Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng tự động ứng dụng trong các khu di tích lịch sử ở tỉnh phú thọ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
..

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng
tự động ứng dụng trong các khu cơng nghiệp
di tích lịch sử ở Tỉnh Phú Thọ

NGUYỄN HOÀNG LONG
Ngành Đo lường và Các hệ thống điều khiển

Giảng viên hướng dẫn:

PGS.TS. Hoàng Sỹ Hồng

Viện:

Điện

HÀ NỘI, 2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng
tự động ứng dụng trong các khu cơng nghiệp
di tích lịch sử ở Tỉnh Phú Thọ

NGUYỄN HOÀNG LONG

Ngành Đo lường và Các hệ thống điều khiển

Giảng viên hướng dẫn:

PGS.TS. Hoàng Sỹ Hồng
Chữ ký của GVHD

Viện:

Điện

HÀ NỘI, 2020


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Nguyễn Hoàng Long
Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng tự động ứng
dụng trong các khu di tích lịch sử ở Tỉnh Phú Thọ
Chuyên ngành: Đo lường và Các hệ thống điều khiển
Mã số SV: CB170281
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày 26/6/2020 với các nội dung sau:
1. Vấn đề cần giải quyết: Áp dụng một số công nghệ cao trong việc xây
dựng hệ thống chiếu sáng các đền chùa thuộc Khu di tích nhằm tạo cảnh
quan văn hóa tâm linh đặc thù phù hợp với cơng trình Đền Hùng (thí điểm
tại Đền Giếng) (mục 1.2, trang 14)

2. Mục tiêu của đề tài: Xây dựng hệ thống có tính mở để người dùng có
thể tạo ra hoặc thay đổi các kịch bản cho phù hợp yêu cầu thực tế, giải pháp
dự phòng về đường truyền và bảo mật cũng được thêm vào để đảm bảo tính
ổn định của hệ thống (mục 1.2, trang 15).
3. Sơ đồ thiết kế tổng thể và vai trò của các thành phần trong hệ thống:
được trình bày trong Hình 2-2 và mục 3.1.
4. Đã bổ xung cơ sở lựa chọn phần cứng (trang 26 – 30)
5. Chỉnh sửa sơ đồ mạch điều khiển rơ-le và biến dịng (Hình 2-21,tr.34)
6. Chỉnh sửa sơ đồ khối điều khiển PWM (Hình 2-31, trang 40)
7. Đã chỉnh sửa các lỗi chính tả và lỗi tham chiếu hình ảnh và tài liệu.
Ngày 13 tháng 7 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Hoàng Sỹ Hồng

Tác giả luận văn

Nguyễn Hoàng Long
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


LỜI CẢM ƠN

Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS.Hồng Sỹ Hồng,
người thầy đáng kính đã ln hướng dẫn tơi tận tình trong suốt thời gian tơi làm
luận văn. Thầy đã truyền đạt lại cho tôi những kiến thức, những kinh nghiệm
nghiên cứu và giúp đỡ rất nhiều để tơi hồn thành tốt luận văn này.
Tơi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy/cô trong Viện Điện đã giúp đỡ và
giảng dạy tôi trong suốt thời gian tôi theo học tại Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội. Đó là những hành trang kiến thức quý báu giúp tơi rất nhiều trong q trình

học tập, nghiên cứu và làm việc sau này.
Luận văn này có thể sẽ khơng được hồn thành nếu khơng có sự giúp đỡ,
động viên hết sức quý báu từ PGS.TS.Hoàng Sỹ Hồng, Ths.Nguyễn Văn Đưa và
các thành viên thuộc đề tài Nghiên cứu ứng dụng công nghệ cao nhằm nâng cao
hiệu quả quản lý và phát triển bền vững khu di tích lịch sử Quốc gia đặc biệt Đền
Hùng, những người luôn tạo điều kiện nghiên cứu và giúp đỡ, động viên tôi trong
quá trình nghiên cứu đã qua.

Hà Nội, ngày

tháng
Tác giả

năm 2020

Nguyễn Hồng Long


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG ............................. 2
1.1. Tìm hiểu tổng quan về hệ thống chiếu sáng tại các khơng gian tín ngưỡng,
tôn giáo .............................................................................................................. 2
1.2. Thực trạng hệ thống chiếu sáng chung tại di tích Đền Hùng ..................... 4
1.3. Giải pháp và định hướng thiết kế của hệ thống .......................................... 8
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG .............. 13
2.1. Xây dựng mơ hình hệ thống chiếu sáng ................................................... 13
2.2. Thiết kế thiết bị điều khiển trung tâm ....................................................... 16
2.3. Thiết kế thiết bị điều khiển On/Off .......................................................... 26
2.4. Thiết kế thiết bị điều khiển cường độ ....................................................... 31

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ
THỐNG TỪ XA .................................................................................................. 37
3.1. Tổng quan về hệ thống quản lý chung khu của di tích ............................. 37
3.2. Mơ tả quá trình vận hành hệ thống ........................................................... 39
3.3. Lập trình phần mềm cho vi điều khiển ..................................................... 42
3.4. Thiết kế phần mềm điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng ............. 50
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ, KỊCH BẢN THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ
THỐNG ................................................................................................................ 58
4.1. Kết quả ...................................................................................................... 58
4.2. Thử nghiệm hệ thống tại phịng thí nghiệm ............................................. 59
4.3. Lắp đặt và thử nghiệm hệ thống ............................................................... 65
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 68

