Đánh giá hiệu năng khi sử dụng cảm biến ánh sáng đa hướng cho hệ thống tiết kiệm năng lượng chiếu sáng

Nội dung text: Đánh giá hiệu năng khi sử dụng cảm biến ánh sáng đa hướng cho hệ thống tiết kiệm năng lượng chiếu sáng

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG KHI SỬ DỤNG CẢM BIẾN ÁNH SÁNG ĐA HƯỚNG CHO HỆ THỐNG TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHIẾU SÁNG PERFORMANCE EVALUATION WHEN USING MULTI-DIRECTIONAL LIGHT SENSOR FOR ENERGY SAVING LIGHTING SYSTEM Nguyễn Phan Kiên1*, Nguyễn Mạnh Cường2, Hoàng Anh Dũng3, Vũ Duy Thuận4 1Trường Đại học Bách khoa Hà nội, 2Học viện Kỹ thuật quân sự, 3Trường Đại học Mở Hà Nội 4Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 24/02/2021, Ngày chấp nhận đăng: 16/03/2021, Phản biện: TS. Ngô Duy Tân Tóm tắt: Hiện nay vấn đề điều chỉnh công suất trong hệ thống chiếu sáng để tiết kiệm năng lượng phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống cảm biến ánh sáng. Trong nhiều trường hợp giá trị của cảm biến ánh sáng bị tác động bởi rất nhiều yếu tố như vị trí đặt cảm biến, hướng đo của cảm biến, các tác nhân gây phản xạ hay che chắn trong môi trường làm việc. Khi đó thường yêu cầu nhiều cảm biến được thiết lập theo các hướng khác nhau để thu thập mức ánh sáng tổng thể. Trong bài báo này nhóm nghiên cứu sẽ sử dụng cảm biến ánh sáng xoay đa hướng để làm căn cứ điều khiển hệ thống chiếu sáng. Cách tiếp cận này khắc phục được vấn đề của mạng cảm biến tĩnh bằng cách thay đổi động góc đo của cảm biến ánh sáng. Kết quả thử nghiệm trong phòng làm việc bình thường cho thấy cảm biến xoay có thể đo mức độ ánh sáng theo các hướng khác nhau và phát hiện hướng của nguồn chiếu sáng chính. Ngay cả khi chặn một số hướng, cảm biến vẫn có thể đo chính xác và cung cấp thông tin cảm nhận về các hướng còn lại. Nghiên cứu sẽ tập trung vào đánh giá hiệu năng của hệ thống tiết kiệm năng lượng chiếu sáng sử dụng cảm biến ánh sáng quay đa hướng so với cảm biến tĩnh. Từ khóa: Tiết kiệm năng lượng, cảm biến ánh sáng, đa cảm biến, chiếu sáng thông minh, LQR. Abstract: Nowadays, the problem of adjusting the power in the lighting system to save energy depends a lot on the light sensor system. In many cases the value of the light sensor is influenced by many factors such as the location of the sensor, the direction of the sensor, and reflectors or shielding in the working environment. This typically requires multiple sensors to be set up in different directions to collect the overall light level. In this paper, the team will use a multidirectional rotating light sensor as input to control the lighting system. This approach overcomes the problem of static sensor networks by dynamically varying the measuring angle of the light sensor. Normal office test results show that the rotating sensor can measure the light level in different directions and detect the direction of the main light source. Even when blocking some directions, the sensor can accurately measure and provide perceptual information about the remaining directions. The research will focus on evaluating the performance of lighting energy saving systems using multidirectional rotating light sensors compared to static sensors. 60 Số 26
2. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Keywords: Saving energy, light intensity sensors, multidirectional sensors, intelligent lighting control, Linear Quadratic Regulator (LQR). 1. GIỚI THIỆU sáng quay để giải quyết những vấn đề này. Thông tin cảm biến ánh sáng có vai trò quan trọng trong các ứng dụng điều khiển Hệ thống được đề xuất trong [1] sử dụng chiếu sáng như trong chiếu sáng công một cảm biến ánh sáng duy nhất thay vì nghiệp hoặc tòa nhà công sở, trường học nhiều cảm biến và cảm biến có thể xoay sử dụng một hệ cảm biến. Nhất là trong tự do để đo cường độ của ánh sáng từ các phương pháp tiết kiệm năng lượng nhiều hướng. Ưu điểm của hệ thống này chiếu sáng đều có khả năng điều chỉnh là nó có thể cung cấp dữ liệu cảm biến cường độ chiếu sáng để khai thác ánh ánh sáng ở các góc độ khác nhau chỉ bằng sáng tự nhiên. Các đặc tính và khả năng một cảm biến duy nhất so với hệ thống sử của cảm biến ánh sáng ảnh hưởng lớn đến dụng nhiều cảm biến. Cảm biến xoay có hiệu suất điều khiển ánh sáng. Cường độ thể phát hiện ánh sáng thay đổi ở một góc ánh sáng trong nhà phụ thuộc vào cả ánh cụ thể hoặc xác định hướng đo nào có thể sáng nhân tạo và ánh sáng tự nhiên. Việc đã bị che chắn. Các tính năng này cho đo ánh sáng không chỉ dựa trên tế bào phép cảm biến theo dõi chính xác thông quang điện trong cảm biến mà còn dựa tin ánh sáng trong các ứng dụng thực tế trên các yếu tố khác như hướng cảm biến trong nhà. Hệ thống cũng có thể hoạt và hoạt động của con người trong khu vực động trên các ứng dụng Internet of Things đó. Thông thường, hệ thống cảm biến ánh (IoT) [3] vì nó có thể kết nối và truyền dữ sáng sử dụng nhiều cảm biến ánh sáng liệu đến các nền tảng IoT phổ biến hiện hay một mạng lưới các cảm biến phân tán. nay. Như đã đề cập trong [1], có những thách Trong bài báo này nhóm nghiên cứu sử thức trong việc sử dụng mạng chứa một dụng một hệ thống cảm biến được giới số lượng lớn cảm biến, chẳng hạn như các thiệu trong [2] là bản nâng cấp mở rộng nút cảm biến không đáng tin cậy (khả của [1]. Bài báo sử dụng bộ dữ liệu từ hệ năng chịu lỗi), khó khăn khi cần thêm thống cảm biến ánh sáng đa hướng [2] để cảm biến mới hoặc thay đổi hướng cảm mô phỏng quá trình điều khiển của hệ biến (khả năng mở rộng), và phản ứng thống tiết kiêm năng lượng và đánh giá chậm với các các sự kiện thay đổi cường hiệu quả của hệ thống cảm biến ánh sáng độ ánh sáng (độ trễ cao). Đối với một nút trong tiết kiệm năng lượng. cảm biến tĩnh, cảm biến có thể bị chặn bởi các đối tượng chuyển động hoặc bị chiếu 2. CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN VÀ sáng bởi chùm ánh sáng hẹp (không phải CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO ỨNG DỤNG nguồn chiếu sáng), gây ra phép đo không 2.1. Tình hình nghiên cứu hiện nay chính xác. Phương án được đề xuất trong [1] là sử dụng một hệ thống cảm biến ánh Dữ liệu cảm biến ánh sáng được sử dụng Số 26 61
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) trong hệ thống điều khiển chiếu sáng kiệm năng lượng. Chi phí triển khai và thường đến từ một cảm biến đơn lẻ hoặc bảo trì các cảm biến đã được chỉ ra trong một mạng các cảm biến. Việc sử dụng bài báo. Nghiên cứu trong [8] đã chỉ ra mạng cảm biến ánh sáng đã trở nên phổ ảnh hưởng của các yếu tố tự nhiên khác biến hơn, đặc biệt là trong các ứng dụng như chuyển động của mặt trời, mây và vừa và lớn. bóng đến việc thay đổi mức độ ánh sáng Việc sử dụng một cảm biến duy nhất có trong các ứng dụng thử nghiệm. Ảnh thể không cung cấp đủ thông tin cảm hưởng của khoảng cách, hướng của các biến, trong khi mạng lưới cảm biến có cảm biến và nguồn sáng lên dữ liệu cảm những thách thức về khả năng phát hiện biến đã được nghiên cứu trong [9]. và khử lỗi [4], khả năng mở rộng [5] và Đối với điều khiển chiếu sáng dựa trên vị phản ứng chậm [6]. Nhóm nghiên cứu đã trí, toàn bộ hệ thống chiếu