- XÂY DỰNG GIẢI PHÁP VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG THÔNG MINH CHO THÀNH PHỐ PHỦ LÝ, HÀ. - 1 Trường Đại học Giao thông vận tải, 2 Viện Ứng dụng công nghệ. - Như vậy năng lượng cung cấp cho hệ thống chiếu sáng công cộng khá lớn và ngày càng tăng. - Do đó yêu cầu nghiên cứu các công nghệ tiên tiến áp dụng cho hệ thống chiếu sáng công cộng nhằm tiết kiệm nguồn điện năng, giảm khí thải CO2, đem lại hiệu quả trong vận hành và chất lượng ánh sáng đô thị đã và đang trở nên cấp bách. - Bài viết này đưa ra giải pháp thiết kế điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng công cộng trên nền tảng IoT, kết quả nghiên cứu được áp dụng trên một tuyến phố của thành phố Phủ Lý, Hà Nam.. - Từ khóa: Mạng vô tuyến, IoT, Lora, giám sát, điều khiển.. - Hầu hết các thành phố của Việt nam đã có đề án xây dựng đô thị thông minh. - Thành phố Phủ lý là đô thị lõi của tỉnh Hà nam đã được Thủ tướng Chính phủ công nhận là đô thị loại II năm 2018 và đang phấn đấu trở thành trung tâm của khu vực về thương mại dịch vụ, y tế, giáo dục. - đô thị thông minh vào năm 2025.. - Trong bất cứ mô hình đô thị thông minh nào, hệ thống chiếu sáng thông minh cũng là một cấu phần không thể thiếu vì nó liên quan đến nhiều yếu tố như văn hóa, xã hội và đặc biệt là vấn đề tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường. - Số liệu ước tính của Tổ chức Bảo vệ bầu trời đêm quốc tế cho thấy, chỉ riêng nước Mỹ đã có đến 38% năng lượng chiếu sáng ngoài trời bị lãng phí, làm tiêu tốn 2 triệu thùng dầu mỗi năm (khoảng 1,5 tỷ USD) và đóng góp khoảng 300 triệu tấn khí CO2. - Nghiên cứu các giải pháp, áp dụng các công nghệ tiên tiến vào hệ thống chiếu sáng công cộng đang ngày càng được quan tâm đặc biệt đối với mỗi quốc gia trên thế giới nhằm tiết kiệm năng lượng, thúc đẩy sự phát triển của cách mạng 4.0 vào cuộc sống, xây dựng thành phố thông minh. - Tuy nhiên, việc ứng dụng các thiết bị của nước ngoài vào nước ta hiện gặp nhiều khó khăn do chi phí cao, chưa phù hợp với điều kiện vận hành trong nước và do không làm chủ về công nghệ nên việc nâng cấp hệ thống, duy tu sửa chữa sẽ gặp khó khăn trong quá trình vận hành hệ thống. - Trong những năm vừa qua, ở các thành phố trên cả nước đã và đang áp dụng những biện pháp tiết kiệm điện trong chiếu sáng công cộng như cắt bớt chế độ ban đêm, giảm ½ lượng đèn chiếu sáng, dùng bộ điện tiết giảm công suất (dimming. - Đồng thời xét về toàn bộ hệ thống thì chưa phát huy hết hiệu quả, giá thành hệ thống còn cao nên việc ứng dụng thực tế vẫn chỉ dừng ở mức thí điểm trên một vài tuyến đường.. - Ứng dụng IoT vào hệ thống chiếu sáng công cộng để điều khiển và giám sát tập trung hệ thống đèn từ xa nhằm tiết kiệm năng lượng và kịp thời khắc phục được những hỏng hóc của đèn và của hệ thống là việc rất cần thiết để thực hiện nhiệm vụ tiết kiệm điện và là xu hướng phát triển một thành phố thông minh- ứng dụng công nghệ thông tin- internet vạn vật;. - THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH VÀ GIÁM SÁT TẬP TRUNG ĐÈN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG. - Xây dựng mô hình