i


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
LED

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

Light Emitting Diode

Diode phát quang

IC

Integrated Circuit

Vi mạch tích hợp

DC

Direct Current

Điện một chiều

AC

Alternating Current

Điện xoay chiều

ANN

Artificial Neural Network

Mạng nơ-ron nhân tạo

VAC

Voltage Alternating Current

Điện áp xoay chiều

VDC

Voltage Direct Current

Điện áp một chiều

LoRa

Long Range Radio

Truyền thông không dây
khoảng cách xa

RISC

Reduced Instruction Set

Cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa

Computer
TCP/IP
IEEE 802.3

Transmission Control Protocol/

Giao thức điều khiển truyền

Internet Protocol

nhận/ Giao thức liên mạng

Institute of Electrical and
Electronics Engineers

Tiêu chuẩn liên quan đến
Ethernet

ii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1: Hệ thống chiếu sáng tự động tại nhà thờ Temple de Lutry [1].............. 2
Hình 1-2: Khung cảnh bên trong nhà nguyện Sixtine [2]. ..................................... 3
Hình 1-3: Vẻ đẹp ngôi chùa lớn Swedagon ở Myanmar [3]. ................................. 3
Hình 1-4: Cửa Ngọ Mơn của Cung thành Huế [4]. ................................................ 4
Hình 1-5: Bản đồ các đền chùa thuộc khu di tích Đền Hùng. ............................... 5
Hình 1-6: Sử dụng các bóng sợi đốt chiếu sáng khơng gian bên trong. ................ 6
Hình 1-7: Sử dụng bóng đèn cho chiếu sáng cửa vào. ........................................... 6
Hình 1-8: Mơ hình đèn đài sen. .............................................................................. 7
Hình 1-9: Mơ hình Đèn Mặt Đất (bánh chưng) và Đèn Bầu Trời (bánh dày) cho
chiếu sáng nội thất tại Đền Giếng. ......................................................................... 7
Hình 1-10: Mơ hình đấu nối các đèn LED bên trong đền Giếng. .......................... 9
Hình 1-11: Mơ hình các giao tiếp truyền nhận giữa thiết bị trong hệ thống.......... 9
Hình 1-12: Điều khiển thay đổi cường độ cường độ từng gian giảm dần theo hướng
từ ngoài vào trong. ............................................................................................... 10
Hình 1-13: Mơ hình hệ thống điều khiển chiếu sáng. .......................................... 11
Hình 2-1: Sơ đồ phân bố chiếu sáng bên trong Đền Giếng. ................................ 13
Hình 2-2: Sơ đồ phân bố thiết bị theo từng khu vực ............................................ 16
Hình 2-3: Sơ đồ cấu trúc chức năng của thiết bị điều khiển trung tâm................ 17
Hình 2-4: Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của chip W5100 [6]........................... 18
Hình 2-5: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp Ethernet ............................................. 18

Hình 2-6: Sơ đồ kết nối đường truyền RS-485 [7]. ............................................. 19
Hình 2-7: Sơ đồ chân của chip SN65HVD82 [8]. ............................................... 19
Hình 2-8: Sơ đồ mạch nguyên lý khối chức năng RS-485 .................................. 20
Hình 2-9: Sơ đồ chân mạch Lora Ra-2 [10]. ........................................................ 21
Hình 2-10: Sơ đồ nguyên lý khối truyền thơng Lora ........................................... 22
Hình 2-11: Hình ảnh thực tế của chip Atmega 2560 [11]. ................................... 22
Hình 2-12: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm. ...................................... 23
Hình 2-13: Sơ đồ chân DS1307 loại 8-pin ........................................................... 24
Hình 2-14: Sơ đồ khối của DS 1307 [12]. ........................................................... 24
Hình 2-15: Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực.................................................. 25
iii


Hình 2-16: Bản vẽ 3D và mạch in thiết bị điều khiển trung tâm. ........................ 26
Hình 2-17: Sơ đồ các khối chức năng của thiết bị điều khiển On/Off ................ 26
Hình 2-18: Module PZEM004T đo điện áp, dịng điện và cơng suất. ................. 27
Hình 2-19: Sơ đồ đo trên thiết bị ......................................................................... 28
Hình 2-20: Hình ảnh Relay JQC-3FF-12VDC-1ZS ............................................ 28
Hình 2-21: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển Relay............................................. 29
Hình 2-22: sơ đồ chân linh kiện UNL 2803 ........................................................ 29
Hình 2-23: biến dịng ZMCT103 ......................................................................... 30
Hình 2-24: Sơ đồ khối ZMCT103 ....................................................................... 30
Hình 2-25: Khối phát hiện dịng điện .................................................................. 30
Hình 2-26: Bản vẽ 3D và mạch in thiết bị điều khiển On/Off. ............................ 31
Hình 2-27: Sơ đồ chức năng thiết bị điều khiển cường độ .................................. 32
Hình 2-28: Hình ảnh thực tế bộ điều khiển LED EUG-150S210DV [13]. ......... 32
Hình 2-29: Điều khiển Driver Led EUG-150S210DV bằng xung PWM [13] .... 33
Hình 2-30: Sơ đồ chân LM358 ............................................................................ 34
Hình 2-31: Sơ đồ nguyên lý khuếch đại tín hiệu PWM....................................... 35
Hình 2-32: Đo tín hiệu điều khiển PWM ............................................................. 36

