Thiết kế, ứng dụng mạng truyền thông cho hệ thống chiếu sáng thông minh

Nội dung text: Thiết kế, ứng dụng mạng truyền thông cho hệ thống chiếu sáng thông minh

1. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải THIẾT KẾ, ỨNG DỤNG MẠNG TRUYỀN THÔNG CHO HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH Nguyễn Thanh Hải1* 1 Trường Đại học Giao thông Vận tải, Số 3 Cầu Giấy, Hà Nội * Tác giả liên hệ. Email: nguyenthanhhai@utc.edu.vn; Tóm tắt. Hệ thống chiếu sáng thông minh cho phép tăng hiệu quả chiếu sáng, tiện ích cho người sử dụng và có tính bảo mật. Độ sáng đèn có thể điều khiển được từ xa, tự thích ứng với môi trường hoặc theo các hoạt cảnh cài đặt, hệ thống tự động kiểm soát trạng thái hoạt động của đèn chiếu sáng, cảnh báo các hư hỏng. Trong hệ thống chiếu sáng thông minh ngoài phần điều khiển công suất chiếu sáng, phần quan trọng là mạng truyền dữ liệu kết nối nhiều đèn trong hệ thống về trung tâm điều khiển và quản lý. Trong bài báo này trình bày phương pháp kết nối trong hệ thống chiếu sáng thông minh, xây dựng cấu trúc dữ liệu lưu trữ và cuối cùng là đánh giá chất lượng đường truyền của mạng truyền thông này. Từ khóa: Hệ thống chiếu sáng thông minh, Mạng kết nối, DALI, BLE. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Chiếu sáng thông minh là một giải pháp sử dụng phần mềm kết nối các ứng dụng trên các thiết bị thông minh để điều khiển từ xa hoặc tự động bật/tắt đèn chiếu sáng thay thế cho các công tắc điện truyền thống. Với hệ thống chiếu sáng thông thường tương ứng với mỗi đèn sẽ sử dụng 1 công tắc để tắt bật, đôi khi sử dụng thêm bộ điều khiển điện áp để thay đổi mức độ sáng. Còn hệ thống chiếu sáng thông minh sẽ sử dụng một mạng truyền thông kết nối các tín hiệu điều khiển vào BUS chung. Nhờ đường BUS này có thể điều khiển tắt/bật, lập lịch chiếu sáng, điều chỉnh độ sáng từ xa thông qua bảng điều khiển, điện thoại di động, trang Web Hệ thống chiếu sáng thông minh ngoài việc tạo ra các tiện nghi cho người sử dụng, còn mang lại lợi ích về hiệu suất sử dụng năng lượng điện nhờ các cải tiến về công nghệ đèn Led, chấn lưu điện tử, hệ thống khởi động mềm và tự động điều chỉnh độ sáng thông qua điều chế điện áp cho đèn. Các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng truyền thống bao gồm tắt toàn bộ hoặc một phần nguồn sáng, tuy nhiên sẽ làm cho độ sáng không đồng đều cũng như tác động đến tuổi thọ của đèn. Một hệ thống điều khiển và quản lý từ xa cho phép người sử dụng khống chế từng đèn trong hệ thống từ một thiết bị trung tâm hoặc di động. Để giảm chi phí khi thực hiện hệ thống sử dụng một đường truyền bán công kết nối giữa các bộ điều khiển đèn về trung tâm xử lý, với giao thức điều khiển đèn có tính chất đặc thù [1]. -170-
2. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Hệ thống truyền thông này có thể là có dây như Ethernet, cáp quang, đường dây tải điện PLC hoặc là không dây (GSM/GPRS, RF, WiFi, WiMAX, IEEE 802.15.4, ZigBee và Bluetooth). Trên cơ sở ZigBee, IEEE 802.15.4 hay Bluetooth có thể thiết lập mạng cảm biến không dây truyền thông theo nguyên lý bắc cầu và tự định tuyến đường truyền, các ứng dụng này khá phổ biến trong Nhà thông minh [2]. Mặc dù ban đầu các giải pháp truyền thông này chưa thực sự phù hợp với bài toán điều khiển chiếu sáng thông minh, do chúng được thiết kế truyền với tốc độ cao nhưng lại tiêu tốn năng lượng và giá thành cao. Gần đây các nhà thiết kế đưa ra giải pháp Bluetooth năng lượng thấp BLE kết nối mạng (Bluetooth Mesh) để giải quyết vấn đề năng lượng và chi phí, ngoài ra nó còn hỗ trợ giao thức IPSP sử dụng IPv6 để kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi khác. Về giao thức cho hệ thống chiếu sáng thông minh có thể dùng