và các thành phần chức năng của hệ thống. - Trên cơ sở khảo sát đánh giá các hệ thống chiếu sáng thông minh trên thế giới cũng như đặc thù chiếu sáng trong nước, mô hình tổng quát của hệ thống điều khiển và giám sát đèn chiếu sáng công cộng được đề ra trên hình 1 [4].. - Mô hình tổng quan hệ thống điều khiển và giám sát đèn chiếu sáng công cộng.. - Các thành phần chức năng cơ bản trong hệ thống gồm các phần mềm điều khiển và giám sát trên server, hệ đo lường đèn, điều khiển đèn và truyền thông từ các đèn. - đến tủ điều khiển, bộ điều khiển trung tâm tại tủ điện, màn hình HMI và hệ xử lý ảnh.. - Các phần mềm điều khiển và giám sát trên server bao gồm phần mềm kết nối để điều khiển và thu thập dữ liệu từ các tủ điều khiển đèn, phần mềm giao diện người dùng cho phép cài đặt các chế độ hoạt động của hệ thống và giám sát được trạng thái hoạt động của hệ thống, lưu trữ, truy xuất cơ sở dữ liệu, phần mềm lưu trữ, phân tích cơ sở dữ liệu phục vụ cho việc đánh giá chất lượng của phân đoạn và của hệ thống giúp cho việc chẩn đoán sớm sự cố của hệ thống, nhằm khắc phục kịp thời khi xảy ra lỗi. - Khi click chuột vào thì hiển thị thông tin về thông số hoạt động.. - Hệ đo lường đèn, điều khiển đèn và truyền thông từ các đèn đến tủ điều khiển có chức năng đo lường, giám sát trạng thái hoạt động của đèn, giám sát được trạng thái kết nối truyền thông từ các đèn về tủ, điều khiển cường độ sáng của đèn thông qua điều khiển bộ nguồn của đèn qua chân ADC hoặc PWM (dự kiến 5 mức công suất:. - kết nối truyền nhận thông tin giám sát/điều khiển với bộ điều khiển trung tâm thông qua một bộ chuyển tiếp thực hiện nhiệm vụ kết nối với bộ điều khiển trung tâm và các mạch trên các đèn đặt tại tủ điều khiển, thu thập thông tin giám sát từ các đèn và truyền về cho bộ điều khiển trung tâm. - Mạch đèn đo lường cường độ dòng điện và truyền về bộ chuyển tiếp theo định kỳ, thời gian định kỳ này được nhận từ bộ điều khiển trung tâm thông qua bộ chuyển tiếp, nhận thông tin cài đặt từ bộ điều khiển trung tâm để gửi đến các mạch trên đèn. - Mạch điều khiển đèn tích hợp IC thời gian thực nhận thông tin điều khiển về các mức công suất tương ứng với các mốc thời gian trong ngày từ tủ điều khiển, căn cứ vào thời gian thực để chủ động điều khiển đèn. - Trong trường hợp mất kết nối truyền thông thì đèn vẫn hoạt động bình thường. - Do thời gian thực có thể bị trôi, do vậy cần hiệu chuẩn thời gian thực từ thời gian thực tại tủ điều khiển theo định kỳ-có thể 1 ngày 1 lần.. - Bộ điều khiển trung tâm tại tủ điện truyền/nhận lệnh điều khiển, thông tin với các đèn thông qua bộ chuyển tiếp, truyền/nhận lệnh điều khiển, thông tin với server qua GSM (GPRS, 3G), nhận lệnh điều khiển qua SMS từ điện thoại, nhận thông tin từ hệ xử lý ảnh (chuẩn RS232), căn cứ vào mật độ giao thông để điều khiển cường độ sáng của đèn tương ứng. - Đồng thời đo cường độ ánh sáng tự nhiên qua 02 cảm biến ánh sang, giao tiếp với module đồng hồ thời gian thực: sử dụng IC thời gian thực chính xác hoặc lấy thời gian từ module GPS, đo lường công suất, điện áp của tuyến thông qua cảm biến hoặc đồng hồ đo công suất, giao tiếp với màn hình HMI để nhận lệnh điều khiển cưỡng bức, các tham số cấu hình, chế độ hoạt động của hệ thống. - Trang màn hình chính hiển thị logo, thông tin đơn vị quản lý, thông tin đèn trên tuyến(số lượng, công suất, chủng loại), công suất tiêu thụ, điện áp,… và đăng nhập (name, pass). - Trang giám sát hiển thị sơ đồ đèn trên. - báo trạng thái hoạt động của đèn. - mật độ giao thông. - cường độ ánh sáng. - trạng thái kết nối đến các đèn. - trạng thái kết nối đến trung tâm … Trang cấu hình cho phép cấu hình tần suất truyền thông tin giám sát về server, cấu hình hiệu chuẩn dữ liệu đo lường cường độ sáng, dữ liệu mật độ giao thông, cấu hình tần suất nhận thông tin giám sát từ các đèn, cấu hình công suất điều khiển đèn tương ứng với các mốc thời gian trong ngày, cấu hình tuần suất gửi thời gian thực để hiệu chuẩn thời gian thực trên các mạch đèn. - Hệ xử lý ảnh cho phép điều khiển bật/tắt và thay đổi cường độ sáng của đèn chiếu sáng công cộng tối ưu theo điều kiện ánh sáng tự nhiên và lưu lượng phương tiện tham gia giao thông trên tuyến. - Điều khiển bật/tắt đèn theo ánh sáng tự nhiên sử dụng cảm biến đo cường độ sáng tự nhiên (lúc trời dần về tối hoặc lúc rạng sáng), từ đó điều khiển bật/tắt phù hợp theo điều kiện ánh sáng tự nhiên. - Điều khiển cường độ sáng của đèn trên cơ sở nhận xét khi về đêm, lưu lượng phương tiện tham gia giao thông thưa thớt nên có thể sử dụng điều khiển chế độ cắt pha (các đèn bật, tắt đan xen nhau) để giảm cường độ ánh sáng nhằm tiết kiệm điện năng. - Đèn chiếu sáng được áp dụng trong nghiên cứu là sử dụng loại đèn Led, có chức năng thay đổi được cường độ ánh sáng của đèn. - Giải pháp để xác định được lưu lượng phương tiện giao thông trên tuyến được sử dụng công nghệ xử lý ảnh. - Trên tuyến đường bố trí các camera, dữ liệu video được truyền trực tiếp về máy tính tại trung tâm có cài đặt các phần mềm chức năng thực hiện nhiệm vụ xác định lưu lượng phương tiện, số liệu này sẽ được truyền đến tủ điều khiển trên tuyến đường, từ đó tủ điều khiển sẽ đưa ra các chế độ điều khiển cường độ sáng của đèn phù hợp với lưu lượng phương tiện giao thông trên tuyến nhằm đảm bảo điều kiện áng sáng, tiết kiệm điện năng và tạo mỹ quan độ thị.. - Lựa chọn giải pháp truyền thông và thiết kế chế tạo các thành phần của hệ thống.. - Nhiệm vụ truyền thông đối với hệ thống điều khiển và giám sát từ xa hệ thống chiếu sáng công cộng là rất quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng và an toàn hệ thống.. - Việc truyền thông trong hệ thống cơ bản được phân thành 2 loại gồm truyền thông từ trung tâm đến tủ điều khiển và từ tủ điều khiển đến các đèn chiếu sang.. - Truyền thông giữa tủ điều khiển và trung tâm thực hiện nhiệm vụ truyền các thông tin về cài đặt, thiết lập các chế độ vận hành của hệ thống từ phần mềm máy tính trung tâm đến tủ điều khiển, đồng thời truyền các thông tin về tình trạng hoạt động, các thông số hoạt thực tế của hệ thống từ tủ điều khiển đến phần mềm máy tính trung tâm để có thể giám sát được trạng thái hoạt động, nhằm kịp thời khắc phục khi hệ thống gặp sự cố,…. - Giải