Hình 2-33: Bản vẽ 3D và thiết kế mạch in thiết bị điều khiển cường độ ............ 36
Hình 3-1: Mơ hình hệ thống quản lý giám sát chung cho di tích Đền Hùng ....... 37
Hình 3-2: Các thành phần hệ thống trung tâm quản lý và giám sát điều hành. ... 38
Hình 3-3: Cấu trúc bản tin truyền nhận TCP/IP .................................................. 40
Hình 3-4: Cấu trúc bản tin đường truyền RS-485................................................ 40
Hình 3-5: Q trình theo dõi và giám sát các thơng số hệ thống......................... 41
Hình 3-6: Quá trình cập nhật trạng thái đèn bị thay đổi do người dùng .............. 41
Hình 3-7: Lưu đồ thuật toán điều khiển thiết bị trung tâm. ................................. 43
Hình 3-8: Lưu đồ xử lý yều cầu từ phần mềm của thiết bị trung tâm ................. 44
Hình 3-9: Cấu trúc truyền nhận bản tin RS-485 .................................................. 45
Hình 3-10: Lưu đồ điều khiển theo kịch bản ....................................................... 46
Hình 3-11: Lưu đồ nhận bản tin điều khiển ......................................................... 47
Hình 3-12: Lưu đồ thuật toán điều khiển thiết bị ON/OFF ................................. 48
Hình 3-13: Lưu đồ thuật tốn điều khiển thiết bị cường độ ................................ 50
Hình 3-14: Gói phần mềm visual studio 2019 ..................................................... 51
iv


Hình 3-15: Sơ đồ màn hình chức năng phần mềm chiếu sáng............................. 52
Hình 3-16: Giao diện màn hình giám sát ............................................................. 53
Hình 3-17: Các tính năng của giao diện màn hình giám sát. ............................... 53
Hình 3-18: Giao diện màn hình điều khiển .......................................................... 54
Hình 3-19: Giao diện màn hình điều khiển từng gian.......................................... 55
Hình 3-20: Màn hình điều khiển Gian ngồi ....................................................... 56
Hình 3-21: Màn hình điều khiển Gian trong ........................................................ 56
Hình 3-22: Màn hình giao diện chức năng cài đặt kịch bản ................................ 57
Hình 4-1: Thiết bị điều khiển trung tâm .............................................................. 58
Hình 4-2: Thiết bị điều khiển cường độ sáng....................................................... 58
Hình 4-3: Thiết bị điều khiển đóng cắt hai trạng thái .......................................... 59
Hình 4-4: Đóng hộp thiết bị ................................................................................. 59

Hình 4-5: Mơ hình hệ đo cơng suất...................................................................... 62
Hình 4-6: Mơ hình thử nghiểm chức năng phát hiện cháy bóng ......................... 63
Hình 4-7: Biểu diễn kết quả dưới dạng biểu đồ ................................................... 64
Hình 4-8: Hình ảnh đèn bánh chưng, bánh dày và đài sen. ................................. 65
Hình 4-9: Hình ảnh chiếu sáng bên ngồi, ........................................................... 65
Hình 4-10: Hình ảnh thực tế hệ chiếu sáng tại Đền Giếng ngày rằm. ................. 66

v


DANH MỤC BẢNG BiỂU
Bảng 2-1: Phương án cụm đèn cho từng khu vực chiếu sáng Đền Giếng. .......... 14
Bảng 2-2: Chức năng các chân của chip SN65HVD82 ....................................... 19
Bảng 2-3: So sánh ba công nghệ SigFox, LoRa và NB-IoT. ............................... 20
Bảng 2-4: Bảng thông số kỹ thuật Atmega 2560 ................................................. 23
Bảng 2-6: Bảng thông số kỹ thuật của ZMCT- 103 ............................................ 30
Bảng 2-7: Thông số kỹ thuật xung PWM ............................................................ 33
Bảng 2-8: Bản chức năng các chân LM358 ......................................................... 34
Bảng 4-1: kết quả khảo sát khả năng hoạt động trong 10 ngày ........................... 61
Bảng 4-2: Kết quả đo thông số điện của hai loại thiết bị chấp hành ................... 62
Bảng 4-3: Kết quả điện năng tiêu thụ của từng thiết bị ....................................... 62
Bảng 4-4: Bảng kết quả mô phỏng cháy bóng và phát hiện ................................ 63

vi


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, với nhịp sống hiện tại, ánh sáng nhân tạo được sử dụng rộng rãi
giúp nâng cao giá trị chất lượng nghệ thuật, tạo các hình khối khơng gian kiến trúc
có sức truyền cảm mạnh. Tại Việt Nam, đặc biệt trong các cơng trình văn hóa tâm

linh như Đền, Chùa thì việc sử dụng đèn chiếu sáng trong khơng gian thờ cúng tâm
linh vẫn mang tính tự phát, khơng đảm bảo tính linh thiêng và trang nghiêm.
Nhằm nâng cao hiệu quả chiếu sáng, giải pháp giám sát và điều khiển hệ thống
chiếu sáng đã được nghiên cứu, triển khai và ứng dụng nhằm đáp ứng các nhu cầu
về tiết kiệm năng lượng, nâng cao hiệu quả vận hành, cung cấp các thông tin cần
thiết để quản lý từ xa.
Trong luận văn này, tác giả tiến hành thiết kế hệ thống chiếu sáng ứng dụng tại
khu vực đền Giếng thuộc khu di tích lịch sử quốc gia Đền Hùng. Luận văn gồm
bốn chương trong đó sẽ trình bày:
-

Chương 1: Tổng quan về hệ thống chiếu sáng, thực trạng hệ thống chiếu
sáng tại đền Giếng để từ đó đưa ra mục tiêu cho hệ thống chiếu sáng.

-

Chương 2: Nghiên cứu xây dựng mơ hình hệ thống dựa theo mục tiêu thiết
kế và các khảo sát thực tế tại đền. Tiến hành phân tích thiết kế phần cứng
các thiết bị có trong hệ thống.