giao thức như TCP/IP, BACNet, DMX 512, LONWorks, X-10, EIB/KNX hay DALI. Bảng 1. So sánh các giao thức truyền thông trong hệ thống Smart Home [7]. TT Tên giao thức Băng tần Tốc độ truyền Số điểm kết Dạng kết nối lớn nhất nối 1 UPB 4-4Khz 480bit/s 64,000 Có dây 2 DALI Mã 1200bit/s 256 Có dây Manchester 3 X10 433Mhz 20bit/s 256 Có dây 4 EIB/KNXRF 868Mhz 16,4kbit/s 256 Không dây 5 Z-Wave 868Mhz 9,6kbit/s 232 Không dây 6 nanoNET 2,4GHz 2Mbit/s 248 Không dây 7 EnOcean 868Mhz 120kbit/s 232 Không dây 8 IEEE802/15/4/Zibee 868Mhz, 20-250kbit/s 65.536 Không dây 2.4Ghz 9 IEEE802/15/4/ 868/915Mhz, 100-250kbit/s - Không dây 6LoWLAN 2,4Ghz 10 IEEE802.11ah/Wifi 900Mhz 18Mbit/s - Không dây HaLow Ở trong nước đã có một số sản phẩm về hệ thống chiếu sáng thông minh, tuy nhiên sử dụng các giải pháp truyền thông thông dụng như Wifi, Zibee chưa có giao thức chuyên dụng theo tiêu chuẩn cho hệ thống chiếu sáng. Trong bài báo này trình bày một giải pháp truyền thông sử dụng cho hệ thống chiếu sáng thông minh cho hộ gia đình, xây dựng cấu trúc dữ liệu lưu trữ và cuối cùng là đánh giá chất lượng đường truyền của mạng truyền thông này. -171-
3. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 2. CẤU TRÚC MẠNG TRUYỀN THÔNG CỦA HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH So với phương pháp chiếu sáng thông thường điều khiển qua công tắc tắt/bật, thiết bị chiếu sáng thông minh có hai đường kết nối gồm đường nguồn cấp năng lượng chiếu sáng và đường tín hiệu điều khiển (bật/tắt, điều chỉnh độ sáng). Với công nghệ truyền tín hiệu điều khiển có dây sẽ sử dụng mạng DALI, còn với công nghệ không dây đường truyền Bluetooth Mesh có những ưu thế hơn cả. LAN WiFi Gateway DALI hoặc Bluetooth BUS Bảng điều Cảm biến khi ể n Hình 1. Cấu trúc mạng kết nối tín hiệu điều khiển. Trong sơ đồ cấu trúc Gateway đóng vai trò trung tâm kết nối và điều khiển dữ liệu. Chức năng của Gateway như sau: - Thiết lập các kịch bản chiếu sáng cho các đèn trong hệ thống: gán địa chỉ của từng thiết bị trên BUS hệ thống, tạo nhóm hoạt động đồng thời của cụm đèn, các hoạt cảnh (sáng theo thời gian, điều khiển cường độ sáng, hoạt động theo cảm biến). Các kịch bản sẽ được cài đặt ban đầu khi thiết kế hệ thống, ví dụ đối với hệ thống chiếu sáng trong nhà: nó phụ thuộc vào số lượng phòng, số đèn trong phòng, loại đèn, mức độ sáng phù hợp trong phòng, thói quen của người sử dụng. - Điều phối và giám sát BUS truyền thông: phát hiện các nút mạng bị lỗi trên đường truyền. Với hệ thống không dây hoạt động theo nguyên tắc mạng cảm biến không dây cho phép tăng khoảng cách truyền và tự định tuyến khi có một nút mạng có lỗi. Trong trường hợp Gateway không làm việc, bảng điều khiển vẫn có thể điều khiển -172-
4. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải trực tiếp các đèn do đã lưu địa chỉ điều khiển. - Kết nối với các thiết bị cho phép điều khiển từ xa như điện thoại di dộng (thông qua WiFi), với máy chủ thông qua mạng Internet (từ các thiết bị như máy tính, máy tính bảng, điện thoại có thể thay đổi và giám sát các đèn trong hệ thống). Bảng điều khiển, cảm biến hay thiết bị chiếu sáng được kết nối với BUS, lúc này mỗi thiết bị được gắn một địa chỉ trong hệ thống để thực hiện các kịch bản được cài đặt sẵn. 3. GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG Trong bài báo này tập trung vào giải pháp sử dụng truyền thông DALI (Digitally Addressable Lighting Interface), DALI phù hợp với tiêu chuẩn IEC60929 và IEC62386. DALI sử dụng đường kết nối 2 dây không phân cực, được cấp nguồn từ một nút mạng (thông thường từ Master). Khi làm việc từ Master gửi gói dữ liệu 16 bit mã Manchester, thiết bị Slaver có thể trả lời bằng gói dữ liệu 8 bit mã Manchester. Cho phép chế độ nhiều Master và 2 Master đều có thể truy nhập vào 1 Slaver. Một đường kết nối DALI cho phép 64 kênh (mỗi kênh có một địa chỉ tương ứng với một thiết bị chiếu sáng) kết nối, ngoài ra có thể chia thành 16 nhóm với mỗi nhóm có thể thực hiện 16 ngữ cảnh chiếu sáng.Trong giao thức DALI không có kiểm tra mã lỗi. Trên đường truyền DALI, mức logic 0 (trạng thái tích cực) được xác lập khi điện áp giữa các dây nhỏ hơn 9,5V. Mức logic 1 được xác lập khi điện áp giữa các dây nằm trong khoảng từ 9,5 đến 22,5V (thường dùng ở mức 16V). Dòng điện tối đa trên dây giới hạn là 250mA, mỗi thiết bị kết nối có thể tiêu tốn dòng điện tối đa 2mA. Cấu trúc gói dữ liệu truyền từ Master gồm 1 bit bắt đầu, 8 bit địa chỉ, 8 bit dữ liệu và 2 bit kết thúc, dữ liệu được truyền bit cao trước: s Y A A A A A A S X X X X X X X X | | s: Bit bắt đầu với mức logic 1 YAAA AAAS: Byte địa chỉ XXXX XXXX: Byte dữ liệu | | =bit kết thúc (BUS ở mức cao) Y=0 biểu thị truy nhập đến thiết bị đơn lẻ (có địa chỉ từ 0-63) Y=1 biểu thị truy nhập đến nhóm thiết bị (có địa chỉ từ 0-15) hoặc một thiết bị tiếp sóng khác (có địa chỉ 1111 111s) S= bit lựa chọn, nếu =0 byte dữ liệu sẽ là giá trị điều khiển cường độ sáng nếu=1 byte dữ liệu sẽ là lệnh điều khiển Cấu trúc gói dữ liệu phản hồi từ Slaver gồm 1 bit bắt đầu, 8 bit dữ liệu và 2 bit kết thúc, dữ liệu được truyền bit cao trước: -173-
5. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải s X X X X X X X X | | Tốc độ truyền thông của DALI là 1200 bit/s với khoảng sai số ±10%, thời gian truyền từ Master mất 15,83ms còn thời gian từ Slave mất 9,17ms. Thời gian đợi phản hồi từ Slave nằm trong khoảng 2,91ms đến 9,17ms. 4. THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG TRUYỀN THÔNG DALI 4.1 Thiết kế mạch phần cứng Hình 3. Mạch điều khiển đèn chiếu sáng. -174-
6. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Đường BUS DALI được thiết kế có khả năng chịu được điện áp cao đến 230VAC, không phân cực, nối vào chân 3 và 4 của giắc CN3. Tín hiệu nhận RX được nối vào chân ngắt 16 của vi điều khiển U1, tín hiệu truyền Tx nối vào chân 15 của U1. Chân 2 của giắc CN3 được điều chế độ rộng xung 16 bit điều khiển 65536 mức sáng của đèn. Mạch thiết kế phần nhận và truyền tín hiệu phù hợp với tiêu chuẩn IEC60929. 4.2 Phần mềm điều khiển Phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể, chương trình phần mềm được thiết kế cho 4 dạng đèn: đèn Led điều chỉnh độ sáng thông qua PWM, điều khiển tắt bật thiết bị/đèn, điều chỉnh độ sáng đèn bằng cách thay đổi điện áp đầu ra, điều khiển độ sáng đèn bằng phương pháp cắt pha điện áp xoay chiều. Hình 4. Phần mềm điều khiển thiết bị chiếu sáng. Các khối chức năng chính của phần mềm bao gồm: - Kết nối phần truyền Tx và nhận Rx của tín hiệu DALI: sử dụng ngắt ngoài, Timer định thời gian xác định khung của mã Manchester. Có chức năng nhận dữ liệu 16bit từ Master, gửi dữ liệu 8 bit cho Master, tạo mức tín hiệu phù hợp trên đường DALI trong quá trình truyền và nhận, xác định trạng thái lỗi khi truyền thông. Các hàm chức năng được xây dựng trong file “DALISlave.c”. -175-
7. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải - Thiết lập chế độ hoạt động của các khối phần cứng như Timer, ngắt, cổng vào/ra DALI sử dụng các file “stm8s_it.c”, “Dali_config.c”. - Phân tích dữ liệu nhận được từ Master: tách dữ liệu và lệnh, tương ứng với dữ liệu nhận được điều khiển đèn chiếu sáng phù hợp: tăng/giảm độ sáng, đặt độ sáng nhỏ nhất/lớn nhất, điều chỉnh tăng/giảm độ sáng theo thời gian (ngữ cảnh), điều chỉnh mức độ sáng theo hàm Logarit. Các hàm được xây dựng trong file “dali_pub.c”. - Xác định các trạng thái hiện tại của đèn (độ sáng, công suất, hư hỏng), các dữ liệu này được truyền