Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ platform bằng mô
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.6 MB, 78 trang )
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
Bộ Giáo Dục và Đào Tạo
Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Độc Lập -Tự Do - Hạnh Phúc
NHIỆM VỤ
THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
Họ và tên: Lê Thiết Hùng
Khoá: 2012B
Ngành: Điều khiển và Tự động hóa
Tên đề tài: Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình
nhiệt
1. Các số liệu ban đầu:
2. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
-
Tổng quan về tối ưu hóa năng lượng tòa nhà
-
Tìm hiều hệ thống tự động hóa tòa nhà theo tiêu chuẩn ENOCEAN
-
Tích hợp hệ thống Tự động hóa tòa nhà tại viện MICA
-
Thiết kế và xây dựng mô hình nhiệt cho phòng 904 viện MICA
-
Kết luận và hướng phát triển của đề tài
3. Các bản vẽ đồ thị (ghi rõ các loại bản vẽ về kích thước các bản vẽ)
4. Cán bộ hướng dẫn
Phần
Họvà tên cán bộ
Phần lý thuyết
TS. Lê Minh Hoàng
Phần thực hành
TS. Lê Minh Hoàng
5. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế:
6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
Lê Thiết Hùng
1
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
Ngày
tháng
năm
Chủnhiệm bộmôn
Cán bộhướng dẫn
(Ký, ghi rõ họ tên)
(Ký, ghi rõ họ tên)
TS. Lê Minh Hoàng
Sinh viênđãhoànthành
(Ký, ghi rõ họ tên)
Lê Thiết Hùng
Lê Thiết Hùng
2
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
MỤC LỤC
1. CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ TỐI ƢU HÓA NĂNG LƢỢNG TÒA NHÀ10
1.1 Mô hình hệ thống Tối ƣu hóa năng lƣợng ................................................. 10
1.2 Đối tƣợng nghiên cứu .................................................................................... 12
1.2.1 Vị trí địa lý.............................................................................................................. 12
1.2.2 Sơ đồ các thiết bị điện sử dụng ............................................................................... 14
1.3 Công nghệ ENOCEAN – Công nghệ chuẩn mới cho bài toán Tự động hóa
tòa nhà...................................................................................................................... 15
1.3.1 Những đặc tính của chuẩn ENOCEAN .................................................................. 16
1.4 Kết luận ........................................................................................................... 19
2. CHƢƠNG II: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TÒA NHÀ THEO CÔNG NGHỆ
ENOCEAN .................................................................................................................. 20
2.1 Hệ thống cảm biến ......................................................................................... 20
2.1.1 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm ................................................................................... 20
2.1.2 Cảm biến đóng mở.................................................................................................. 22
2.1.3 Cảm biến chuyển động ........................................................................................... 23
2.1.4 Cảm biến công suất................................................................................................. 24
2.1.5 Cảm biến khí tượng ................................................................................................ 26
2.1.6 Cảm biến ánh sáng ngoài trời ................................................................................. 29
2.2 Hệ thống cơ cấu chấp hành ........................................................................... 30
2.3 Gateway truyền nhận dữ liệu ....................................................................... 31
2.4 Lắp đặt hệ thống Tự động hóa tòa nhà tại tầng 9 Viện MICA .................. 33
2.5 Kết Luận ......................................................................................................... 35
3. CHƢƠNG III: TÍCH HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TÒA NHÀ TẠI
VIỆN MICA ................................................................................................................ 36
3.1 Xây dựng phần mềm thu thập và điều khiển .............................................. 36
3.1.1 Tại sao sử dụng Python? ......................................................................................... 36
Lê Thiết Hùng
3
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
3.1.2 Chức năng của chương trình ................................................................................... 37
3.1.3 Cấu trúc chương trình ............................................................................................. 39
3.1.4 Cơ sở dữ liệu........................................................................................................... 41
3.2 Phần mềm giao diện thu thập và điều khiển ............................................... 44
3.2.1 Thiết kế chương trình ............................................................................................. 44
3.2.2 Thiết kế giao diện ................................................................................................... 48
3.2.3 Chạy thử nghiệm..................................................................................................... 49
3.3 Kết Luận ......................................................................................................... 53
4. CHƢƠNG IV: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHIỆT CHO PHÒNG TTAC VIỆN