sáng cung cấp nhận thấy những khó khăn này trong quá ánh sáng nền và thiết bị chiếu sáng cục bộ trình nghiên cứu cảm biến ánh sáng và cung cấp ánh sáng tập trung [10]. Trong điều khiển ánh sáng. hệ thống này, hệ thống điều khiển sử dụng dữ liệu cảm biến ánh sáng để điều Thứ nhất, khả năng khử lỗi trong mạng khiển cả chiếu sáng nền và chiếu sáng tập cảm biến ánh sáng yêu cầu hệ thống vẫn trung. Công trình nghiên cứu trong [11] phải hoạt động chính xác trong khi một số đã đánh giá tác động của cảm biến ánh cảm biến có thể đã bị lỗi. Rất khó để đáp sáng cục bộ đối với việc điều khiển toàn ứng yêu cầu này khi các cảm biến ánh bộ thiết bị chiếu sáng. Nó cũng yêu cầu sáng được phân bố các vị trí khác nhau. xác định khu vực vị trí của người dùng để Đối với khả năng mở rộng, có một thách điều khiển cung cấp ánh sáng cho cá nhân thức trong ứng dụng yêu cầu tăng diện [12, 13]. tích các khu vực chiếu sáng như trong Trong nghiên cứu [14], tác giả đã nghiên trung tâm thương mại hoặc các tầng làm cứu hệ thống điều khiển ánh sáng phân việc công nghiệp. Trong trường hợp như tán để đáp ứng yêu cầu sử dụng của người vậy, chi phí linh kiện sẽ tăng lên và hệ dùng dựa trên mức độ ánh sáng ban ngày thống cảm biến phải đủ di động để thích tự nhiên. Một số lượng lớn các cảm biến ứng với các phần mở rộng. Cuối cùng, hệ ánh sáng đã được sử dụng trong hệ thống thống các cảm biến tĩnh có thể có vấn đề của họ để kiểm tra mối quan hệ giữa các tốc độ phản ứng chậm khi các cảm biến yếu tố môi trường và các cảm biến ánh được đặt theo hướng cố định. Hệ thống sáng liên quan. Kết quả thử nghiệm cũng tĩnh không thể cảm nhận được sự thay đổi chỉ ra sự phụ thuộc của hiệu suất điều của cường độ ánh sáng trong các vùng khiển ánh sáng vào độ chính xác của không được cảm biến bao quát. thông tin cảm biến ánh sáng cục bộ và Trong [7], hệ thống điều khiển ánh sáng tổng thể. đã sử dụng dữ liệu mạng cảm biến không Nhóm nghiên cứu chưa thấy một hệ thống dây để điều khiển độ chiếu sáng nhằm tiết nào sử dụng cảm biến xoay trong các ứng 62 Số 26
4. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) dụng điều khiển chiếu sáng. Trong lĩnh vật thể che chắn. Các thành phần chính vực chụp cắt lớp vô tuyến, một nghiên của hệ thống là cảm biến ánh sáng, động cứu được trình bày trong [15] đã giới cơ bước, mạch điều khiển động cơ và thiệu hệ thống cảm biến RF xoay để thu mạch điều khiển chính. Hệ thống sử dụng nhận tín hiệu vô tuyến từ nhiều hướng và một bộ vi điều khiển để điều khiển góc cải thiện độ chính xác của hình ảnh chụp quay, cảm biến đo cường độ ánh sáng và cắt lớp. truyền dữ liệu lên nền tảng điện toán đám Trong phần tiếp theo sẽ giới thiệu lại một mây. Mạch nguyên lý của hệ thống này số tính năng và thông số quan trọng của được thể hiện trong hình 2. Các cảm biến hệ thống cảm biến trong bài báo [2]. giao tiếp với vi điều khiển bằng giao thức I2C. Cả cảm biến tĩnh và cảm biến xoay 2.2. Các tính năng và thông số chính đều là mạch đo cường độ ánh sáng kỹ của hệ thống cảm biến quay thuật số BH1750 [16]. Hệ thống cảm biến trong bài báo [2] có thể ứng dụng được trong hệ thống điều khiển thực. Hình ảnh của hệ thống cảm biến được trình bày trong hình 1. Thiết kế có hai cảm biến ánh sáng, cảm biến thứ nhất được gắn trên một bệ đỡ chuyến động quay bởi một môtơ bước, cảm biến này sẽ có nhiệm vụ đo cường độ ánh sáng đa hướng. Cảm biến ánh sáng thứ hai là một cảm biến tĩnh đo cường độ ánh sáng để tham chiếu. Hình 2. Mạch nguyên lý của hệ thống cảm biến mới Mạch điều khiển động cơ bước ULN2003 được dùng