-

Chương 3: Trình bày lưu đồ thuật toán điều khiển đối với các thiết bị cũng
như thiết kế phần mềm giám sát và điều khiển tập trung.

-

Chương 4: Trình bày kết quả, kịch bản thử nghiệm hệ thống và một số hình
ảnh lắp đặt thực tế tại Đền Giếng.

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG
1.1. Tìm hiểu tổng quan về hệ thống chiếu sáng tại các khơng gian tín
ngưỡng, tơn giáo
Với sự phát triển vượt bậc của thiết bị chiếu sáng đã giúp cho chiếu sáng kiến
trúc phát triển nhanh chóng. Các phương pháp chiếu sáng khơng cịn bị giới hạn
chỉ đơn giản bật tắt như trước kia mà giờ có thể thay đổi để tạo ra các khu cảnh
không gian phù hợp. Hiện nay hệ thống chiếu sáng thông minh không chỉ áp dụng
trong các tồn nhà văn phịng hay các cơng trình chiếu sáng cơng cộng nhằm giúp
tiết kiệm điện năng mà cịn được nghiên cứu triển khai tại các bảo tàng, nhà thờ,
những cơng trình kiến trúc nổi bật mang tính biểu tượng. Chính những sự thay đổi
trên đã mang lại kết quả tốt, làm tôn nên vẻ đẹp, giá trị tâm linh… giúp thu hút
khách tham quan du lịch. Ví dụ hệ thống quản lý chiếu sáng cho nhà thờ Temple
de Lutry, Thụy sỹ đã được hãng Tridonic triển khai lắp đặt mới đây Error!
Reference source not found..

Hình 1-1: Hệ thống chiếu sáng tự động tại nhà thờ Temple de Lutry [1].
Các yêu cầu nghiêm ngặt đặt ra là vừa phải kết nối các điểm sáng LED với hệ
thống điều khiển ánh sáng, vừa hạn chế việc đặt dây nguồn hoặc dây cáp theo quan
điểm giữ nguyên cấu trúc 1000 năm của nhà thờ. Do vậy hệ thống sử dụng công
nghệ không dây Bluetooth để tạo ra một mạng lưới 127 điểm chiếu sáng được quản
lý thông qua ứng dụng phần mềm trên điện thoại tên là Tridonic 4remote BT. Qua
ứng dụng cho phép bật/ tắt từng bộ đèn riêng lẻ hoặc tồn bộ nhóm đèn được xác
định, các module LED cho có thể điều chỉnh nhiệt độ màu để tùy chỉnh bốn khung
cảnh ánh sáng khác nhau. Ngồi hệ thống cịn có kịch bản chiếu sáng tự động cho
các tua du lịch khi tham quan nhà thờ.
2

Một ví dụ khác là nhà nguyện Sistine ở Rome (Error! Reference source not
found.) cũng đã lắp đặt một hệ thống chiếu sáng LED được thiết kế để chiếu sáng
các tác phẩm nổi tiếng thế giới của Michelangelo. Hệ thống lắp đặt mới cung cấp
độ chiếu sáng cao hơn, tiêu thụ ít năng lượng hơn 60% so với hệ thống cũ. Nhờ hệ
thống chiếu sáng mới với khoảng 7000 bóng LED Osram được sử dụng, các bức
họa trên mái vòm và các bức tường miêu tả thiên thần và các tiên tri, được miêu tả
bằng nhiều màu sắc khác nhau giờ đây xuất hiện trước mặt du khách đến Nhà
nguyện Sistine trong tất cả vẻ đẹp của nó.

Hình 1-2: Khung cảnh bên trong nhà nguyện Sixtine [2].
Tại khu vực Châu Á, nơi là cái nôi của nhiều nền tôn giáo lớn, chúng ta sẽ thấy
vẻ đẹp những ngôi chùa tháp ở Nhật như Miyajima, Kuyomizu-Dera, Asakura,…
hay như chùa Swedagon, Golden Rock ở Myanmar được gia tăng bội phần khi
chiếu sáng về đêm. Nếu chùa Swedagon rực rỡ với ánh sáng vàng, thì Golden Rock
huyền ảo, thiêng liêng với nhiều kiểu chiếu sáng với nhiều màu sắc thay đổi.

Hình 1-3: Vẻ đẹp ngôi chùa lớn Swedagon ở Myanmar [3].
3


Ở nước ta cũng đã có nhiều hệ thống đèn chiếu sáng hiện đại cho các kiến trúc
cổ nổi bật, mới được lắp đặt những năm gần đây như ở Ngọ Mơn, Đại Nội Huế,
Hồng Thành Thăng Long hay Hồ Hoàn Kiếm, Hà Nội. Các hệ thống chiếu sáng
hiện đại này đã làm cho Lầu Ngũ Phụng, Ngọ Môn, Tháp Rùa có nét đẹp mới chưa
từng có về đêm, lại vừa tơn cao giá trị của kiến trúc cổ kính này.

Hình 1-4: Cửa Ngọ Mơn của Cung thành Huế [4].
Tuy vậy, chiếu sáng cho các cơng trình kiến trúc mang tính tơn giáo tín ngưỡng
như đền chùa vẫn chưa được thực sự quan tâm do vậy không đạt được giá trị thẩm

mỹ vốn có. Phổ biến hơn cả vẫn là kiểu giăng đèn bóng trịn đốt tim, có thể chỉ
một màu vàng, có thể nhiều màu (xanh, đỏ, vàng…), giăng theo hình dáng bảo
tháp hay mái chùa.Việc bố trí chiếu sáng mang tính tự phát và gặp nhiều khó khăn
trong quản lý, dù cho đó là ngơi chùa lớn. Nếu được áp dụng những công nghệ
mới vào chiếu sáng, chúng ta có thể làm tơn thêm vẻ đẹp của kiến trúc.
1.2. Thực trạng hệ thống chiếu sáng chung tại di tích Đền Hùng

❖ Giới thiệu tổng quan Đền Hùng
Đền Hùng là di tích lịch sử văn hố đặc biệt quan trọng của quốc gia (Bộ Văn
hóa thơng tin xếp hạng năm 1962), được xây dựng trên núi Hùng - thuộc đất Phong
Châu - vốn là đất kế đô của Nhà nước Văn Lang 4.000 năm trước đây. Toàn bộ
Khu di tích có 4 đền, 1 chùa và 1 lăng hài hồ (từ năm 2001 đến nay có xây dựng
thêm 2 đền) trong cảnh thiên nhiên, có địa thế cao rất ngoạn mục, hùng vĩ, đất đầy
khí thiêng của sơn thuỷ hội tụ.
Năm 2012, UNESCO cơng nhận Tín ngưỡng thờ cúng Hùng Vương ở Phú Thọ
là di sản văn hóa phi vật thể của nhân loại với những yếu tố thuộc đời sống tâm
linh của người Việt Nam đã tồn tại từ hàng nghìn năm nay, thể hiện nền tảng tinh
thần đại đoàn kết dân tộc và gắn kết cộng đồng. Tính độc đáo của tín ngưỡng này
4


thể hiện rất rõ ở yếu tố thờ Hùng Vương chính là thờ Quốc tổ. Đây là bản sắc văn
hóa khơng phải dân tộc nào cũng có. Trong đó, khu vực I (vùng lõi) có diện tích
32,2 ha bao gồm các di tích Đền Thượng, Đền Trung, Đền Hạ, Đền Giếng, Lăng
Vua Hùng, Chùa Thiên Quang, Bảo tháp, Nhà thờ Tổ, gác Chuông thuộc diện bảo
tồn nguyên trạng. Bản đồ tồn thể của Khu di tích Đền Hùng được thể hiện như
trên

Hình 1-5: Bản đồ các đền chùa thuộc khu di tích Đền Hùng.

❖ Khảo sát các đền thuộc khu di tích Đền Hùng
Qua khảo sát hiện trạng sơ bộ về tình hình chiếu sáng tại các Đền Hạ, Đền
Trung, Đền Thượng và Đền Giếng thì thấy vẫn 100% sử dụng các loại nguồn sáng
khơng thích hợp như đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang (chiếu sáng nội thất), đèn Natri
cao áp, đèn Metal Halide (loại đèn CSC phù hợp chiếu sáng đường phố)… Đây là
các loại đèn truyền thống, có ưu điểm là dễ lắp, đơn giản nhưng cũng có nhiều hạn
chế như ánh sáng đơn điệu, tuổi thọ không cao, hiệu quả sử dụng năng lượng thấp,
tiêu tốn nhiều điện năng, tạo nhiều nhiệt và các tia hồng ngoại làm hư hỏng, giảm
tuổi thọ của các vật dụng thời cúng giá trị cao. Nhiều vị trí cịn có hiện tương ô
nhiễm môi trường ánh sáng (thừa ánh sáng quá mức). Error! Reference source
not found. mô tả đèn sợi đốt và sử dụng trong nội thất các khu đền thuộc Đền
Hùng.

5


Hình 1-6: Sử dụng các bóng sợi đốt chiếu sáng không gian bên trong.
Error! Reference source not found. mô tả sơ bộ cấu tạo bên ngoài của bộ đèn
huỳnh quang T8 sử dụng và bố trí lắp đặt của đèn trong các gian thờ của từng đền.
Chúng ta có thể thấy các bộ đèn huỳnh quang được bố trí gắn với các xà ngang
bên trong và các khu vực mái hiên của mỗi gian đền theo hướng chiếu ngang hoặc
hướng xuống sàn.

Hình 1-7: Sử dụng bóng đèn cho chiếu sáng cửa vào.
Hệ thống chiếu sáng tại các đền đều thiết kế theo cách truyền thống, sử dụng
các công tắc điều khiển để bật tắt ngay tại đền. Việc quản lý chiếu sáng mang tính
tự phát và khơng có tính đồng bộ. Ngồi ra cịn xuất hiện một số bóng trên mái nhà
và ngoài hiên bị hỏng nhưng chưa được thay thế.
Từ những khảo sát thực tế, với mong muốn áp dụng một số công nghệ cao trong
việc xây dựng hệ thống thông tin tập trung nâng tầm giá trị khu di tích lịch sử Đền

Hùng, từ năm 2017, Trung tâm Công nghệ Vi điện tử và Tin học phối hợp với Khu
di tích lịch sử Đền Hùng thực hiện đề tài nghiên cứu:" Nghiên cứu, ứng dụng công
nghệ cao nhằm nâng cao hiệu quả quản lý và phát triển bền vững Khu di tích lịch
6


sử Quốc gia đặc biệt Đền Hùng" trong đó, có nội dung liên quan đến Xây dựng hệ
thống chiếu sáng nội thất và ngoại thất các đền chùa thuộc Khu di tích nhằm tạo
cảnh quan văn hóa tâm linh, mang bản sắc dân tộc và đặc thù phù hợp với cơng
trình Đền Hùng (thí điểm tại Đền Giếng).
Nội dung nghiên cứu bao gồm:
Thiết kế chế tạo các đèn có kiểu dáng và tính năng đặc biệt phù hợp với khu
di tích. Trong đó, đã nghiên cứu chế tạo các đèn kiểu dáng và tính năng đặc biệt
phù hợp với khu di tích:
+ LED đài sen có các tính năng đặc biệt như (i) khả năng thay đổi góc mở, (ii)
thay đổi cường độ sáng tùy biến như trên Hình 1-8.
+ Bộ đèn bánh trưng (Đèn Mặt Đất) gồm hai bộ đèn, tượng trưng cho mặt đất
sẽ có hình vng. Những bộ đèn này sẽ được treo đối xứng ở hai gian bên, cạnh
gian Giếng Ngọc.