MICA ........................................................................................................................... 54
4.1 Mô hình hóa mô hình nhiệt của phòng TTAC ............................................ 54
4.2 Tính toán ƣớc lƣợng các thông số mô hình nhiệt trở, nhiệt dung thông qua
đặc tính vật lý: ......................................................................................................... 57
4.2.1 Phương pháp tính toán ước lượng tham số ............................................................. 57
4.2.2 Áp dụng tính toán ước lượng các tham số cho đối tượng nghiên cứu .................... 59
4.3 Tối ƣu hóa các tham số sử dụng hàm fmincon của Matlab .................... 65
4.4 Chạy thử nghiệm trên kết quả thu thập từ hệ thống ................................ 67
4.4.1 Trường hợp các ngày trong tuần (có người sử dụng) ............................................. 67
4.4.2 Trường hợp các ngày nghỉ (không có người sử dụng) ........................................... 69
4.5 Kết Luận ......................................................................................................... 71
5. CHƢƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI............ 72
5.1 Kết Luận ......................................................................................................... 72
5.2 Hƣớng phát triển của đề tài .......................................................................... 72
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 74
7. BẢNG PHỤ LỤC ................................................................................................... 75
Lê Thiết Hùng
4
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sơ đồ tối ưu hóa năng lượng viện MICA ............................................................ 11
Hình 1.2 Vị trí Viện MICA trong sơ đồ tòa nhà B1. .......................................................... 13
Hình 1.3 Sơ đồ các phòng chức năng tại tầng 9 tòa nhà B1. ............................................ 14
Hình 1.4 Mặt bằng điện trong phòng TTAC...................................................................... 15
Hình 1.5 Tiêu chuẩn quốc tế ENOCEAN cho bài toán Tự động hóa tòa nhà ................... 16
Hình 1.6 Tiêu chuẩn quốc tế ENOCEAN .......................................................................... 16
Hình 1.7 Sự kết hợp giữa truyền thông không dây và các công nghệ tự chủ năng lượng18
Hình 1.8 Sơ đồ chuyển đổi năng lượng điều khiển theo chuẩn ENOCEAN ...................... 18
Hình 1.9 Khả năng tương tác tối đa của ENOCEAN ........................................................ 19
Hình 2.1 Giới thiệu hệ thống thiết bị của chuẩn ENOCEAN ............................................ 21
Hình 2.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm ................................................................................... 21
Hình 2.3 Frame truyền (dạng 4BS) [TL2]......................................................................... 22
Hình 2.4 Cảm biến đóng mở .............................................................................................. 23
Hình 2.5 Frame truyền (dạng 1BS) ................................................................................... 23
Hình 2.6 Cảm Biến Chuyển Động ..................................................................................... 24
Hình 2.7 Frame truyền (dạng 4BS) ................................................................................... 25
Hình 2.8 Cảm biến công suất ............................................................................................ 26
Hình 2.9 Frame truyền (dạng 4BS) ................................................................................... 27
Hình 2.10 Cảm biến khí tượng .......................................................................................... 28
Hình 2.11 Frame truyền (dạng 4BS) ................................................................................. 29
Hình 2.12 Cảm biến ánh sáng ngoài trời FAH60 ............................................................. 30
Hình 2.13 Frame truyền (dạng 4BS) ................................................................................. 31
Hình 2.14 Cơ cấu chấp hành chuyên dụng �2 LINE 10020062 ....................................... 32
Hình 2.15 Gateway USB 300 của �2 LINE ...................................................................... 32
Hình 2.16 Sơ đồ chức năng chân TC310........................................................................... 33
Hình 2.17 Sơ đồ kết nối Gateway USB 300 với máy tính và cảm biến.............................. 34
Lê Thiết Hùng
5
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
Hình 2.18 Hệ thống tự động hóa tòa nhà sử dụng công nghệ ENOCEAN ....................... 34
Hình 2.19 Sơ đồ bố trí hệ thống ....................................................................................... 36
Hình 3.1 Cấu trúc chương trình Python ........................................................................... 41
Hình 3.2 Giao diện chính của chương trình C# ................................................................ 51
Hình 3.3 Giao diện khi chọn phòng TTAC ........................................................................ 52
Hình 3.4 Điều khiển cơ cấu chấp hành với các nút ON / OFF ......................................... 53
Hình 3.5 Biểu đồ nhiệt độ và độ ẩm 1 cảm biến (ngày 10/09/2015) ................................. 53
Hình 3.6 Biểu đồ nhiệt độ và độ ẩm của nhiều cảm biến giúp so sánh các số liệu ........... 54
Hình 3.7 Thông tin thời tiết ngoài trời (10-09-2015) ....................................................... 54
Hình 3.8 Biểu đồ hoạt động của cảm biến Contact (10-09-15) ........................................ 55
Hình 3.9 Biểu đồ độ rọi của ánh sáng (10-09-15) ............................................................ 55
Hình 3.10 Biểu đồ công suất tiêu thụ điện (10-09-15) ...................................................... 56
Hình 4.1 Mô hình nhiệt của TTAC phòng ......................................................................... 57
Hình 4.2 Mô hình tường đôi ………………………………………………………………….…63
Hình 4.3 Kết quả mô phỏng mô hình nhiệt thu được trong trường hợp ngày làm việc .... 70
Hình 4.4 Đồ thị thể hiện sai số của kết quả mô phỏng với phép đo trong trường hợp ngày
làm việc ............................................................................................................................. 70
Hình 4.5 Kết quả mô phỏng mô hình nhiệt thu được trong những ngày nghỉ (không có
người làm việc) ................................................................................................................. 72
Hình 4.6 Đồ thị thể hiện sai số của kết quả mô phỏng với phép đo trong trường hợp ngày
làm việc ............................................................................................................................. 72
Lê Thiết Hùng
6
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Danh mục cảm biến............................................................................................ 35
Bảng 4.1 Bảng thông số các giá trị của mô hình nhiệt ..................................................... 57
Bảng 4.2 Bảng tổng hợp kết quả đã tính được .................................................................. 66
Bảng 7.1 Hệ số trao đổi nhiệt bề mặt của kết cấu bao che W/m2.K: α (theo TCVN
298:2003 và ISO 6946:1996) ............................................................................................ 77
Bảng 7.2 Thông số vất lý của vật liệu xây dựng (1_QCVN09 :2013/BXD) ...................... 77
Bảng 7.3 Đặc tính bức xạ của các loại kính ....................................................................... 79
Bảng 7.4 Đặc tính bức xạ của màn che ............................................................................. 79
Bảng 7.5 Dòng nhiệt bức xạ mặt trời xâm nhập vào phòng R, W/m2 ............................... 80
Lê Thiết Hùng
7
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay tối ưu hóa năng lượng là nhu cầu cấp thiết trong xu hướng tiết kiệm năng
lượng, nâng cao hiệu suất thiết bị công nghệ, đặc biệt khi nền kinh tế đối mặt với tình
trạng khủng hoảng, lạm phát, khan hiếm năng lượng.
Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ và kỹ thuật hiện đại, nhiều thiết bị điện tử, cơ
khí, tự động hóa được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng đã góp phần tiết kiệm một
lượng lớn nguồn năng lượng sử dụng trong các tòa nhà.
Hệ thống thiết bị trong tòa nhà phải tích hợp với yêu cầu năng lượng cần thiết cho
người sử dụng, đồng thời phải đảm bảo môi trường bên ngoài và bên trong tòa nhà, hài
hòa giữa cung và cầu, có nghĩa là người dùng sử dụng hợp lý, thiết bi tự động hóa bật tắt
khi cần, điều chỉnh mức năng lượng cung cấp đủ cho công trình và người sử dụng, tránh
lãng phí. Ở Việt Nam, những năm gần đây cũng không khó để nhận ra những đóng góp
của hệ thống tự động hóa trong các công trình công nghiệp và dân dụng. Những khái
niệm về quản lý tòa nhà, tiết kiệm năng lượng công trình, bảo vệ môi trường… không
còn quá mới mẻ. Tuy nhiên mức độ áp dụng các hệ thống này nói chung vẫn có giới hạn.
Chính vì vậy em lựa chọn xây dựng mô hình nhiệt phục vụ mục đích tối ưu hóa năng
lượng sử dụng trong tòa nhà cho luận văn .Với mong muốn đưa hệ thống quản lý tối ưu
hóa năng lượng trong tòa nhà trở nên gần gũi, sử dụng rộng rãi ở Việt Nam nhằm đáp
ứng nhu cầu kiểm soát năng lượng nói chung và tòa nhà nói riêng trong thời gian tới sẽ
tăng cao. Kiểm soát năng lượng giúp cho các tổ chức nhận ra các cơ hội giảm chi phí
năng lượng, cải thiện hoạt động quản lý và góp phần nâng cao năng suất vận hành - Động
lực thúc đẩy các đơn vị có ý thức hơn nữa trong việc kiểm soát cũng như đầu tư thiết bị
tiết kiệm năng lượng.
Em xin phép được gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo trong Viện Điện đã dìu
dắt em trong suốt khóa học. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Lê Minh
Lê Thiết Hùng
8
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
Hoàng, người thầy đã truyền cảm hứng, tạo động lực cũng như hết lòng giúp đỡ cho em
trong suốt thời gian thực hiện để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, những người đã không
ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em trong suốt thời gian thực
hiện luận văn.
Lê Thiết Hùng
9
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ TỐI ƢU HÓA NĂNG LƢỢNG TÒA NHÀ
Với kỹ thuật điều khiển và công nghệ tự động hóa, việc sử dụng tích hợp hệ thống
với máy móc hiện đại, công nghệ thông tin, thiết bị giám sát tự động kết hợp với việc
nâng cao ý thức bảo vệ môi trường sẽ tạo ra một môi trường sống an toàn, hiệu quả,
thoải mái và thuận tiện cho người sử dụng. Một trong những hướng nghiên cứu chính
của Phòng Môi trường cảm thụ và tương tác (Pervasive Space and Interaction
Department) và Viện MICA là nghiên cứu xây dựng và phát triển hệ thống tối ưu hóa
năng lượng sử dụng trong tòa nhà.
1.1 Mô hình hệ thống Tối ƣu hóa năng lƣợng
Nhóm nghiên cứu PSI đang phát triển mô hình hệ thống Tối ưu hóa năng lượng
trong tòa nhà với mục đích sử dụng hiệu quả năng lượng trong tòa nhà. Tức là đáp ứng
được yêu cầu năng lượng cần thiết cho người sử dụng, đồng thời phải đảm bảo môi
trường bên ngoài và bên trong tòa nhà, thiết bi tự động bật tắt khi cần để điều chỉnh mức
năng lượng trong tòa nhà, tránh lãng phí.
Hệ thống tối ưu hóa năng lượng hướng đến các mục tiêu chính sau:
Sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên tự nhiên.
Giảm thiểu chất thải.
Chi phí phát sinh trong vòng đời của hệ thống (phòng) thấp.
Thân thiện với người sử dụng ...
Đảm bảo tiện nghi của người sử dụng
Hệ thống tối ưu hóa năng lượng gồm 3 lớp được mô tả như hình 1.1
Như ta biết, các yếu tố tác động vào phòng thường không cố định mà thay đổi như:
bức xạ nhiệt mặt trời, nhiệt độ ngoài trời, hay hành vi của người dùng,vì thế mà ta không
thể dự đoán được chính xác dữ liệu đưa vào mô hình nhiệt. Để giải quyết vấn đề này,
Lê Thiết Hùng
10
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
một hệ thống tối ưu đã được đưa ra, gồm 3 lớp: lớp tối ưu hóa; lớp điều khiển thời gian
thực; lớp đặt tín hiệu điều khiển (theo thời gian thực) như Hình 1.1
Hình 1.1 Sơ đồ tối ưu hóa năng lượng viện MICA
- Lớp tối ƣu hóa cho phép lập lịch điều phối tối ưu năng lượng sử dụng cho các
thiết bị điện trong tòa nhà dựa trên các yếu tố: dự đoán hành vi của người sử dụng trong
tòa nhà, dự đoán các yếu tố tác động đến việc sử dụng năng lương trong tòa nhà (dự báo
thời tiết, dự báo chi phí giá điện), chi phí tiêu thụ điện năng. Lịch điều phối năng lượng
là kết quả của các mô hình tối ưu hóa cho phép điều khiển năng lượng tiêu thụ của các
thiết bị điện một cách tối ưu nhất mà không ảnh hưởng đến tiện nghi của người sử dụng.
- Lớp điều khiển thời gian thực cho phép điều chỉnh quyết định điều khiển năng
lượng đã được tính toán ở lớp tối ưu khi có yếu tố nhiễu tác động. Vì vậy lớp này quản
lý các yếu tố thay đổi.
- Lớp đặt tín hiệu điều khiển cho phép điều khiển chính xác các cơ cấu chấp hành
theo quyết định điều khiển được đưa ra bởi các lớp phía trên.
Lê Thiết Hùng
11
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
Theo mô hình Tối ưu hóa năng lượng trong tòa nhà được này, chúng ta thấy các mô
hình Tối ưu hóa hay Điều khiển thời gian thực đều được vận hành dựa trên mô hình điều
khiển các thiết bị trong tòa nhà. Một trong các thiết bị tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong
tòa nhà là các hệ thống điều hòa phục vụ cho việc sưởi làm mát không khí bên trong tòa
nhà. Các hệ thống này có thể được điều khiển thông qua mô hình nhiệt của tòa nhà. Do
đó đồ án này hướng đến việc xây dựng mô hình nhiệt của tòa nhà dựa trên hệ thống cảm
biến tòa nhà, từ đó cho phép điều khiển chính xác nhiệt độ trong phòng dựa trên việc
điều khiển đóng cắt các thiết bị điều hòa. Việc xây dựng mô hình nhiệt được đề cập đến
tại chương IV của đồ án này.
1.2 Đối tƣợng nghiên cứu
Phạm vi của đồ án này được giới hạn hướng đến phân tích, thiết kế và xây dựng hệ
thống giám sát và điều khiển công suất tiêu thụ của các các thiết bị điện cho một tối
tượng nghiên cứu cụ thể là Trung tâm Chuyển giao công nghệ và Ứng dụng (TTAC –
Technology Transfer and Applications Center) Viện MICA, phòng 904 – nhà B1 trường
Đại học Bách Khoa Hà nội.
1.2.1 Vị trí địa lý
Qua hình vẽ 1.3, ta thấy được vị trí của phòng TTAC trong tòa nhà nằm ở tầng 9 tòa
nhà B1 có các mặt tiếp giáp với các zone nhiệt khác như sau:
-
Trần tiếp giáp với phòng Nghiên cứu Giao tiếp tiếng nói (Speech
Communication Department), phòng 1004 Viện MICA
-
Nền tiếp giáp với phòng Lễ tân (Reception Room) và phòng Thư ký (Secretary)
Viện MICA
-
Các mặt bên tiếp giáp với: phòng khách (Visitor Office), Kho (Storage), phòng
thí nghiệm RF (RF platform), môi trường bên ngoài tòa nhà và Hành lang.
Lê Thiết Hùng
12
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
Hình 1.2 Vị trí Viện MICA trong sơ đồ tòa nhà B1.
Hình 1.3 Sơ đồ các phòng chức năng tại tầng 9 tòa nhà B1.
Lê Thiết Hùng
13
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
1.2.2 Sơ đồ các thiết bị điện sử dụng
Hình 1.4 cho ta thấy sơ đồ các thiết bị được sử dụng trong phòng TTAC (hệ thống
đèn chiếu sáng, máy tính, điều hòa), các nguồn tích nhiệt tiêu tán nhiệt trong phòng
(thiết bị văn phòng, người dùng…). Phòng đã có sử dụng các tấm kính (cửa sổ) để tận
dụng ánh sáng ngoài trời, 2 điều hòa Daikin có công suất 18000 Btu được sử dụng để
điều khiển nhiệt độ phía bên trong phòng.
Hình 1.4 Mặt bằng điện trong phòng TTAC.
Lê Thiết Hùng
14
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
1.3 Công nghệ ENOCEAN – Công nghệ chuẩn mới cho bài toán Tự động hóa tòa
nhà
Để phục vụ cho các bài toán nghiên cứu về tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ trong
tòa nhà thì Viện MICA được trang bị các thiết bị cảm biến, cơ cấu chấp hành và các bộ
thu nhận dữ liệu theo công nghệ ENOCEAN. Đây là một chuẩn truyền thông mới được
đưa vào áp dụng gần đây trên thế giới làm tiêu chuẩn chung cho các thiết bị tự đông hóa
tòa nhà. Trong phần này, các chuẩn ENOCEAN cũng như các đặc tính ưu việt của công
nghệ này sẽ được trình bày.
Hình 1.5 Tiêu chuẩn quốc tế ENOCEAN cho bài toán Tự động hóa tòa nhà
Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) đã phê chuẩn một tiêu chuẩn mới - ISO/
IEC14543-3-10 - cho các ứng dụng không dây với mức tiêu thụ điện năng cực thấp. Đó
là tiêu chuẩn không dây đầu tiên và duy nhất được tối ưu hóa giải pháp sử dụng cho các
tòa nhà với khả năng tự cấp nguồn và sử dụng kết nối không dây. Cùng với các thiết bị
của ENOCEAN (EEPs) được lập bởi hiệp hội ENOCEAN , tiêu chuẩn quốc tế này đặt
nền tảng cho tương thích đầy đủ và mở rộng hơn so với công nghệ không dây như
Bluetooth và WiFi.
Lê Thiết Hùng
15
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
Hình 1.6 Tiêu chuẩn quốc tế ENOCEAN
1.3.1 Những đặc tính của chuẩn ENOCEAN
1.3.2.1 Thu thập dữ liệu dựa trên cảm biến
Vấn đề kiểm soát năng lượng đòi hỏi các bộ cảm biến để thu thập các dữ liệu có liên
quan từ một số điểm đo gửi đến bộ phận thu để xử lý thông tin. Một hệ thống lớn hơn có
thể bao gồm hàng trăm đến hàng ngàn những thiết bị cảm ứng đòi hỏi công suất và
truyền thông lớn
Rõ ràng việc sử dụng cảm biến không dây và chuyển mạch cho những giải pháp
hiệu quả nhất: đặc biệt là sự điều chỉnh, trong những tình huống mà thời gian là rất quan
trọng, những nơi không thể dùng cáp như các tòa nhà và những nơi mà các thiết bị phải
duy trì hoạt động có năng lượng ở mức tối thiểu.
Do vậy công nghệ để phát triển chủ yếu trong xây dựng là lĩnh tự động hóa, cần có
một trình điều khiển cho quản lý năng lượng thông minh. Trong hệ thống tự động hóa
tòa nhà, ví dụ, hàng ngàn dữ liệu cảm biến đo từ nhiều điểm khác nhau, ghi lại dữ liệu về
nhiệt độ, CO2, ánh sáng hoặc sử dụng phòng để cho một bộ điều khiển trung tâm tối ưu
hóa môi trường xung quanh và đáp ứng các yêu cầu cá nhân.. Do đó, việc xây dựng các
nguyên tắc tự động hóa có thể là cơ sở cho quá trình tự động hóa năng lượng.