là mạch đệm công suất giữa vi điều khiển và động cơ bước. Các chân trình điều khiển ULN2003, IN1, IN2, IN3 Hình 1. Hình ảnh của hệ thống cảm biến và IN4, được kết nối với các chân đầu ra ánh sáng quay đa hướng của vi điều khiển. Động cơ bước 28BYJ- Trong hệ thống này không cần sử dụng 48 chạy ở chế độ 32 bước và có một bộ nhiều cảm biến như trong mạng cảm biến. giảm tốc với tỷ số truyền 64:1 để tạo ra Bằng cách xoay cảm biến ánh sáng, hệ 2048 bước mỗi vòng quay. Mối quan hệ thống này có thể tránh được các sự cố khi giữa góc và số bước của mô tơ được tính hướng đo ánh sáng của cảm biến bị các như sau: Số 26 63
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) i*360 a (1) vẫn đo chính xác mức độ ánh sáng ở các 2048 hướng khác. Với α là góc quay của cảm biến và i là số bước điều khiển của động cơ. Các thông số và hình ảnh của động cơ và bảng điều khiển được trình bày trong bài báo [2]. Trong thiết kế này, động cơ gắn vào trung tâm của cấu trúc đế quay như thể hiện trong hình 1, trục của động cơ quay xuống dưới và được cố định lại. Khi quay động cơ sẽ xoay toàn bộ cấu trúc do đó xoay cảm biến ánh sáng. Hệ thống cảm biến sử dụng bo mạch ESP8266 [17] để Hình 3. Đồ thị cường độ ánh sáng điều khiển động cơ bước quay theo yêu của cảm biến tĩnh và cảm biến xoay cầu và thu nhận giá trị đo được tại cảm Như trên hình 3, hệ thống cảm biến đã thể biến ở các hướng sau đó truyền dữ liệu hiện quá trình thay đổi cường độ ánh sáng này lên mạng thông qua đường truyền bị tác động bởi các vật cản che chắn Wi-Fi. nguồn sáng chính. Trong bài báo [1], đã trình bày thí nghiệm 3. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG VÀ KẾT QUẢ cho thấy cách cảm biến đo mức độ ánh MÔ PHỎNG sáng từ nhiều hướng. Đối với bài báo [2], ngoài dữ liệu cảm biến ánh sáng đa Hệ thống đèn chiếu sáng tiêu thụ 30% đến hướng, hệ thống còn thu thập dữ liệu ánh 50% năng lượng được sử dụng trong một sáng của cảm biến tham chiếu tĩnh. tòa nhà thương mại [7]. Sử dụng ánh sáng tự nhiên ban ngày có thể giảm mức năng Đối với dữ liệu được trình bày trong hình lượng điện sử dụng. 3 theo nghiên cứu [2], cảm biến xoay đã đo ánh sáng theo 8 hướng với Δ α =45o. Khái niệm sử dụng ánh sáng mặt trời để Trong hình 3, dữ liệu cảm biến các hướng chiếu sáng được gọi là khai thác ánh sáng lần lượt là d0 đến d7. Kênh cảm biến tĩnh ban ngày. Khai thác ánh sáng ban ngày là phương pháp khó áp dụng trong một tòa là được gắn nhãn là static. Hệ thống cảm nhà vì ánh sáng ban ngày thay đổi và bị biến ánh sáng đa hướng [2] không chỉ phụ thuộc vào vị trí khác nhau của tòa nhà thực hiện đo cường độ ánh sáng mà còn và thời gian khác nhau trong ngày. cho phép chúng ta phát hiện được sự phân bố không đồng đều của ánh sáng trong Hệ thống cảm biến [2] có thể định vị được phòng hay khu vực làm việc, ngay cả khi đúng các nguồn sáng chính ổn định và các một số hướng đo bị chặn, cảm biến xoay nguồn sáng phụ hay thay đổi, từ đó cho 64 Số 26
6. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) phép thực hiện điều khiển cường độ ánh R: Tín hiệu cần đạt được (chuẩn hay tham sáng tối ưu hơn bằng cách loại bỏ sự ảnh chiếu) thường được gọi là tín hiệu vào; hưởng của các nguồn sáng kém ổn định N: Tín hiệu nhiễu tác động từ bên ngoài đến tham số điều khiển. Do đó hệ thống vào hệ thống; cảm biến [2] rất thích hợp để sử dụng F: Tín hiệu hồi tiếp. trong hệ thống tiết kiệm năng lượng chiếu sáng bằng cách khai thác ánh sáng tự Trong hệ thống tiết kiệm năng lượng nhiên. Trong bài báo này sẽ đánh giá hiệu chiếu sáng, thiết bị điều khiển thường sử năng của hệ thống tiết kiệm năng lượng dụng bộ điều khiển fuzzy logic kết hợp chiếu sáng dựa trên hệ thống cảm biến PID, tín hiệu hồi tiếp F là cường độ ánh quay đa hướng. sáng có được từ thiết bị đo lường là cảm biến ánh sáng tĩnh. Thiết bị điều khiển sẽ 3.1. Tổng quan về hệ thống tiết kiệm so sánh giá trị của tín hiệu hồi tiếp F với năng lượng chiếu sáng giá trị cần đạt R và tính toán điều khiển Về bản chất một hệ thống tiết kiệm năng giá trị công suất cung cấp cho đối tượng lượng chiếu sáng bằng cách khai thác ánh điều khiển là đèn chiếu sáng. Nghiên cứu sáng tự nhiên là một hệ thống điều khiển hướng đến việc sử dụng truyền dữ liệu tự động vòng kín. qua điện toán đám mây và xây dựng hệ thống điều khiển phân tán không dây như Một hệ thống điều khiển tự động vòng kín hình 5. bao gồm ba phần chủ yếu: Thiết bị điều khiển (TBĐK); Đối tượng điều khiển (ĐTĐK); Thiết bị đo lường (TBĐL). Hình 5. Mô hình điều khiển phân tán sử dụng cảm biến tĩnh và bộ điều khiển fuzzy Hình 4. Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển tự động Như chúng ta đã biết một bộ điều khiển PID còn được gọi là bộ điều khiển kết Trong đó: hợp ba khâu tỉ lệ - tích phân - vi phân và C: Tín hiệu cần điều khiển được gọi là tín được biểu diễn bằng công thức như sau: hiệu ra; de() t t Ut()()() Ket T Ketdt (2) di U: Tín hiệu điều khiển; dt 0 Số 26 65
7. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Và được biểu diễn bằng sơ đồ trong hình bộ điều khiển kết hợp PID-LQR được 6. đánh giá về mặt hiệu năng. Các kết quả e(t) của mô phỏng đã khẳng định tính ưu việt r(t) K của bộ điều khiển kết hợp fuzzy-LQR - + u(t) C(t) được đề xuất so với bộ điều khiển kết hợp Td p + G(p) + PID-LQR, đặc biệt là khi có nhiễu. Ki p Trong bài báo này nhóm nghiên cứu đã thực hiện lại bộ điều khiển kết hợp fuzzy- H(p) LQR trong phần mềm Matlab sử dụng dữ liệu cảm biến tĩnh trong bài báo [2] để Hình 6. Cấu trúc của bộ điều khiển PID làm thiết bị đo lường. Trong hình 7 là sơ Trong một nghiên cứu so sánh của Jamilu đồ khối của bộ điều khiển kết hợp fuzzy- Kamilu Adamu và cộng sự [18], hiệu suất LQR trên simulink sử dụng dữ liệu đầu của bộ điều khiển kết hợp fuzzy-LQR và vào là cảm biến tĩnh. Hình 7. Sơ đồ khối của bộ điều khiển logic mờ kết hợp PID hợp với thiết bị đo lường là cảm biến ánh sáng đa hướng [2] sẽ phải thực hiện một khâu tiền xử lý để trích chọn ra một giá trị duy nhất đưa vào bộ điều khiển fuzzy- LQR như trong hình 9. Hình 8. Kết quả mô phỏng điều khiển với dữ liệu của cảm biến tĩnh Như ở trong bài báo [2] đã trình bày, hệ thống cảm biến quay đa hướng cung cấp giá trị cảm biến ánh sáng dưới dạng vectơ. Do đó, muốn thực hiện điều khiển Hình 9. Mô hình điều khiển phân tán ánh sáng dùng bộ điều khiển logic mờ kết sử dụng cảm biến quay và bộ điều khiển Fuzzy 66 Số 26
8. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Phần tiếp theo nhóm nghiên cứu đề xuất cảm biến dưới dạng vectơ E. Do đó theo một số phương pháp tiền xử lý dữ liệu của phương pháp trung bình cộng ta sẽ có giá cảm biến đa hướng và mô phỏng. trị trích chọn từ cảm biến đưa vào bộ điều khiển: 3.2. Các phương pháp tiền xử lý N 3.2.1. Phương pháp lấy trung bình cộng Y()() t  Ei t )/N (3) Ta có đầu ra của hệ thống cảm biến quay i 1 [2] cung cấp cho chúng ta giá trị đo trên Với N là số hướng đo của cảm biến quay. Hình 10. Kết quả trích chọn giá trị cảm biến theo phương pháp trung bình cộng so với cảm biến tĩnh Với bộ dữ liệu trong bài báo [2] chúng ta bộ điều khiển. Ta sẽ có giá trị đó theo sẽ có kết quả lấy trung bình cộng giá trị công thức sau: đo của các hướng so với giá trị cảm biến N tĩnh như hình 10. N i ()t i 1 Yavgmax ( t )  i ( t ). E i ( t ) / (4) 3.2.2. Phương pháp lấy trung bình i 1 cộng theo ngưỡng Với ωi(t) =0 khi Ei (t)<Y(t) và ωi(t)=1 Theo phương pháp lấy trung bình cộng ở nếu ngược lại và N là số hướng đo của trên chúng ta đã có được một giá trị cảm biến quay. ngưỡng Y để đi tìm các nguồn sáng chính. Từ việc tìm được các nguồn sáng chính Với bộ dữ liệu trong bài báo [2] chúng ta ảnh hưởng đến cường độ ánh sáng của sẽ có kết quả tiền xử lý bằng cách tìm môi trường nhóm nghiên cứu lại tính toán trung bình cộng giá trị đo của các hướng tiếp giá trị trung bình của các nguồn sáng theo ngưỡng so với giá trị cảm biến tĩnh chính và dùng nó làm giá trị đầu vào cho như hình 11. Số 26 67
9. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) quả so sánh với giá trị cảm biến tĩnh được thể hiện trong hình 12. Hình 11. Kết quả trích chọn giá trị cảm biến theo phương pháp trung bình cộng theo ngưỡng so với cảm biến tĩnh 3.2.3. Phương pháp lấy giá trị cực đại Hình 12. Kết quả trích chọn giá trị cảm biến Nếu coi các giá trị cường độ ánh sáng đo theo phương pháp tìm giá trị cực đại so với cảm biến tĩnh được từ các hướng phản ánh chân thực cường độ ánh sáng của môi trường thì 3.3. Kết quả mô phỏng trong quá trình sử dụng ánh sáng chúng ta Như ở phần trên nhóm nghiên cứu đã thực hoàn toàn có thể lấy nguồn sáng chính hiện một số phương pháp tiền xử lý để làm đối tượng căn cứ để điều khiển cường trích chọn các giá trị cường độ ánh sáng độ ánh sáng xung quanh. Phương pháp đa hướng chuyển về thành một giá trị để tìm giá trị cực đại chính là đi tìm nguồn đưa vào bộ điều khiển logic mờ. Sau đó sáng chính ảnh hưởng nhiều nhất đến nhóm nghiên cứu cũng thực hiện mô cường độ ánh sáng của môi trường và phỏng điều khiển cân bằng ánh sáng dùng nó làm giá trị đầu vào cho bộ điều tương tự như điều khiển với một cảm biến khiển. Ta sẽ có giá trị đó theo công thức tĩnh. sau: Trong hình 13 là giá trị cường độ ánh Ymax(t)= Max(E1, E2, , EN) (5) sáng trên các hướng sau khi đã điều chỉnh Với N là số hướng đo của cảm biến quay. lại sử dụng giá trị phản hồi với phương Để thực hiện tìm cực đại ta sẽ so sánh giá pháp tiền xử lý bằng cách tìm cực đại. trị giữa các hướng đo với nhau và gán Đây là kết quả mô phỏng sau điều khiển Ymax(t)=Ei(t) nếu Ei(t)> Ymax(t) với 1< i bù cân bằng ánh sáng với bộ điều khiển <N . logic mờ kết hợp PID có sơ đồ như trong Với bộ dữ liệu trong bài báo [2] chúng ta hình 5 thay vì sử dụng đầu vào là cảm sẽ sử dụng giá trị cường độ ánh sáng lớn biến tĩnh chúng tôi đã lấy giá trị của cảm nhất của một trong các hướng đã đo làm biến quay đưa qua khâu tiền xử lý để làm đầu vào của bộ điều khiển logic mờ, kết đầu vào. 68 Số 26
10. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 14 là đồ thị kết quả công suất bù tiêu thụ trên hệ thống chiếu sáng khi sử dụng các phương pháp tiền xử lý giá trị cảm biến quay đa hướng khác nhau. Bảng 1. So sánh công suất tiêu thụ trung bình Phương Công suất Tỷ lệ tiết pháp trích trung bình kiệm so với chọn đầu vào (W) cảm biến tĩnh Tìm cực đại 50,38 23,5% Trung bình 55,42 15,8% Hình 13. Kết quả mô phỏng điều khiển sử dụng theo ngưỡng đầu vào với phương pháp tiền xử lý tìm giá trị cực đại Trung bình 66,35 0,74% Cảm biến tĩnh 65,87 0% Với giá trị đặt ban đầu là 500 lux chúng ta có thể quan sát thấy giá trị cường độ ánh 4. KẾT LUẬN sáng trên các hướng đều nhỏ hơn hoặc bằng 500 lux đúng như yêu cầu của hệ Bài báo đã thực hiện thử nghiệm một số thống