pháp truyền thông từ tủ điều khiển đến trung tâm có thể là hữu tuyến (phương án tối ưu là sử dụng cáp quang) hoặc vô tuyến (phương án tối ưu là sử dụng mạng thông tin di động GMS). - Cả hai giải pháp này đều được tích hợp vào bộ điều khiển trong tủ điều khiển đèn, tùy thuộc vào điều kiện thực tế để có thể sử dụng giải pháp phù hợp (tuyến đường có sẵn đường truyền cáp quang thì sử dụng, tuyến đường không có sẵn cáp quang thì sử dụng giải pháp vô tuyến nhằm tiết giảm kinh phí đầu tư hạ tầng cáp quang mà vẫn đảm bảo được yêu cầu về truyền/nhận dữ liệu của hệ thống).. - Trong truyền thông từ tủ điều khiển đến các đèn chiếu sáng tủ điều khiển cần được kết nối truyền thông đến các đèn chiếu sáng để thực hiện các nhiệm vụ như tủ điều khiển gửi các thông tin về điều khiển cưỡng bức đèn, đồng bộ thời gian thực trên các đèn, gửi thông tin cấu hình về các chế độ hoạt động của đèn chiếu sáng. - các đèn chiếu sáng gửi thông tin về tình trạng hoạt động của đèn đến tủ điều khiển để thực hiện chức năng giám sát. - Để thực hiện nhiệm vụ truyền thông giữa tủ điều khiển và các đèn chiếu sáng có thể áp dụng giải pháp hữu tuyến và vô tuyến. - Ngày nay các công nghệ truyền thông vô tuyến ngày càng phát triển, đã đem lại hiệu quả về kinh tế và khả năng thiết lập mạng dễ dàng (có thể thêm/bớt các trạ trong tuyến) trong khi giải pháp hữu tuyến là khó khăn khi bổ sung thêm các node mạng(đèn chiếu sáng) và bị ảnh hưởng bởi các tác động bên ngoài như việc cải tạo, khoan cắt vỉa hè,… Do vậy giải pháp vô tuyến là sựu lựa chọn hiệu quả.. - Với giải pháp truyền thông vô tuyến từ tủ điều khiển đến các đèn chiếu sáng thì có nhiều giải pháp khác nhau, trong đó các giải pháp cơ bản như: Bluetooth, Zigbee, wifi, Lora. - Sau khi phân tích, tìm hiểu thông tin, bảng sau đây so sánh 4 công nghệ truyền thông phổ biến nhất, dựa trên các thông số kỹ thuật quan trọng nhất trong hệ thống.. - Bảng so sánh các công nghệ truyền thông vô tuyến.. - Xét về mặt tổng quan ứng dụng cho hệ thống IoT nói chung thì công nghệ Lora ưu việt hơn hẳn các công nghệ khác, Lora chỉ kém các công nghệ khác ở tốc độ truyền thông, tuy nhiên trong các hệ thống IoT thông thường thì dữ liệu truyền trong hệ thống là không nhiều và không đòi hỏi quá nhanh [5,6].. - Đối với hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng, hệ thống có nhiều đòi hỏi khắt khe hơn như hệ thống hoạt động ngoài trời, chịu các tác động nhiễu, thời tiết khắc nghiệt như nhiệt độ, độ ẩm, bụi và các côn trùng xâm phạm,… hệ thống gồm nhiều các đèn chiếu sáng – các node kết nối đến tủ điều khiển – gateway.. - Số lượng các note là lớn, khoảng cách giữa các node xa và đặc biệt giữa các node đến tủ điều khiển là lớn. - Như vậy, việc lựa chọn công nghệ Lora áp dụng cho hệ thống. - giám sát và điều khiển đèn chiếu sáng công cộng là phù hợp nhất để đem lại cho hệ thống hoạt động hiệu quả và tin cậy nhất.. - Mô hình thiết lập mạng Lora ứng dụng cho hệ thống như hình sau:. - Mô hình mạng Lora ứng dụng cho hệ thống.. - Trong đó các End device là các mạch điện tại các cột đèn chiếu sáng, kết nối trực tiếp với đèn chiếu