Một thách thức lớn là làm thế nào để mạng lưới một số lượng ngày càng lớn các cảm
biến có thể giao tiếp với các mạng không dây tầm xa. Chuẩn không dây khác nhau có thể
được sử dụng cho mục đích này, ví dụ như GSM, Bluetooth hoặc IP. Các tiêu chuẩn này
hỗ trợ các ứng dụng mà số lượng lớn các dữ liệu phải được truyền đi một cách nhanh
chóng, ví dụ như trong các hệ thống đo lường thông minh. Tuy nhiên, tốc độ dữ liệu cao
Lê Thiết Hùng
16
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
đi kèm với nhu cầu năng lượng cao tại nút từ xa, đòi hỏi một nguồn cung cấp lâu dài cho
thiết bị hoạt động
1.3.2.2 Giám sát điều khiển không dây
Công nghệ không dây và tiết kiệm pin tạo điều kiện giám sát và kiểm soát năng
lượng với ít tác động vào các cơ sở hạ tầng hiện có. Các thiết bị không dây rất linh hoạt
để cài đặt ,các thành phần riêng lẻ có thể dễ dàng nối mạng để tạo thành một hệ thống
mà nếu dùng cáp thì phức tạp và tốn kém. Do những đặc điểm này, công nghệ tiết kiệm
năng lượng tiêu chuẩn là lý tưởng cho các cấp độ thông tin liên lạc cuối cùng trong các
ứng dụng quản lý năng lượng, cung cấp các dữ liệu cần thiết từ mỗi điểm đo tối ưu hóa
kiểm soát và tạo điều kiện cho người dùng thoải mái với tốc độ xử lý nhanh
1.3.2.3 Tính linh hoạt với khả năng tự chủ năng lƣợng
Công nghệ thu hoạch năng lượng không dây có thể khắc phục những vấn đề kết nối
một số lượng lớn các cảm biến batteryless không dùng pin và điều khiển năng năng
lượng vào ra một cách linh hoạt , thông minh không đòi hệ thống phức tạp và tốn kém và
sử dụng linh hoạt
Hình 1.7 Sự kết hợp giữa truyền thông không dây và các công nghệ tự chủ năng lượng
Lê Thiết Hùng
17
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
Hình 1.8 Sơ đồ chuyển đổi năng lượng điều khiển theo chuẩn ENOCEAN
1.3.2.4 Khă năng tƣơng tác tối đa của tiêu chuẩn
Các thành viên của hiệp hội ENOCEAN đã giới thiệu hơn 1.200 sản phẩm của hiệp
hội dựa trên các sản phẩm tương thích, tất cả đều tuân thủ các tiêu chuẩn mới. Các nhà
phát triển và nhà sản xuất do đó có thể được hưởng lợi kinh nghiệm, có nhiều sản phẩm
rất lớn và cơ sở cài đặt dạy cho người dùng Các ENOCEAN Alliance đưa ra những
thông số kỹ thuật cho các ứng dụng dựa trên các tiêu chuẩn. Những thiết bị trong hệ
thống đảm bảo khả năng tương tác của các sản phẩm từ các nhà cung cấp khác nhau. Sản
phẩm tối ưu hóa cho tiêu thụ năng lượng cực thấp và lý tưởng, cố gắng và thử nghiệm
bổ sung cho các chuẩn không dây mới. Điều này có nghĩa là chuẩn thông minh, có giải
pháp tự động tiết kiệm năng lượng và có thể được thực hiện mà không có độc quyền và
thường ứng dụng công nghiệp rộng rãi
Công nghệ không dây ENOCEAN đã là một công nghệ thiết lập vững chắc của
công nghệ xanh, các tòa nhà thông minh và các ứng dụng. Các EnOcean Alliance đã
được phê chuẩn của quốc tế ISO / IEC 14543-3-10 là một trong những điều kiện tiên
quyết quan trọng để mở rộng rất thành công, hình thành hệ thống EnOcean phát triển cao
Lê Thiết Hùng
18
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
Hình 1.9 Liên minh ENOCEAN
1.4 Kết luận
Bài toán tối ưu hóa năng lượng trong tòa nhà đang được triển khai nghiên cứu tại
Viện MICA hướng đến mục đích xây dựng hệ thống tự động hóa tòa nhà cho phép nâng
cao hiệu quả sử dụng năng lượng thông qua việc giám sát và điều khiển hoạt động của
các thiết bị điện trong tòa nhà chính xác theo yêu câu của người sử dụng.Với mục đích
nghiên cứu này, công nghệ EnOcean đã được lựa chọn sử dụng. Đây là một công nghệ
mới được đưa vào làm chuẩn trong các bài toán Tự động hóa tòa nhà và được sử dụng
rông rãi trên thế giới trong những năm gần đây. EnOcean là công nghệ kết hợp giữa
truyền thông không dây tần số vô tuyến và công nghệ tự chủ năng lượng.Trong chương
II, các đặc tính của thiết bị sử dụng tại Viện MICA sẽ được phân tích và trình bày rõ.