điều khiển ổn định cân bằng tự phương pháp tiền xử lý dữ liệu cảm biến động. Sai số của giá trị điều khiển là 2 lux ánh sáng quay đa hướng để đưa vào bộ có thể chấp nhận được. điều khiển logic mờ kết hợp PID. Với bộ dữ liệu trong bài báo [2] khi tính toán mô phỏng công suất tiêu thụ trên tải chiếu sáng, theo bảng 1 chúng ta có thể thấy được những ưu điểm của hệ thống cảm biến quay đa hướng khi giải quyết bài toán điều khiển công suất trong môi trường chiếu sáng bị tác động. Kết quả tính toán đã chứng minh hiệu quả của hệ thống tiết kiệm năng lượng chiếu sáng sử dụng cảm biến quay đa hướng tốt hơn khi chỉ sử dụng cảm biến tĩnh. Điều này có được là do hệ thống cảm biến ánh sáng quay đa hướng [2] đã phản ánh được Hình 14. Kết quả tính toán năng lượng tiêu thụ trung thực được cường độ ánh sáng của khi sử dụng các phương pháp tiền xử lý khác môi trường xung quanh ngay cả khi có tác nhau và cảm biến tĩnh động của các yếu tố ngoại cảnh lên các Đồng thời trong quá trình mô phỏng điều nguồn sáng chính. khiển, nhóm nghiên cứu cũng tính toán Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ được giá trị công suất tiêu thụ trên hệ thực hiện thuật toán điều khiển mới trên thống chiếu sáng bù cường độ ánh sáng phần cứng để đánh giá được chính xác và môi trường theo yêu cầu như trên. Hình khẳng định đúng đắn hơn các kết quả đã Số 26 69
11. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) đạt được. Hướng nghiên cứu tiếp theo hình phân tán dựa trên IoT áp dụng các nhóm nghiên cứu sẽ xây dựng hệ thống kết quả nghiên cứu trong bài báo [2] và tiết kiêm năng lượng chiếu sáng theo mô bài báo này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D.A. Hoang, T.T. Tung, C.M. Nguyen, K.P. Nguyen, “Rotating Sensor for Multi-Direction Light Intensity Measurement”, in 2019 International Conference on System Science and Engineering (ICSSE), 462–467, 2019, doi:10.1109/ICSSE.2019.8823447. [2] Hoang Anh Dung, Nguyen Manh Cuong, Nguyen Phan Kien, “Multi-Directional Light Sensing Using A Rotating Sensor”, Advances in Science, Technology and Engineering Systems Journal, Vol. 5, No. 6, p221-p227 (2020). ISSN: 2415-6698. [3] A.P. Plageras, K.E. Psannis, C. Stergiou, H. Wang, B.B. Gupta, “Efficient IoT based sensor BIG Data collection processing and analysis in smart buildings”, Future Generation Computer Systems, 82, 349–357, 2018, doi: [4] S. Chouikhi, I. El Korbi, Y. Ghamri-Doudane, L.A. Saidane, “A survey on fault tolerance in small and large scale wireless sensor networks”, Computer Commu-nications, 69, 22–37, 2015, doi: [5] C. Dandelski, B. Wenning, D.V. Perez, D. Pesch, J.M. g. Linnartz, “Scalability of dense wireless lighting control networks”, IEEE Communications Magazine, 53(1), 157–165, 2015, doi:10.1109/MCOM.2015.7010529. [6] I. Parvez, A. Rahmati, I. Guvenc, A.I. Sarwat, H. Dai, “A survey on low latency towards 5G: RAN, core network and caching solutions”, IEEE Commu-nications Surveys & Tutorials, 20(4), 3098– 3130, 2018, doi:10.1109/COMST. 2018.2841349. [7] V. Singhvi, A. Krause, C. Guestrin, J.H. Garrett Jr, H.S. Matthews, “Intelligent light control using sensor networks”, in Proceedings of the 3rd international conference on Embedded networked sensor systems, 218–229, ACM, 2005, doi: [8] J. Lu, D. Birru, K. Whitehouse, “Using Simple Light Sensors to Achieve Smart Daylight Harvesting”, in Proceedings of the 2Nd ACM Workshop on Embed-ded Sensing Systems for Energy Efficiency in Building, BuildSys ’10, 73–78, ACM, New York, NY, USA, 