sang, các Lora gateway là các tủ điều khiển đèn chiếu sáng tại các tuyến đường, Data Server là máy chủ, cài các phần mềm chức năng thực hiện lưu trữ dữ liệu, giao diện người dùng cho phép cấu hình hệ thống và giám sát các trạng thái làm việc của hệ thống.. - Module truyền thông Lora - RAK811.. - Thông qua yêu cầu từ hệ thống giám sát và điều khiển đèn chiếu sáng công cộng và qua việc tìm hiểu thông số kỹ thuật của các chủng loại module Lora, module phù hợp nhất đáp ứng về yêu cầu bài toán cũng như chi phí đầu tư đã được lựa chọn là module RAK811 loại tần số 433MH (hình 3, 4).. - Mạch nguyên lý khối ăng ten của module truyền thông.. - Mạch điện layout của các node – tại cột đèn chiếu sáng.. - Mạch điện layout của mạch gateway – tại tủ điều khiển đèn.. - Vận hành thử nghiệm và hoàn thiện hệ thống. - Sau khi thiết kế, chế tạo các giao diện giám sát, cấu hình hệ thống trên máy chủ có dạng như trên hình 10, và trên màn hình HMI có dạng trên hình 10, 11.. - Giao diện giám sát, cấu hình hệ thống trên server.. - Giao diện giám sát, cấu hình hệ thống trên màn hình HMI.. - Hiện tại, bước đầu hệ thống đã được lắp đặt thử nghiệm tại tuyến phố Biên hòa (hình 12), thành phố Phủ lý, nơi có UBND thành phố và một số cơ quan quan trọng khác, để chảo mừng đại hội Đảng của thành phố và tỉnh Hà nam.. - Nghiên cứu ứng dụng IoT dựa trên nền tảng Lora là công nghệ truyền thông vô tuyến với khoảng cách xa, năng lượng thấp và khả năng chống nhiễu tốt, đây cũng là công nghệ tiên tiến hiện nay. - Mạng IoT được xây dựng dễ dàng thiết lập lại cho việc thêm/bớt các cột chiếu sáng, chủ động điều khiển – cấu hình đến từng cột đèn chiếu sáng.. - Sản phẩm nghiên cứu bước đầu được ứng dụng trên tuyến phố Biên Hòa, thành phố Phủ Lý, tỉnh Hà Nam, tiết kiệm đến 65% điện năng so với hệ thống chiếu sáng trước đây tại tuyến, đem lại hiệu quả trong công tác vận hành quản lý hệ thống chiếu sáng, tiết giảm nhân công, đồng thời đảm bảo mỹ quan trong chiếu sáng đô thị cũng như chất lượng của hệ thống chiếu sáng.. - Trước nhu cầu xây dựng hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh với các cấp độ khác nhau, từ cơ quan, tuyến phố, khu đô thị. - Cảm ơn UBND tỉnh Hà Nam đã tài trợ cho cho nghiên cứu này trong khuôn khổ đề tài “Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh và truyền thông không dây thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát, điều khiển thông minh đèn tín hiệu cho một khu vực giao thông điển hình của thành phố Phủ Lý”.. - Lê Hoàng Nam và các thành viên, Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh và truyền thông không dây thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát, điều khiển thông minh đèn tín hiệu cho một khu vực giao thông điển hình của thành phố Phủ Lý, Đề tài KHCN cấp tỉnh Hà Nam 2018-2021.. - Lê Tiên Phong, nghiên cứu sử dụng hiệu quả năng lượng điện trong hệ thống chiếu sáng công cộng, Tạp chí trường Đại học Công nghiệp Hà Nội.. - Ly Lan, LoRa: Giải pháp cho triển khai mạng IoT, Tạp chí công nghệ thông tin và truyền thông, 10/2016.
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt