợng. Chiếu sáng rất kinh tế đối với các loại đƣờng nhƣ: đƣờng
xa lộ, đƣờng hầm, chỗ đậu xe, các kênh đào, các cửa sông.
1.5.2. Đèn hơi natri áp suất cao.
Đèn phóng điện có kích thƣớc giảm đáng kể để duy trì nhiệt độ, áp suất và đƣợc
làm bằng thủy tinh alumin, thạch anh bị ăn mòn bởi Na. Ống đặt trong bóng hình quả
ứng hay hình ống có đui xoáy.
Các đặc trƣng của đèn:

- Hiệu quả ánh sáng có thể đạt tới 120 (lm/W).
- Chỉ số màu xấu (Ra = 20), nhƣng bù lại đèn có nhiệt độ màu thấp, dễ
chịu ở mức độ rọi thấp.

- Nhiệt độ màu từ 2000 đến 2500K.
- Tuổi thọ lý thuyết là 10.000 giờ.
Ứng dụng:

- Đƣợc dùng chủ yếu để chiếu sáng ngoài trời, các khu vực cần vận
chuyển nhƣ đƣờng phố, bến đỗ xe lớn, các gầm cầu và bên trong các tòa nhà hay

các xƣởng công nghiệp nặng.
1.5.3. Đèn hơi thủy ngân.
Bóng đèn thủy ngân áp lực cao là một nguồn sáng điện tƣơng đối mới, có hiệu
suất phát sáng cao. Khi phóng điện trong hơi thủy ngân có áp suất cao giữa 1at và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

10

10at trong ánh sáng nhìn thấy có bốn vạch chính (400,430, 540 và 560nm), mặc dù
cho ánh sáng trắng song không đảm bảo sự thể hiện màu tốt.
Về cấu tạo hiện nay có hai loại:

- Loại có bộ phận chân lƣu đặt bên trong.
- Loại có bộ phận chấn lƣu đặt bên ngoài.
Đặc trƣng của đèn:
. Hiệu quả ánh sảng từ 40 dền 60 lm/W

- Chỉ số màu là 50 ở 4000K và 60 đối với sêri "cao cấp" ở 3300 K
- Tuổi thọ lý thuyết 10000 giờ
Ứng dụng

- Sử dụng trong chiếu sáng ngoài trời và trong các sở công nghiệp lớn.
Trong chiếu sáng đô thị (chủ yếu là chiếu sáng cho các công viên vƣờn hoa, nó
vẫn giữ nguyên tính chắc chắn, tin cậy và giá thành).
1.6. Nguồn cấp cho chiếu sáng công cộng
1.6.1.Tính toán tiết diện dây dẫn.

Hình 1.6. Bố trí chiếu sáng trên đường.

Biểu thức điện áp rơi.
U

R.I.cos

L. .I.sin

Thực tế trong thiết bị chiếu sáng đã bù có cosφ gần bằng 0,85 ta tính
gần đúng điện áp rơi trên đƣờng dây là:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

11

ΔU = R.I
Điện trở suất của dãy đồng hoặc dây nhôm cần tính khi nhiệt độ kim loại ở ruột
cáp thƣờng bằng 650, cũng nhƣ tính đến các điện trở tiếp xúc. Do đó ta lấy:

đồng = 22 /km/mm2
nhôm = 35 /km/mm2
Trong mọi trƣờng hợp, giá trị điện áp rơi với các đèn ở cuối đƣờng dây không
vƣợt quá 3% tức là 6,6V ở các đầu cực của đèn, nếu không quang thông giảm đi và
trong trƣờng hợp một bộ phận lƣới bị hỏng có nguy cơ làm đèn không bật sáng đƣợc.

* Điện áp rơi trên đƣờng trục.
Với đƣờng dây một pha gồm n đèn giống nhau, khoảng cách giữa các đèn là 1
mỗi đèn tiêu thụ cùng dòng điện có trị số hiệu dụng I, các dòng điện đều cùng pha,
dòng điện đầu đƣờng dây là It = n .I

Hình 1.7. Điện áp rơi trên đường trục.
Điện áp rơi trên từng đoạn là:
Un

1

2

lI

, Un

2

2

s s

l 2I

,... U 1

2

l (n 1) I

s

Do đó điện áp rơi trên đƣờng dây:
n 1

Us

UK

Ue
1

2

lI (n 1)
.n.
s
2

Với chiều dài đƣờng dây L = (n-1).l, điện áp rơi U  2

 It L
s

.

2

điều đó đƣợc coi nhƣ tổng tải đƣợc đặt ở một nửa chiều dài đƣờng dây. Ta sẽ thấy lợi
ích của việc bù cosφ của từng đèn mà không đặt một trạm bù vì cosφ khi không bù
từ 0,4 đến 0,5 làm tăng dòng điện đƣờng dây lên gấp đôi.
Nhận xét:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

12

Trƣờng hợp nguồn cung cấp là ba pha nối sao trong tính Yn, các đèn đƣợc nối
vào các dây pha và dây trung tính, điện áp rơi từng pha phải đƣợc chia cho 2 vì không
có dòng điện trong dây trung tính và điện áp rơi dây bằng:
U

3.

It L
.
s 2

Kết quả này cũng đúng với lƣới hình tam giác, cho ta thấy lợi ích của mạch ba
pha.
* Các đƣờng trục có tiết diện khác nhau.
Trong trƣờng hợp này sẽ kinh tế hơn nếu chọn tiết diện dây dẫn theo dòng
điện chạy qua, đó là trƣờng hợp các đƣờng dây dài hoặc các lƣới phân nhánh. Do
vậy vấn đề là tìm cách bố trí sao cho trọng lƣợng dây dẫn là nhỏ nhất mà sụt áp
không quá 3%.

Hình 1.8. Độ sụt áp trên đường dây có tiết diện khác nhau.
Sụt áp lớn nhất là:
V    l1 / s1  I1  ...   ln / sn  I n 

(1)

Khôi lƣợng kim loại là :
[l1S1

+ .... lnSn]

(2)

Với khối lƣợng kim loại và điện áp rơi đã cho, vi phân của 2 biểu thức này
theo các tiết diện bằng không cho ta:
l1I1

dS
dS1
 ...  ln I n 2n  0  l1dS1  ...  ln dSn
2
S1
Sn

Cân bằng từng thành phần ta đƣợc Sk  S1

Ik
I1

(3)

Do đó phƣơng trình (3) và (1) dẫn đến :
S1  I1


U

l

1



I1  ...ln I1  I1 .A

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

(4)
/>

13

Từ đó Suy ra các giá trị tiết diện đƣờng dây.
Trong thực tế ta chỉ chọn 2 hoặc 3 tiết diện dây khác nhau đối với mạch
phân phối nối tiếp, ƣu điểm của phƣơng pháp này thể hiện rế trong tính toán các
mạch phân nhánh.
1.6.2. Các phƣơng pháp cung cấp.
Khi công suất chiếu sáng đạt tới 30 kW nên sử dụng lƣới trung áp
3200/5500 V có máy biến áp cho các nhóm đèn. ƣu điểm chính của trung áp là:

- Giảm tiết diện dây dẫn.
- Tiêu thụ điện nhỏ hơn, giá tiền điện ở điện áp cao rẻ hơn.
- Điện áp ổn định hơn làm tuổi thọ đèn tăng.
- Hệ thống có điều khiển từ xa thống nhất.
1.6.3. Phân phối điện.
Có thể tiến hành theo 3 cách: một pha 220V, ba pha Yn (sao trung tính)

220/380V, (tam giác) 220V.
Bảng 1.2 Phân phối ba pha đối với một hệ thống chiếu sáng đã cho khi có
cùng một sụt áp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

14

Hình1.9. Sơ đồ cung cấp điện cho phụ tải.
1.6.4. Bố trí đƣờng dây
Khi bố trí mạch nhánh' ta lƣu ý rằng máy biến áp đƣợc đặt ở tâm hình học
để giảm sụt áp đến cuối đoạn dây hoặc để giảm tiết diện dây dẫn. Nếu có thể
đƣợc nên bố trí nguồn cung cấp theo mạch vòng, cho phép đảm bảo chiếu sáng
khi có sự cố đƣờng dây. Tính toán tiết diện theo mạch vòng giống nhƣ cho mạch
hở tƣơng đƣơng với một nửa vòng.
1.6.5. Trạm biến áp.
Việc lựa chọn công suất máy biến áp phụ thuộc:

- Công suất tiêu thụ của các bộ đèn.
- Dòng điện tiêu thụ khi mỗi đèn bằng 1,5 đến hai lần dòng điện định mức
trong phút đầu tiên (do đó cần phải khởi động từng bộ phận).

- Khả năng mở rộng lƣới: mặt khác cần phải đảm bảo an toàn và bảo vệ khi
làm việc ở lƣới trung áp Các tủ điều khiển gồm các thiết bị bảo vệ khác nhau,
dây nối đất và công tơ hệ thống bật tắt từ xa. Các kiểu thƣờng dùng là: máy cắt
theo giờ có cơ cấu đồng hồ điện.
1.7. Yêu cầu kỹ thuật
Trong phần này giới thiệu về các yêu cầu khi thiết kế cung cấp điện và yêu cầu

về kỹ thuật trong chiếu sáng công cộng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

15

1.7.1 Yêu cầu khi thiết kế cung cấp điện
a. Độ tin cậy cung cấp điện
Độ tin cậy cung cấp điện tùy thuộc vào hộ tiêu thụ thuộc loại nào, trong điều
kiện cho phép ngƣời ta cố gắng chọn phƣơng án cung cấp điện có độ tin cậy cang cao
càng tốt.
b. Chất lƣợng điện
Chất lƣợng điện đƣợc đánh giá bàng hai chỉ tiêu tần số và điện áp.Chỉ tiêu tần
số do cơ quan điều khiển hệ thống điện điều chỉnh. Chỉ có những hộ tiêu thụ lớn (hàng
chục MW trở lên) mới phải quan tâm đến chế độ vận hành của mình sao cho hợp lý để
góp phần ổn định tần số của hệ thống điện.
Vì vậy, ngƣời thiết kế cung cấp điện thƣờng chỉ quan tâm đảm bảo đến chất
lƣợng điện áp cho khách hàng.
Nói chung, điện áp ở lƣới trung áp và hạ áp cho phép giao động quanh giá trị
±5% điện áp định mức. Đối với những phụ tải có yêu cầu cao về chất lƣợng điện nhƣ
nhà máy hóa chất,điện tử,cơ khí…điện áp chỉ cho phép dao động trong khoảng ±
2,5%
c. An toàn cung cấp điện
Hệ thống cung cấp điện phải đƣợc vận hành an toàn đối với ngƣời và thiết bị. Muốn
đạt đƣợc yêu cầu đó,ngƣời thiết kế phải lựa chọn sơ đồ cung cấp điện hợp lý, rõ ràng,
mạch lạc để tránh đƣợc nhầm lẫn trong vận hành; các thiết bị phải đƣợc chọn đúng
chủng loại,đúng công suất.
Công tác xây dựng, lắp đặt hệ thống cung cấp điện ảnh hƣởn lớn đến chế độ an

toàn cung cấp điện.
Cuối cùng, việc vận hành quản lý hệ thống điện có vai trò đặc biệt quan trọng.
Ngƣời sử dụng phải tuyệt đối chấp hành những quy định về an toàn sử dụng điện.
d. Kinh tế
Khi đánh giá so sánh các phƣơng án cung cấp điện, chỉ tiêu kinh tế chỉ đƣợc xét
đến khi các chỉ tiêu kỹ thuật nêu trên đã đƣợc đảm bảo.
Chỉ tiêu kinh tế đƣợc đánh giá qua: tổng vốn đầu tƣ, chi phí vận hành và thời
gian thu hồi vốn đầu tƣ.
Việc đánh giá chỉ tiêu kinh tế phải thông qua tính toán và so sánh tỉ mỉ giữa các
phƣơng án, từ đó mới có thể đƣa ra phƣơng án tối ƣu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>