Hình 1-8: Mơ hình đèn đài sen.

Hình 1-9: Mơ hình Đèn Mặt Đất (bánh chưng) và Đèn Bầu Trời (bánh dày) cho
chiếu sáng nội thất tại Đền Giếng.
7


+ Bộ đèn bánh dày (Đèn Bầu trời) tượng trưng cho bầu trời sẽ có hình lục
giác, kích thước sẽ được tính tốn thiết kế cân đối với khơng gian treo đèn như
trong Hình 1-9. Đèn Bầu trời sẽ được treo ở gian giữa, phía trên của Giếng Ngọc.

Nguồn điện cung cấp cho các LED của đèn có tính năng điều khiển được
(dimmable), sử dụng tín hiệu từ 0-10V; được đặt tại tủ điều khiển trung tâm.
-

Xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát tự động các thiết bị chiếu sáng tại
khu vực Đền Giếng nhằm đáp ứng các yêu cầu về:
+ Nâng cao quản lý và vận hành hệ thống chiếu sáng
+ Cung cấp thông tin để quản lý từ xa
+ Đảm bảo tính ổn định và bảo mật

-

Có khả năng hoạt động độc lập, tự động chiếu sáng theo kịch bản hoặc kết

nối điều khiển, trao đổi dữ liệu với phần mềm quản lý chung của khu di tích Đền
Hùng.
Trong luận văn tập trung trình bày nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và
giám sát chiếu sáng cho các khu vực đền chùa nói chung và Đền Giếng nói riêng.
Do tính đặc thù ứng dụng tại khu vực đền chùa, việc chiếu sáng phụ thuộc vào văn
hóa tín ngưỡng từng nơi nên hệ thống xây dựng có tính mở để người dùng có thể
tạo ra hoặc thay đổi các kịch bản cho phù hợp yêu cầu thực tế. Bên cạnh đó các
giải pháp dự phịng về đường truyền và bảo mật cũng được thêm vào để đảm bảo
tính ổn định của hệ thống.
1.3. Giải pháp và định hướng thiết kế của hệ thống
1.3.1. Giải pháp thiết kế hệ thống
Từ những khảo sát thực tế trên, một số giải pháp được tác giả đưa ra như sau:
- Nâng cao khả năng điều khiển và giám sát thông qua phần mềm
Với tiêu chí hạn chế ít nhất các tác động vào ngôi đền, hệ thống chiếu sáng mới
được thiết kế trên nền hệ thống chiếu sáng có sẵn nên công tắc và các hệ thống dây
điện vẫn được giữ nguyên. Trong quá trình vận hành, việc điều khiển bật/tắt đèn

thực hiện theo hai cách là bằng công tắc ngay tại đền (dùng cho người trông coi
đền) hoặc thông qua phần mềm tại phòng điều hành trung tâm của khu di tích (dùng
cho người quản lý). Sơ đồ kết nối đền và thiết bị được thể hiện trong Error!
Reference source not found..
Cùng với đó việc giám sát trạng thái các nguồn sáng trong khu vực Đền Giếng
được theo dõi liên tục nhằm hai mục đích: cung cấp các thơng tin về điện năng tiêu
thụ và cập nhật lại trạng thái mỗi khi có sự thay đổi do cơng tắc do phía dưới đền.
Biện pháp sử dụng cảm biến đo dịng được thiết kế bên trong thiết bị sẽ liên tục
8


kiểm tra dịng điện có trên các đèn hoặc cụm đèn để có được trạng thái mới nhất
của chúng.

Hình 1-10: Mơ hình đấu nối các đèn LED bên trong đền Giếng.
Nhằm nâng cao tính ổn định của hệ thống, giải pháp đưa ra là hệ thống sử dụng
cả đường truyền có dây và đường truyền khơng dây. Đường truyền có dây sử dụng
giao tiếp RS-485, một chuẩn giao tiếp được sử dụng phổ biến trong công nghiệp
với các ưu điểm như đơn giản, khoảng cách truyền xa, chống nhiễu tốt, kết nối đa
điểm,... Trong khi đó đường truyền khơng dây sử dụng truyền thông LoRa (LongRange) là một công nghệ mới thích hợp cho các ứng dụng IoT cho khoảng cách
truyền xa, tiết kiệm năng lượng, chống nhiễu và bảo mật tốt,.... Mơ hình hệ thống
truyền nhận dữ liệu như Error! Reference source not found..

Hình 1-11: Mơ hình các giao tiếp truyền nhận giữa thiết bị trong hệ thống.
- Tạo sự thối mái cho khách tham quan
Nhằm khắc phục tình trạng chênh lệnh cường độ ánh sáng bên trong và bên
ngoài đền quá lớn, gây ảnh hưởng đến thị giác người tham quan đặc biệt là người
già và trẻ nhỏ. Giải pháp đưa ra là điều chỉnh cường độ sáng của gian tiếp giáp với
sân (tiền bái) có cường độ gần với ánh sáng bên ngồi nhất, sau đó giảm dần vào
trong như mô tả trong Error! Reference source not found..