Lê Thiết Hùng
19
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
CHƢƠNG II: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TÒA NHÀ THEO CÔNG NGHỆ
ENOCEAN
Hệ thống cảm biến và cơ cấu chấp hành theo chuẩn ENOCEAN hoạt động tại một
trong ba tần số sau: 868.300 MHz, 315.000MHz và 902.875 MHz. Tại MICA, tần số
được sử dụng là 868.300 MHz, dữ liệu được thu thập thông qua gateway module
TCM310.
Hình 2.1 Giới thiệu hệ thống thiết bị của chuẩn ENOCEAN
2.1 Hệ thống cảm biến
2.1.1 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm
Hình 2.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
-
Hãng sản xuất TriO2Sys, Type A5-04-01
-
Khoảng đo nhiệt độ từ 0°C đến 40°C và độ ẩm từ 0% đến 100%.
-
Cảm biến được nuôi bằng pin mặt trời: với độ rọi 200 lux trong 5 phút hoặc hơn.
Pin có thể nuôi cảm biến tối đa trong 4 ngày nếu không có ánh sáng.
Lê Thiết Hùng
20
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
-
Thông tin nhiệt độ và độ ẩm được thu thập 100s/ lần, mỗi khi nhiệt độ môi trường
thay đổi từ 0.5°C trở lên hoặc độ ẩm thay đổi trong khoảng 2%, cảm biến sẽ gửi
dữ liệu về gateway. Nếu không có sự thay đổi đủ lớn, cảm biến sẽ gửi một tín
hiệu mỗi 15 phút.
-
Frame truyền (dạng 4BS)[TL2]:
Hình 2.3 Frame truyền (dạng 4BS) [TL2]
Trong đó:
Data Byte 3: Không sử dụng.
Data Byte 2: Chứa thông tin về độ ẩm.
o Tính toán dựa trên số liệu thu thập được:
𝑮�á ��ị ��ậ�đượ�∗���
o Độ ẩ𝑚=
���
Data Byte 1: Chứa thông tin về nhiệt độ.
o Tính toán dựa trên số liệu thu được
𝑮�á ��ị ��ậ�đượ�∗��
o �
ℎ𝑖ệ𝑡độ =
���
Data Byte 0 bit 7 đến Data Byte 0 bit 4: Không sử dụng
Data Byte 0 bit 3: LRN bit.
o LRN bit = 0: Mode Teach-in, sử dụng để thông báo các thông tin về
cảm biến như Function, Type và ID của hãng sản xuất.
o LRN bit = 1: Tín hiệu nhận được là dữ liệu chứa thông tin về nhiệt
độ và độ ẩm.
ID Sender: thông tin địa chỉ của thiết bị
Lê Thiết Hùng
21
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
2.1.2 Cảm biến đóng mở
Hình 2.4 Cảm biến đóng mở
-
Hãng sản xuất TriO2Sys, Type D5-05-01
-
Cho phép thông báo trạng thái đóng mở của thiết bị, ví dụ cửa ra vào, cửa sổ
-
Trạng thái đóng được nhận biết khi khoảng cách giữa cảm biến và nam châm tối
đa là 5 mm. Quá 5 mm sẽ được định nghĩa thành trạng thái mở.
-
Cảm biến được nuôi bằng pin mặt trời: Để có thể hoạt động,cảm biến cần được
nuôi bằng pin mặt trời với độ rọi 200 lux trong 5 phút hoặc hơn. Pin có thể nuôi
cảm biến tối đa trong 4 ngày nếu không có ánh sáng.
-
Khi có sự thay đổi trạng thái cảm biến sẽ gửi tín hiệu ngay lập tức về gateway.
Sau đó, nếu không có sự thay đổi nào, tín hiệu sẽ được truyền lại mỗi 15 phút.
-
Frame truyền (dạng 1BS) [TL1]
Hình 2.5 Frame truyền (dạng 1BS)
Trong đó:
o Dữ liệu ID: thông tin địa chỉ của thiết bị
o Data Byte 0 bit 3: LRN bit.
o Data Byte 0 bit 0: nếu bằng 1, trạng thái đóng. Nếu bằng 0, trạng thái mở.