về Master. Trong file “dali.c”. - Khi thiết kế hệ thống chiếu sáng, ban đầu sẽ sử dụng một phần mềm trên máy tính hoặc điện thoại di động thiết lập các đèn cho từng phòng, ngữ cảnh sáng đèn, hệ thống sẽ tự động thiết lập các địa chỉ cho từng bộ điều khiển đèn. Việc này được thực hiện thông qua các hàm trong file “dali_cmd.c”. - Lưu trữ các thông tin về cấu hình (địa chỉ từng bộ điều khiển đèn, nhóm đèn, bảng điều khiển) vào bộ nhớ EEPROM. Các hàm trong file “eeprom.c” và “dali_regs.c”. - Điều chế độ rộng xung, điều khiển điện áp đầu ra, điều khiển bật/tắt được thực hiện bởi các hàm PWM_LED(), Out_LDAC() trong file “main.c”. 4.3 Thử nghiệm và đánh giá kết quả. Các thiết bị được chế tạo lắp đặt thử nghiệm trong căn hộ thực điều khiển 20 đèn chiếu sáng. Hệ thống hoạt động ổn định đã trên 12 tháng, các gói dữ liệu truyền thông gồm địa chỉ, mức độ sáng, trạng thái hoạt động của đèn được lưu trữ an toàn trong bộ nhớ EEPROM. Hình 5. Thử nghiệm thiết bị điều khiển chiếu sáng. Thử nghiệm về chất lượng đường truyền cho thấy: Thời gian đáp ứng điều khiển nhỏ hơn 200ms, hệ thống tự loại nút mạng trong trường hợp xảy ra lỗi tại một nút, đồng thời báo địa chỉ nút mạng lỗi. Khi có một ghép nối mới vào mạng sẽ tự động kích hoạt địa chỉ không cần cấu hình lại mạng. Thiết bị có thể ghép nối và hoạt động tốt với bộ điều khiển của Siemens KNX/DALI Gateway N141/31. -176-
8. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 5. KẾT LUẬN Công nghệ chiếu sáng thông minh trong những năm gần đây rất được quan tâm và phát triển tại Việt nam, tuy nhiên các nhà sản xuất chưa áp dụng theo tiêu chuẩn thống nhất nên mặc dù có nhiều hệ thống trên thị trường nhưng khả năng kết nối với nhau hạn chế. Nội dung của bài báo nghiên cứu giải pháp áp dụng cho hệ thống chiếu sáng thông minh theo tiêu chuẩn IEC60929 và IEC62386, nó cho phép sử dụng tương thích với nhiều thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau theo cùng một tiêu chuẩn. Đã thiết kế chế tạo được 4 loại sản phẩm phù hợp với từng loại đèn, với loại đèn điều chỉnh mức độ sáng đa mức 16 bit tạo ra hiệu ứng trộn nhiều màu khi sử dụng đèn đa màu. Bước phát triển tiếp theo là chuyển đổi phương thức truyền dữ liệu có dây sang không dây nhằm tiết kiệm chi phí lắp đặt và vận hành thiết bị. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Buratti C., Conti A., Dardari D., Verdone R., An overview on wireless sensor networks technology and evolution, Sensors 2009; 9: 6869–6896. [2]. Francisco B., Francisco D., Aurora R. G, Antonio M, In-building lighting management system with wireless communications, 2012 IEEE International Conference on Consumer Electronics (ICCE). [3]. Lee JD, Nam KY, Jeong SH, Choi SB, Ryoo HS, Kim DK, Development of Zigbee based street light control system: Proceedings of the IEEE Power Systems Conference and Exposition, Atlanta, Georgia, Oct 29 to Nov 1: 2006: New York: IEEE. [4]. Wang SC, Liu YH, Chen YL, Chen JY, Development of DALI-based electronic ballast with energy saving control for ultraviolet lamps: Proceedings of the 8th IEEE International Conference on Industrial Informatics, Osaka, Japan, Jul 13–16: 2010. [5]. Zhang Y, Zhou P, Wu M, Research on DALI and development of master-slave module: Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Networking, Sensing and Control, Ft Lauderdale, FL, Apr 23–25: 2006: New York: IEEE. [6]. Sagar Deo, Sachin Prakash, Asha Patil, Zigbee-based intelligent street lighting system. 2014 2nd International Conference on Devices, Circuits and Systems (ICDCS). [7] Manuel S., Paula F., Tiago M., Adriana D., Miguel G., Home Automation System Based on Intelligent Transducer Enablers. Sensor 2016, DOI: 10.3390/s16101595. -177-