9


Hình 1-12: Điều khiển thay đổi cường độ cường độ từng gian giảm dần theo
hướng từ ngoài vào trong.
Độ rọi bên ngoài do ánh sáng tự nhiên quyết định, tuy nhiên ánh sáng tự nhiên
phụ thuộc rất mạnh vào thời điểm trong ngày, vào thời tiết, vào mùa trong năm
và vào địa hình xung quanh. Do đó để tạo ra một môi trường chiếu sáng tối ưu
cho nhu cầu tham quan, thờ cúng, cần phải đặt ra các kịch bản phù hợp với từng
tình huống khác nhau.
- Tăng tính tùy biến bằng cách tạo ra các kịch bản chiếu sáng
Bên cạnh việc điều khiển theo cường độ sáng tự nhiên thì trong những ngày
đặc biệt như ngày giỗ tổ Hùng Vương, ngày rằm, ngày mồng một,... cũng cần có
các kịch bản chiếu sáng riêng biệt, phù hợp với ý nghĩa từng ngày lễ. Mỗi ngơi đền
ngơi chùa đều có lịch sử và sự tích riêng vì vậy sẽ có các kịch bản chiếu sáng theo
yêu cầu người dùng.
-

Nâng cao hiệu quản vận hành hệ thống

Ngoài ra hệ thống được xây dựng với mục đích hỗ trợ quản lý, giám sát và điều
khiển hệ thống chiếu sáng khu vực Đền Giếng. Hệ thống là một phần trong hệ
thống quản lý tập trung của cả khu di tích Đền Hùng giúp tăng cường khả năng
điều hành, giảm nhân sự vận hành hệ thống, và giúp tiết kiệm năng lượng. Đây
cũng là nội dung nghiên cứu chính tác giả thực hiện ở trong luận văn này.
1.3.2. Định hướng nghiên cứu của luận văn
Sau khi đã cùng nhóm thực hiện đề tài khảo sát thực tế từ đó phân tích thiết kế
các bịng đèn đặc thù và đưa ra sơ đồ bố trí lắp đặt. Tác giả đã đưa ra mơ hình hệ
thống chiếu sáng phù hợp cho khu vực Đền Giếng như Error! Reference source

not found..

10


Phân loại theo trạng thái của đèn, lớp thiết bị chấp hành trong hệ thống chiếu
sáng có thể chia làm 2 loại:
-

Thiết bị điều khiển các đèn 2 trạng thái (tạm gọi là thiết bị điều khiển
On/Off).

-

Thiết bị điều khiển có khả năng thay đổi cường độ (tạm gọi là thiết bị điều
khiển Dimming).

Ngoài ra hệ thống cũng cần thiết bị trung tâm giúp quản lý tập trung các thiết
bị điều khiểu chiếu sáng trực tiếp bên dưới.

Hình 1-13: Mơ hình hệ thống điều khiển chiếu sáng.
Trong đó:

❖ Thiết bị điều khiển tập trung hệ thống chiếu sáng: có chức năng chính là
điều khiển các thiết bị chấp hành bên dưới cũng như kết nối và trao đổi thông tin
với phần mềm tại phịng điều khiển trung tâm. Ngồi ra thiết bị có khả năng tự
động điều khiển chiếu sáng theo kịch bản được lưu trong bộ nhớ.

❖ Thiết bị điều khiển chấp hành bao gồm:
• Thiết bị điều khiển đóng cắt ON/OFF: Dùng cho bóng và cụm bóng đèn

LED thanh, LED bảng và LED cơng suất.
• Thiết bị điều khiển Dimming: Dùng cho đèn được chế tạo đặc thù cho
khu Di tích lịch sử Đền Hùng là đèn bánh trưng, đèn bánh dày và đèn
hoa sen.

❖

Phần mềm điều khiển: được thế kế nhằm thuận tiện cho việc quản lý giám
sát tập trung với các chức năng theo dõi trạng thái trạng thái đèn, lấy thơng số dịng
điện, điện áp và công suất tổng trên từng gian, điều khiển chiếu sáng theo kịch bản,
đặt lịch cho chiếu sáng tự động,...
11


Từ mơ hình hệ thống và các giải pháp được đưa ra, các yêu cầu đặt ra cho hệ
thống chiếu sáng:
• Hệ thống được điều khiển và giám sát thơng qua phần mềm đặt tại phòng
điều khiển trung tâm. Hệ thống chiếu sáng là một phần trong hệ thống
quản lý tâm trung của di tích Đền Hùng bên cạnh quản lý giao thơng,
cảnh báo cháy rừng, bảo tàng ảo,...
• Hệ thống đảm bảo có thể điều khiển bật tắt đèn theo hai cách bằng tay
(cho các nhân viên tại đền) thông qua công tắc và bằng phần mềm (cho
người quản lý).
• Hệ thống được thiết kế thuận lợi trong quá trình sửa chữa bảo dưỡng.
• Trong trường hợp mất kết nối với phần mềm giám sát, hệ thống có chức
năng điều khiển tự động chiếu sáng theo kịch bản lưu trên thiết bị.
• Hệ thống có khả năng theo dõi trạng thái các bóng liên tục cũng như các
thơng số điện áp, dịng điện và cơng suất.
Đây cũng là cơ sở để tiếp tục xây dựng hệ thống sẽ được trình bày cụ thể ở
chương tiếp theo.