2010, doi:10.1145/1878431.1878448. [9] L. Yeh, C. Lu, C. Kou, Y. Tseng, C. Yi, “Autonomous Light Control by Wire-less Sensor and Actuator Networks”, IEEE Sensors Journal, 10(6), 1029–1041, 2010, doi:10.1109/ JSEN.2010.2042442. [10] M. Pan, L. Yeh, Y. Chen, Y. Lin, Y. Tseng, “A WSN-Based Intelligent Light Control System Considering User Activities and Profiles”, IEEE Sensors Jour-nal, 8(10), 1710–1721, 2008, doi:10.1109/JSEN.2008.2004294. [11] D. Caicedo, A. Pandharipande, “Distributed Illumination Control With Local Sensing and Actuation in Networked Lighting Systems”, IEEE Sensors Journal, 13(3), 1092–1104, 2013, doi:10.1109/JSEN.2012.2228850. [12] K. Warmerdam, A. Pandharipande, “Location data analytics in wireless lighting systems”, IEEE Sensors Journal, 16(8), 2683–2690, 2015, doi: 10.1109/JSEN.2015.2509982. [13] X. He, A. Pandharipande, “Location-Based Illumination Control Access in Wireless Lighting Systems”, IEEE Sensors Journal, 15(10), 5954–5961, 2015, doi:10.1109/JSEN.2015.2449276. [14] N. van de Meugheuvel, A. Pandharipande, D. Caicedo, P. van den Hof, “Distributed lighting control with daylight and occupancy adaptation”, Energy and Buildings, 75, 321 – 329, 2014, doi: 70 Số 26
12. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) [15] M. Bocca, A. Luong, N. Patwari, T. Schmid, “Dial it in: Rotating RF sensors to enhance radio tomography”, in 2014 Eleventh Annual IEEE International Conference on Sensing, Communication, and Networking (SECON), 600–608, 2014, doi:10.1109/SAHCN.2014.6990400. [16] M. electronics, “BH1750 ROHM Semiconductor Datasheet”, 2020. [17] E. Systems, “ESP8266 Overview”, 2020. [18] Adamu, J.K., Hamza, M.F., & Isa, A.I. “Performance Comparisons of Hybrid Fuzzy-LQR and Hybrid PID-LQR Controllers On Stabilizing Double Rotary Inverted Pendulum”. Journal of Applied Materials and Technology, 1(2), 71-80, 2020. Giới thiệu tác giả: Tác giả Nguyễn Phan Kiên tốt nghiệp đại học ngành điện tử viễn thông tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 1999; nhận bằng thạc sĩ ngành điện tử viễn thông năm 2002, nhận bằng Tiến sĩ năm 2005 tại Viện công nghệ Shibaura, Tokyo, Nhật bản. Hiện nay tác giả là giảng viên Bộ môn Công nghệ điện tử và Kỹ thuật y sinh, Viện Điện tử viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà nội. Lĩnh vực nghiên cứu: cơ sinh, điện sinh học cấp độ mô, điện tử ứng dụng và thiết bị y tế. Tác giả Hoàng Anh Dũng tốt nghiệp đại học tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2004, nhận bằng Thạc sĩ ngành kỹ thuật điện tử năm 2007. Hiện nay tác giả là giảng viên Khoa Công nghệ điện tử thông tin, Trường Đại học Mở Hà Nội. Lĩnh vực nghiên cứu: kỹ thuật điện tử, điện tử viễn thông. Tác giả Nguyễn Mạnh Cường tốt nghiệp đại học ngành điện tử viễn thông tại Học viện Kỹ thuật quân sự năm 2000; nhận bằng Tiến sĩ tại Đại học Tổng hợp miền nam Nga năm 2010. Hiện nay tác giả là giảng viên, chủ nhiệm Bộ môn Điện tử y sinh, Học viện Kỹ thuật quân sự. Hướng nghiên cứu: tự động hóa các quá trình công nghệ, xử lý tín hiệu y sinh. Tác giả Vũ Duy Thuận tốt nghiệp đại học ngành đo lường và tin học công nghiệp, nhận bằng Thạc sĩ ngành tự động hóa tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào các năm 2004 và 2008, nhận bằng Tiến sĩ ngành điều khiển và tự động hóa tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam năm 2018. Hiện nay tác giả là giảng viên Trường Đại học Điện lực. Lĩnh vực nghiên cứu: điều khiển và tự động hóa, lập trình điều khiển. Số 26 71
13. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 72 Số 26