Lê Thiết Hùng
22
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
2.1.3 Cảm biến chuyển động
Hình 2.6 Cảm Biến Chuyển Động
-
Hãng sản xuất TriO2Sys, type A5-07-01
-
Cho phép thông báo trong vùng hoạt động của cảm biến có chuyển động của
người hay không.
-
Vùng hoạt động của cảm biến có bán kính là 5.1m.
-
Mỗi khi có một chuyển động trong vùng này, cảm biến sẽ gửi tín hiệu ngay lập
tức về gateway (đây là mốc thời gian cho các lần truyền sau). Sau đó trong vòng 2
phút tiếp theo, cảm biến ở chế độ delay (không thể gửi tín hiệu trong vòng 2 phút
này dù có chuyển động hay không). Hết 2 phút, khi có một chuyển động khác,
một tín hiệu ON sẽ tiếp tục được gửi về, nếu không đến phút thứ 10, cảm biến sẽ
gửi tín hiệu OFF thông báo không có chuyển động trong phòng. Cuối cùng, đến
phút 30 (tinh từ lần gửi đầu tiên), nếu vẫn không có chuyển động, cảm biến sẽ gửi
tín hiệu OFF.
-
Cảm biến được nuôi bằng pin mặt trời: Để cảm biến có thể hoạt động, cần được
đặt ít nhất 20 phút dưới ánh sáng có độ rọi >500 lux. Thời gian cần để sạc hoàn
toàn là 9h dưới ánh sáng 200lux.
-
Cảm biến này cũng có thể được nuôi bằng nguồn ngoài
-
Frame truyền (dạng 4BS) [TL1]:
Lê Thiết Hùng
23
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
Hình 2.7 Frame truyền (dạng 4BS)
Dữ liệu ID: thông tin địa chỉ của thiết bị
Data Byte 3: Chứa dữ liệu về nguồn cung cấp. Từ 0 đến 5V trong trường hợp sử
dụng nguồn ngoài.
�ữ ��ệ ���ậ � đư ợ �∗�
Điện áp nguồn =
Data Byte 2: Không sử dụng.
Data Byte 1: Trạng thái của cảm biến. Nếu giá trị nhận được từ 0 đến 127 thì trạng
���
thái “OFF”, nếu từ 128 đến 255 là trạng thái “ON”.
Data Byte 0 bit 7 đến data byte 0 bit 4: không sử dụng.
Data Byte 0 bit 3: LRN bit.
Data Byte 0 bit 0:
o nếu bit này bằng 0, cảm biến không dùng nguồn ngoài.
o Nếu bit này bằng 1, cảm biến dùng nguồn ngoài.
2.1.4 Cảm biến công suất
Hình 2.8 Cảm biến công suất
Lê Thiết Hùng
24
Khóa 2012B
Nghiên cứu bài toán giám sát điều khiển nhiệt độ Platform bằng mô hình nhiệt
-
Hãng sản xuất: Eltako.
-
Hai loại cảm biến được sử dụng:
FWZ12-16A chịu được dòng tối đa 16A
FWZ12-65A chịu được dòng tối đa 65A
-
Cảm biến hoạt động như một công tơ số cho phép đo điện năng tiêu thụ và công
suất tức thời.
-
Hoạt động:
FWZ12-15A: Một tín hiệu được truyền trong vòng 20s nếu công suất tức thời
thay đổi 10% trong 1 phút. Một tín hiệu đầy đủ bao gồm công suất tức thời và
điện năng tiêu thụ sẽ được gửi mỗi 10 phút. Mỗi khi được cấp nguồn, một tín
hiệu “teach-in” sẽ được gửi tới gateway.
FWZ12-65A: Một tín hiệu được truyền trong vòng 60s nếu công suất tức thời
thay đổi 10% trong 1 phút. Một tín hiệu đầy đủ bao gồm công suất tức thời và
điện năng tiêu thụ sẽ được gửi mỗi 10 phút. Mỗi khi được cấp nguồn, một tín
hiệu “teach-in” sẽ được gửi tới gateway.
-
Frame truyền (dạng 4BS) [TL4]:
Hình 2.9 Frame truyền (dạng 4BS)
-
Trong đó:
Dữ liệu ID: thông tin địa chỉ của thiết bị
DB_3 đến DB_1: Chứa thông tin về công suất tức thời hoặc điện năng tiêu
thụ (phụ thuộc vào các byte DB_2.2).
DB_0.4: Đối với các nước châu âu, giá điện phụ thuộc vào giờ trong ngày:
giờ bình thường và giờ cao điểm. Bit này có vai trò cho biết xem đang trong
giờ cao điểm hay không.
Lê Thiết Hùng
25
Khóa 2012B