12


CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG
Trên cơ sở ý tưởng và giải pháp chiếu sáng đặt ra cho hệ thống như đã nêu
ở phần trước. Nội dung chương II sẽ trình bày mơ hình tổng qt của hệ thống
chiếu sáng áp dụng tại Đền Giếng. Từ đó tác giả sẽ phân tích thiết kế phần cứng
các loại thiết bị có trong hệ thống.
2.1. Xây dựng mơ hình hệ thống chiếu sáng
Trên cơ sở khảo sát và phân tích kiến trúc đền Giếng như trong mục 1.3, sơ đồ
bố trí chiếu sáng như Error! Reference source not found..

Hình 2-1: Sơ đồ phân bố chiếu sáng bên trong Đền Giếng.
Bên trong đền có thể chia ra làm ba khu vực điều khiển chính:

❖ Lớp nhà ngồi (tiền bái) do là khu vực chuyển tiếp giữa bên trong và bên
ngồi vì vậy ánh sáng tại đây phải có độ rọi cao để mắt kịp thích ứng khi khách
tham quan di chuyển. Đây cũng là khu vực có diện tích lớn nhất nên phương án sử
dụng đèn “LED thanh” với góc chiếu rộng để chiếu sáng chung và đặt ở các vị trí
thấp hắt lên phía trên. Bố trí như vậy vừa giảm tối đa sự chói lóa so với việc sử
dụng các đèn sợi đốt, huỳnh quang hay compact chiếu xuống và chiếu ngang như
hiện tại mà vẫn đảm bảo việc phân bố sáng.

❖ Lớp nhà giữa (phương đình) với thiết kế lấy sáng hai gian nên đây là khu
vực rất khó kiểm sốt về độ rọi. Điều khiển chiếu sáng vừa phải đảm bảo cân bằng
13


ánh sáng không gian tổng thể, vừa không tạo cảm ức chế mắt do chênh lệch sáng

từ hai bên ô thoáng (sân trời).

❖

Hai lớp nhà trong cùng (hậu cung + chi vồ) nơi có Giếng Ngọc nằm

phía trước bàn thờ các Công chúa thời Hùng Vương. Nguồn sáng duy nhất là từ ơ
thống phía trên Giếng Ngọc do vậy khơng gian bên trong thường thiếu sáng.
Phương án điều khiển chiếu sáng cho lớp nhà này nhằm mục đích tơn lên tính mỹ
thuật của các pho tượng và nội thất, đồng thời không lấn áp ánh sáng tự nhiên từ
trên mái chiếu xuống Giếng Ngọc.
Đối với khơng gian bên ngồi đền, việc chiếu sáng chỉ để sử dụng vào ban đêm,
lúc trời tối với hai mục tiêu khác nhau, trang trí và chiếu sáng chung. Do vậy phần
mái và sân vườn cũng sẽ được điều khiển tách biệt.

❖ Mái nhà được chiếu sáng với mục đích trang trí làm nổi bật hình khối kiến
trúc Đền Giếng vào đêm.

❖ Sân đền sẽ tập trung vào chiếu sáng khuôn viên và lối đi cho khách tham
quan.
Ngoài ra, các khu vực sẽ khác nhau về số lượng đèn, kiểu dáng đèn, vị trí lắp
đặt cũng như mục đích chiếu sáng. Chi tiết phân chia cụm và thơng số từng loại
đèn được trình bày trong Bảng 2-1.
Bảng 2-1: Phương án cụm đèn cho từng khu vực chiếu sáng Đền Giếng.
STT

KHU VỰC

A

Bên trong nhà

I

Gian ngoài
- Cửa vào

II

ĐÈN SỬ DỤNG

TỔNG
CƠNG
SUẤT

PHƯƠNG
ÁN ĐIỀU
KHIỂN

294W
08 LED thanh 1.2m (10W)

80W

- Phía ngồi 08 LED bảng 1.2m (18W)
bảng hồnh phi

144W

- Kèo gần ơ 04 LED thanh 1m (10W)

thống

40W

- Phía trong bảng 03 LED thanh 1m (10W)
hoành phi

30W

Gian giữa

190W

điều khiển
on/off

14


- Ơ chính giữa

01 LED đài sen 70W

70W

dimming
cường độ, vơ
cấp

- 02 Ơ thống

06 LED thanh 1.2m (mỗi ơ

60W

thống 3 đèn) (10W)
III

điều

khiển

on/off

Gian giếng

210W

- Ơ thờ chính 01 LED bánh dày 70W
giữa

70W

dimming
cường độ, vơ
cấp

- 02 Ơ thờ

02 LED bánh chưng 70W

140W

dimming
cường độ, vơ
cấp

B

Bên ngồi nhà

I

Mái nhà

600W

Mái nhà gian thờ 04 Đèn LED pha 10W + 4

80W

(chuôi vồ)

II

LED thanh 1,2m 10W

Mái nhà gian 04 Đèn LED pha 50W
ngoài (tiền bái)

200W

Mái nhà gian 08 Đèn LED pha 10W + 4
giữa
(phương LED thanh 1,2m 10W
đình)

120W

Mái nhà gian 04 Đèn LED pha 50W
trong (hậu cung)

200W

Chiếu sân

800W

04 LED pha 200W

điều

khiển

on/off

điều khiển
on/off

Từ bảng trên có thể tóm tắt các cụm trong từng gian như sau:

-

Gian ngoài (tiền bái): gồm 4 cụm điều khiểu On/Off

-

Gian giữa (phương đình): gồm 2 cụm điều khiểu On/Off + 1 cụm điều khiển
Dimming.

-

Gian giếng (hậu cung): gồm 2 cụm điền khiển Dimming

-

Mái nhà: gồm 4 cụm điều khiểu On/Off

-

Sân đền: gồm 1 cụm điều khiểu On/Off

15